Att minska storleken på delar, minska antalet delar och minska vikten på delar är den obevekliga jakten på flyg, biltillverkning och andra områden. Till exempel motsvarar varje gram flygplans viktminskning att minska mycket bränsleförbrukning under service. Som ett annat exempel, genom att minska storleken på satellitens komponenter, kan mer utrymme tillhandahållas för att öka batterieffekten, vilket ökar den tid som satelliten kan vistas i rymden.
Det bör noteras att lättvikt i allmänhet förstås som borttagning av material från en komponent eller del för att minska dess vikt. Det här är vad som händer, och det är därför det ofta läggs tonvikt på "materialreduktion" eller att ersätta vissa material med andra lätta material.
Genom att välja ett material med en högre specifik hållfasthet kan delens totala vikt minskas. Om vi till exempel jämför rostfritt stål, aluminiumlegering och titanlegering, har titanlegering en högre specifik hållfasthet och kan använda mindre material för att uppnå samma prestandanivå.
Detta fokus på material påverkar därför delens design som återspeglar hur grundläggande designförändringar kan hjälpa till att minimera materialförbrukningen och i slutändan minska byggtiden.
Eftersom lättvikten hos vilken struktur som helst kommer att direkt påverka delarnas mekaniska egenskaper, är tillverkningsbarhet en av de viktigaste faktorerna som påverkar lättvikten. Du kan ha den lättaste och högsta prestanda teoretiska designen, men om den inte kan tillverkas är denna design värdelös. bli värdelös.
En annan viktig faktor är kostnaden för delen. Om den lätta delen är dåligt utformad med topologioptimering, kommer det att finnas extra kostnader för att ta bort överdrivna stödstrukturer och lägga till ytbehandlingar. Å andra sidan kan utskrift av punktmatrisgitter och TPMS-strukturer öka 3D-utskriftstiden, vilket leder till högre tillverkningskostnader för delen.
Tillverkare har använt additiv tillverkning i två decennier, men det är först under de senaste åren som 3D-utskrift har sett framsteg inom lättviktsdelar och etablerat nya mjukvarustrategier för lättvikt.
Topologioptimering och generativ design
En av de ofta utforskade mjukvarustrategierna när det gäller lättvikt är topologioptimering: Topologioptimeringsförmågan, baserad på finita elementmetoden (FEM) för att optimera materialtilldelningen för en del för styvhet eller hållfasthetsmål, möjliggör lättviktsdesign. Denna designstrategi optimerar materiallayouten inom ett givet designutrymme för en given uppsättning belastningar, randvillkor och begränsningar.
På marknaden förväxlas vanligtvis Topology Optimization (Topology Optimization) och Generative Design (Generative Design) i många fall, men efter noggranna studier baseras Generative Design (Generative Design) på några initiala parametrar genom iteration och justering. Hitta en (optimerad) modell. Topologioptimering (Topologioptimering) är att analysera en given modell. Det är vanligt att utföra finita elementanalys baserat på randvillkor, och sedan deformera eller ta bort modellen för att optimera den.
Generativ design är en process av interaktion mellan människa och dator och självinnovation. Enligt inmatarens designavsikt, genom det "generativa" systemet, genereras den geometriska modellen av den potentiellt genomförbara designplanen, och jämförs sedan heltäckande, och den valda designplanen skickas till designern för det slutliga beslutet.
Generativ design är allmänt sett en designmetod som automatiskt genererar konstverk, arkitektoniska modeller och produktmodeller genom algoritmer i designprogramvara. Generativ design är en parametrisk modelleringsmetod. Under designprocessen, efter att designern matat in produktparametrar, kommer algoritmen automatiskt att justera och bedöma tills den optimala designen erhålls.
Gitter eller TPMS-fylld struktur
På grund av tillkomsten av additiv tillverkningsteknik har periodiska cellulära strukturer, särskilt trippelperiodiska minimala ytor (TPMS), väckt omfattande forskningsintresse. En TPMS är i huvudsak den minsta ytan där medelkurvaturen för alla punkter är noll. TPMS-strukturen kan modelleras matematiskt och kan modelleras upprepade gånger i tre riktningar. Detta mönster tillåter TPMS-celler att växa i tre ömsesidigt vinkelräta riktningar, vilket bildar en 3D-array av TPMS-celler.
TPMS är en trippel periodisk minimal yta (TPMS). För strukturella applikationer uppvisar TPMS-designen ett högt förhållande mellan styrka och vikt. Används i kombination med additiv tillverkningsteknik, gör det möjligt för designers att skapa multifunktionella strukturer med hög hållfasthet och värmeavledningsegenskaper.
Att fylla strukturer med gittergitter eller TPMS är intressanta tillvägagångssätt att utforska i detta avseende, till exempel har den additiva tillverkningsmjukvaran Cognitive Design skapat en stor databas med sådana metamaterial och deras mekaniska egenskaper. Infill Optimizer, en del av Cognitive Additive, placerar sådana strukturer intelligent baserat på stressbanor, vilket minskar den totala vikten utan att kompromissa med mekanisk prestanda.
Strukturell integration
Strukturell integration är en strategi som kräver gedigen expertis och förmågan att integrera flera delar till en. Om den är korrekt designad kan delen ge förbättrad funktionalitet. Till exempel utvecklade Airbus och 3D Systems för några år sedan det första luftvärdiga 3D-tryckta radiofrekvensfiltret i metall, testade och validerade för användning i kommersiella telekommunikationssatelliter.
Traditionellt utformas RF-filter med hjälp av standardkomponenter, såsom rektangulära kaviteter och vågledartvärsnitt med vertikala böjar, vars form och anslutningar bestäms av standardprocesser som fräsning och EDM.
Vanligtvis är hålrummet för ett RF-filter bearbetat i två delar som är bultade ihop, vilket inte bara lägger till vikt utan också lägger till ett monteringssteg och en extra kvalitetskontrollprocess. Med hjälp av programvaran CST MWS, ett 3D-elektromagnetiskt simuleringsverktyg, utvecklade 3D Systems-teamet en försänkt elliptisk kavitet för att styra RF-strömmen, en design som minskade produktionskostnaderna och minskade vikten med 50 procent.
En ny mjukvarulösning baserad på artificiell intelligens gör det möjligt för designingenjörer att "programmera" algoritmer, och på så sätt utvecklas och utvecklas deras design till produkter med komplexa former som enkelt kan tillverkas genom additiv tillverkning.
Denna trend kommer att fortsätta, utan tvekan på obestämd tid, eftersom mjukvarulösningar fortsätter att utvecklas. Precis som observationen och analysen av "The Future of Artificial Intelligence and Design - 2017 Design and Artificial Intelligence Report" av Fan Ling från Tongji x Tezan Design and Artificial Intelligence Laboratory: Trenden med extrem segmentering på efterfrågesidan måste matchas av artificiell intelligens på utbudssidan; Trenden med online/anslutning/interaktion har gradvis utvecklats från onlineinformation, onlinerelationer och onlinesaker till olika färdigheter online, och kommer så småningom att vara online för hjärta och hjärna – artificiell intelligens/AI; åtföljd av oersättliga individer med supersegmenterade färdigheter kommer att fortsätta att växa fram, och medelmåttighetens era kommer att ta slut; den framtida organisationen kommer att vara en ny organisation av människa/dator interaktion, och de kommer flexibelt att tilldela uppgifter till externa talanger, interna talanger eller maskiner för att utföra automatiskt. Mekanismen integrerar hela designarbetsflödet för att uppnå den optimala vägen för att slutföra uppgiften.