„Topology optimization” – ten termin towarzyszy w tym roku praktycznie każdej premierze najnowszych wersji oprogramowania CAD/CAM/CAE. Tymczasem optymalizacja topologii nie jest niczym nowym, chociaż istotnie trzeba przyznać, że szturmem wdziera się do portfolio rozwiązań nowoczesnych systemów CAD
Autor: Maciej Stanisławski
– Bóg jest jednym z najbardziej innowacyjnych i kreatywnych „projektantów” – stwierdził Robert L. Haubrock (starszy wiceprezes Product Engineering Software w firmie Siemens PLM Software) podczas swojej prezentacji poświęconej nowościom NX12 (mającej miejsce na tegorocznej PLM Europe 2017 – Siemens PLM Connection #PLME). – Dlaczego więc nie mamy starać się go naśladować, zbliżyć naszych projektów bardziej do natury?
Chwilę wcześniej Bob dokonał wprowadzenia do zagadnienia Convergent Modeling (modelowania konwergentnego), którego elementem jest m.in. tytułowa optymalizacja topologii. Co kryje się pod tym pojęciem i co ma z tym wspólnego Bóg?
TO
Optymalizacja topologii (ang. Topology Optimization, w skrócie TO)* jest rodzajem metody matematycznej, za pomocą której można optymalizować rozkład materiału w danej przestrzeni projektowej, dla określonego zestawu obciążeń, warunków brzegowych, zachowanych węzłów (i innych ograniczeń), w celu maksymalizacji wydajności projektu (np. zmniejszenia ciężaru przy zwiększonej wytrzymałości w stosunku do modelu wyjściowego). Innymi słowy, TO zapewnia zwiększenie trwałości i bezpieczeństwa konstrukcji przy jednoczesnej redukcji jego masy i kosztów. Zastosowanie nowoczesnych technik optymalizacji bazujących na rozwiązaniach MES pozwala również na znaczące zredukowanie czasu projektowania i testów produktu a tym samym jego szybsze wprowadzenie na rynek.
TO różni się od optymalizacji kształtu i optymalizacji rozmiaru w tym sensie, że projekt może osiągnąć dowolny kształt wewnątrz zadanej przestrzeni projektowej.
Konwencjonalna formuła TO wykorzystuje wspomnianą metodę elementów skończonych (MES, ang. FEM – Finite Element Method) w celu oceny skuteczności projektu, a uzyskany model jest zoptymalizowany przy użyciu technik programowania matematycznego – i najczęściej otrzymuje kształt zbliżony do naturalnych form; w pewnym sensie – naśladuje naturę. I oznacza bardzo często trudności w fizycznym odtworzeniu zoptymalizowanego modelu.
Jak do tej pory najczęściej radzono sobie w dwojaki sposób: albo używano TO na poziomie koncepcji procesu projektowania – i na podstawie uzyskanego modelu od podstaw tworzono model o zbliżonym kształcie – albo ograniczano formułę matematyczną w oprogramowaniu służącym do optymalizacji topologii, aby uzyskać modele nie stanowiące zbyt dużego wyzwania dla technologów.
Wygląda na to, że jesteśmy świadkami pewnej zmiany w tym zakresie – po części wynikającej z dostępnych współcześnie nowych technologii wytwarzania, o czym za chwilę. Wróćmy do naśladowania Stwórcy, Matki Natury, jak kto woli.
Nie do uzyskania tradycyjnymi metodami…
…projektowymi. Tego, co uzyskujemy w wyniku użycia optymalizacji topologii – obojętne, czy korzystając z systemu Abaqus, CAESS ProTOp, SOLIDWORKS 2018, NX12, czy Z88 – nie da się zaprojektować, wychodząc od szkiców, operacji Boole’a etc. Teoretycznie bylibyśmy w stanie narysować to… na podobieństwo „bazgrołów”, odręcznych szkiców. Ale z „optymalizacją” nie miałoby to wiele wspólnego, zresztą – z naturą także.
Na poniższych filmach można zobaczyć praktyczne zastosowanie „TO” na przykładzie SOLIDWORKS 2018 i NX 12…
Uzyskane modele są łudząco podobne do np. roślin, czy organów wewnętrznych istot żywych. A w przypadku użycia np. ażurów/siatek (ang. lattice) i lekkich mikrostruktur (ang. lightweight microstructures) – zdają się wręcz naśladować np. strukturę kostną. Te ostatnie zresztą dedykowane są do zastosowania w projektach przewidzianych do wytworzenia w technologiach addytywnych.
Im więcej zaawansowanych operacji matematycznych, im większe możliwości po stronie technologii – tym uzyskane efekty bardziej upodabniają się do naturalnych form. I wynalezienie koła niech będzie tutaj wyjątkiem potwierdzającym regułę; chociaż formy koliste także występują w naturze – a „naturalne” koła zębate odkryto w budowie niektórych owadów. Istniały zatem na długo zanim pojawił się człowiek (video poniżej).
TO & MA
Wspomniałem o technologiach addytywnych. Additive Manufacturing (ang. MA – wytwarzanie przyrostowe) wywodzi się w prostej linii z Rapid Prototyping (szybkiego prototypowania); różnica polega jednak na użyciu takich materiałów (i technik druku 3D), które potrafią zagwarantować właściwości uzyskanych materiałów na porównywalnym (lub coraz częściej lepszym) poziomie, niż w przypadku tradycyjnych metod (odlewania, obróbki skrawaniem etc.).
– Wielu ludzi przychodzi, patrzy i stwierdza, że to nie może działać. To jest wydrukowane. A tymczasem to działa i to bardzo dobrze – mówił Helmut Zeyn (Siemens PLM Software), również podczas PLM Europe, ale w trakcie swojej prezentacji dotyczącej NX CAM Additive Manufacturing. – To jest czas, kiedy musimy zacząć zmieniać nasz sposób myślenia o technologiach przyrostowych. To coś więcej, niż tylko wytwarzanie…
Czyżbyśmy zbliżali się już nie tyle do projektowania i produkcji, co do… kreacji w pełnym tego słowa znaczeniu?
(ms)
*próba definicji na podstawie: https://en.wikipedia.org/wiki/Topology_optimization
Źródła:
• DS SOLIDWORKS, SOLIDWORKS World 2017
• Siemens PLM Software, PLM Europe 2017 – Siemens PLM Connection
• CAMdivision
• http://caess.eu
• https://en.z88.de/outlook-on-z88arion-v2/
Bądź pierwszy, który skomentuje ten wpis