拓扑优化和轻量化技术
为什么骨头内部的构造是这样的?为什么每棵树的生长方式不同,为什么每棵树的树干都不同?几十亿年来,在发展资源效率和最大功能的生存概念方面,大自然已经成为真正的大师。骨组织的内部海绵状或片状结构大大加强了外部结构的硬度并稳定了骨。反过来,树木的生长是流动优化的,即:适应作用在树干上的力量。
在仿生学和轻质结构的科学领域,技术正试图将越来越多的这些自然现象转移到技术部件和应用中。拓扑优化在轻质建筑技术中发挥着重要作用。这指的是在功能、重量或性能和效率方面对一个部件进行优化。由于这种设计概念往往反映在非常复杂的结构和几何形状中,迄今为止,还缺乏尽可能简单和经济地生产这种部件几何形状的可能性。现在增材制造有望弥补这一缺陷。
拓扑优化是什么意思?
部件的拓扑优化是一个软件支持的程序,其中对作用在部件上的载荷和有效力进行分析。在进行算法分析之前,工程师要定义一个组件所要检查的方面和任务。例如:机械负载力、热应力或共振、部件的振动能力。基于这些数据,该软件生成特定设计的部件几何形状,以适应相应的负载。在以这种方式设计的部件中,只有在绝对必要的地方才会添加材料,以便它能以最佳方式完成任务,并达到最佳效果和效率。
这种拓扑优化的几何形状往往具有特别复杂的结构特征。这意味着它们只能使用传统的制造方法,如铣削或车削–如果有的话–以巨大的努力来生产。出于这个原因,拓扑优化和增材制造或3D打印是一个完美的组合。这是因为3D打印工作没有几何限制,因此是少数非常适合生产拓扑优化部件的技术之一。
拓扑优化在轻质结构和仿生学方面有什么优势?
仿生学指的是一个跨学科的科学领域,主要涉及将自然界中发生的建设性现象转移到人造技术中。这并不总是要涉及承重路径或有效电流。仿生学的典型例子是莲花效应或尼龙搭扣。莲花的结构和表面特性确保了它具有高度的液体排斥性。这种效果在工业上得到了应用,例如,在外墙设计或船体上。魔术贴,顾名思义,源于牛蒡的原理,如今不仅在鞋上,而且在日常生活中随处可见。
如果仿生学和建筑的目的是在材料消耗和功能方面优化一个部件的设计,这被称为轻质结构。这种仿生学或轻型建筑项目的结果往往让人联想到仿生结构,其产生的结构和设计,即类似于自然现象的施工图。
voxeljet是如何实现拓扑结构优化的?
当涉及到拓扑结构的优化时,我们依靠我们高产的粘结剂喷射技术,我们用砂子或塑料来生产砂型和熔模铸造的模具和模型。在这个过程中,我们将细沙和塑料逐层粘合,以产生所需的几何形状,作为阴模或阳模。然后,打印出来的模具可以被整合到铸造厂现有的铸造工艺中。
沙子3D打印的优势在于它还可以用来生产尺寸达4 x 2 x 1米的部件。当需要高度精细和精确的结构时,塑料3D打印特别适合。
哪些行业从拓扑优化中受益?
特别是在可持续发展和减少二氧化碳排放的话题上,仿生学在建筑领域发挥着重要作用。每一个需要燃料的行业,只要通过减轻重量来节省材料,也会减少燃料消耗,从而减少排放。出于这个原因,汽车和航空航天业特别关注轻质结构、仿生学和拓扑结构优化。除了节省材料外,这些行业还受益于功能优化,如提高部件的稳定性和强度,例如,更好地保护车内人员或延长车辆和飞机的使用寿命。
同时,拓扑优化的应用可能性在汽车和航空航天工业之外也在增加。例如,鞋底的拓扑结构也可以被优化,以便生产出适应个人负载情况的鞋底。随着增材制造系统生产力的不断提高和此类生产线自动化可能性的增加,未来也有可能以批量方式制造高度个性化和拓扑优化的产品。