Ridurre le dimensioni delle parti, ridurre il numero di parti e ridurre il peso delle parti è la ricerca incessante dell'aerospaziale, della produzione automobilistica e di altri campi. Ad esempio, ogni grammo di riduzione del peso dell'aeromobile equivale a una notevole riduzione del consumo di carburante durante il servizio. Come altro esempio, riducendo le dimensioni dei componenti del satellite, è possibile fornire più spazio per aumentare la potenza della batteria, aumentando così il tempo in cui il satellite può rimanere nello spazio.
Va notato che per leggerezza si intende generalmente la rimozione di materiale da un componente o da una parte per ridurne il peso. Questo è ciò che sta accadendo, ed è per questo che spesso si pone l'accento sulla "riduzione del materiale" o sulla sostituzione di alcuni materiali con altri materiali leggeri.
Scegliendo un materiale con una resistenza specifica più elevata, è possibile ridurre il peso complessivo della parte. Ad esempio, se confrontiamo l'acciaio inossidabile, la lega di alluminio e la lega di titanio, la lega di titanio ha una resistenza specifica più elevata e può utilizzare meno materiale per ottenere lo stesso livello di prestazioni.
Questa attenzione ai materiali, quindi, influenza la progettazione delle parti che riflette il modo in cui le modifiche fondamentali alla progettazione possono aiutare a ridurre al minimo il consumo di materiale e, in ultima analisi, a ridurre i tempi di costruzione.
Poiché il peso leggero di qualsiasi struttura influirà direttamente sulle proprietà meccaniche delle parti, la producibilità è uno dei fattori più importanti che influenzano il peso leggero. Puoi avere il design teorico più leggero e con le prestazioni più elevate, ma se non può essere prodotto, questo design è inutile. diventare inutile.
Un altro fattore importante è il costo della parte. Se la parte leggera è progettata in modo inadeguato utilizzando l'ottimizzazione della topologia, ci saranno costi aggiuntivi per la rimozione di strutture di supporto eccessive e l'aggiunta di trattamenti superficiali. D'altra parte, la stampa di reticoli a matrice di punti e strutture TPMS può aumentare il tempo di stampa 3D, portando a costi di produzione più elevati della parte.
I produttori utilizzano la produzione additiva da due decenni, ma è solo negli ultimi anni che la stampa 3D ha visto progressi nelle parti leggere e ha stabilito nuove strategie software per il peso leggero.
Ottimizzazione della topologia e progettazione generativa
Una delle strategie software frequentemente esplorate in termini di leggerezza è l'ottimizzazione della topologia: la capacità di ottimizzazione della topologia, basata sul metodo degli elementi finiti (FEM) per ottimizzare l'assegnazione del materiale di una parte per obiettivi di rigidità o resistenza, consente la progettazione della parte leggera. Questa strategia di progettazione ottimizza il layout del materiale all'interno di un dato spazio di progettazione per un dato insieme di carichi, condizioni al contorno e vincoli.
Nel mercato, l'ottimizzazione della topologia (Topology Optimization) e la progettazione generativa (Generative Design) vengono solitamente confuse in molti casi, ma dopo un attento studio, la progettazione generativa (Generative Design) si basa su alcuni parametri iniziali attraverso l'iterazione e la regolazione. Trova un modello (ottimizzato). L'ottimizzazione della topologia (ottimizzazione della topologia) consiste nell'analizzare un determinato modello. È comune condurre analisi agli elementi finiti in base alle condizioni al contorno e quindi deformare o eliminare il modello per ottimizzarlo.
Il design generativo è un processo di interazione uomo-computer e autoinnovazione. Secondo l'intento progettuale dell'input, attraverso il sistema "generativo", viene generato il modello geometrico del piano progettuale potenzialmente fattibile, quindi confrontato in modo completo, e il piano progettuale selezionato viene inviato al progettista per la decisione finale.
Comunemente inteso, il design generativo è un metodo di progettazione che genera automaticamente opere d'arte, modelli architettonici e modelli di prodotto attraverso algoritmi nel software di progettazione. Il design generativo è un metodo di modellazione parametrica. Durante il processo di progettazione, dopo che il progettista ha immesso i parametri del prodotto, l'algoritmo si regolerà automaticamente e giudicherà fino a ottenere il design ottimale.
Struttura reticolare o riempita con TPMS
A causa dell'avvento delle tecniche di produzione additiva, le strutture cellulari periodiche, in particolare le superfici minime periodiche triple (TPMS), hanno attirato un ampio interesse di ricerca. Un TPMS è essenzialmente la superficie più piccola in cui la curvatura media di tutti i punti è zero. La struttura TPMS può essere modellata matematicamente e può essere modellata ripetutamente in tre direzioni. Questo modello consente alle cellule TPMS di crescere in tre direzioni reciprocamente perpendicolari, formando una matrice 3D di cellule TPMS.
TPMS è una superficie minima periodica tripla (TPMS). Per le applicazioni strutturali, il design del TPMS presenta un elevato rapporto resistenza/peso. Utilizzato insieme alle tecniche di produzione additiva, consente ai progettisti di creare strutture multifunzionali con elevate proprietà di resistenza e dissipazione del calore.
Le strutture di riempimento con reticoli reticolari o TPMS sono approcci interessanti da esplorare a questo proposito, ad esempio, il software di produzione additiva Cognitive Design ha creato un ampio database di tali metamateriali e delle loro proprietà meccaniche. Infill Optimizer, parte di Cognitive Additive, posiziona in modo intelligente tali strutture in base a percorsi di sollecitazione, riducendo il peso complessivo senza compromettere le prestazioni meccaniche.
Integrazione strutturale
L'integrazione strutturale è una strategia che richiede solide competenze e la capacità di integrare più parti in una sola. Se progettata correttamente, la parte può fornire funzionalità migliorate. Ad esempio, alcuni anni fa, Airbus e 3D Systems hanno sviluppato il primo filtro a radiofrequenza (RF) stampato in 3D in metallo idoneo al volo, testato e convalidato per l'uso nei satelliti per telecomunicazioni commerciali.
Tradizionalmente, i filtri RF sono progettati utilizzando componenti standard, come cavità rettangolari e sezioni trasversali di guida d'onda con curve verticali, la cui forma e connessioni sono determinate da processi standard come fresatura ed EDM.
In genere, la cavità per un filtro RF è lavorata in due parti imbullonate insieme, il che non solo aggiunge peso, ma aggiunge anche una fase di assemblaggio e un processo di ispezione di qualità extra. Utilizzando il software CST MWS, uno strumento di simulazione elettromagnetica 3D, il team di 3D Systems ha sviluppato una cavità ellittica incassata per guidare la corrente RF, un progetto che ha ridotto i costi di produzione e il peso del 50%.
Una nuova soluzione software basata sull'intelligenza artificiale consente ai progettisti di "programmare" algoritmi e, in questo modo, i loro progetti si evolvono e si sviluppano in prodotti di forme complesse che possono essere facilmente fabbricati attraverso la produzione additiva.
Questa tendenza continuerà, probabilmente all'infinito, man mano che le soluzioni software continuano ad evolversi. Proprio come l'osservazione e l'analisi di "The Future of Artificial Intelligence and Design - 2017 Design and Artificial Intelligence Report" di Fan Ling di Tongji x Tezan Design and Artificial Intelligence Laboratory: la tendenza all'estrema segmentazione dal lato della domanda deve essere accompagnato dall'intelligenza artificiale sul lato dell'offerta; La tendenza di online/connessione/interazione si è gradualmente sviluppata da informazioni online, relazioni online e cose online a varie abilità online, e alla fine sarà online di cuore e cervello: intelligenza artificiale/IA; accompagnati da insostituibili Individui con competenze super segmentate continueranno ad emergere e finirà l'era della mediocrità; l'organizzazione futura sarà una nuova organizzazione di interazione uomo/computer e assegnerà in modo flessibile compiti a talenti esterni, talenti interni o macchine da completare automaticamente. Il meccanismo integra l'intero flusso di lavoro di progettazione per raggiungere il percorso ottimale di completamento delle attività.