在天作之合

可以利用增材制造和生成设计工具作为动态组合,以创建和制造完全针对重量和成本进行优化的零件。

可以利用增材制造和生成设计工具作为动态组合,以创建和制造完全针对重量和成本进行优化的零件。

金属3D打印开瓶器的设计演示了管状结构优化算法如何减少质量。在这种情况下,管状结构是空心的,与实体模型相比,质量减少了64%。图片由3D Systems提供。


那里’标志性配对的悠久历史。弗雷德·阿斯特(Fred Astaire)和姜·罗杰斯(Ginger Rogers)仍然在舞蹈界占主导地位,而花生酱和果冻仍然是各年龄段人群最喜欢的三明治搭配。在数字世界中,越来越多的相对较新的生成设计技术被视为增材制造(AM)的补充,其结果是产生了改变游戏规则的产品的新工作流程。

包括拓扑优化和其他基于人工智能的建模技术在内的生成设计工具在最近几年迅速出现,因为更便宜和更易获得的计算能力被新的算法驱动设计方法所取代。 

这些设计工具通过基于指定的参数和约束自动实现数百种可能性的构思,从而提供了全新的设计自由度。该方法可帮助工程团队将零件和产品归零,这些零件和产品经过完全优化,可以满足重量,成本或热动力目标,而使用传统的CAD工具和人脑则根本无法实现。 

正如主流CAD工具无法完全解决这些新颖的设计挑战一样,由于固有的局限性,传统的制造方法(例如计算机数控(CNC)铣削和注塑成型)并未切出来生产许多此类新设计的零件。技术。然而,在完全集成的工作流程中将生成性设计工具与AM流程相结合后,工程团队可以通过利用组合技术的强大功能而实现指数级收益。

“If you’要充分利用AM可以提供的高级设计自由,您需要一个可以利用它们的设计工具,”技术高级副总裁Jesse Blankenship表示, PTC. “生成设计非常适合AM范例。它’不受人类惯用的典型绘图工具(例如标尺和指南针)的限制。”

二胜于一

与传统的CAD工具会生成详细的实体3D几何图形不同,生成设计工具采用算法来创建多面,非正统的形状,这些形状通常会从自然界中汲取灵感。通过使用算法和仿真技术创建的这些设计被证明对帮助工程团队实现关键的设计目标(如轻量化,零件合并和大规模定制的灵活基础开发)非常有用。

鉴于其独特的特性,使用传统的生产方法可能难以批量生产许多这些经过设计生成的零件。但是AM技术不是’t受相同约束的限制。 

实际上,AM技术’对高级材料的支持以及在体素水平上控制材料放置的能力,使该类型特别适合于生成定义新一代算法构建设计的有机形状和复杂的晶格结构。

“为特定制造过程设计零件的工程师必须遵守某些设计规则’我们已经学到了很多年,并且已经很好地理解了,”PTC高级开发技术部门副总裁Brian Thompson解释说。“但事实是,他们做了很多工作’要做的是将设计放在一起以实现特定功能,同时适应制造过程的规则。 AM提供更多自由—它使您能够几乎只考虑设计的功能以及您要实现的目标。”

Patrick Dunne,高级应用程序开发副总裁 3D系统进一步,将这两种技术之间的关系描述为共生的。耦合使工程师能够获得更好的最终产品性能,无论’诸如支架之类的承重结构的结构完整性,或者为燃油喷射系统提供更好的流体流动动力学。 

“最终归结为使一块金属保持其支撑结构的目标‘x’减轻了百分之三,为客机节省了燃料,为一级方程式赛车提供了更快的加速,或者减少了机器人的磨损,” Dunne explains. “归根结底,这些算法可能会导致性能发生重大的阶跃变化,最终归结为性能更好的产品。” 

Sierra Turbines转向增材制造和生成设计技术重新构想其Aurelius Mk1微型涡轮机后获得了这些结果。公司’主要目标包括增加推力重量比和降低单位成本。 

与nTopology的nTop生成设计平台一起使用 VELO3D’作为蓝宝石金属3D打印机,设计团队能够将61个零件合并为一个零件,减少了零件之间的连接数量,从而最大程度地减少了密封件和紧固件的数量,并延长了使用寿命以及可能降低发动机性能的缺陷。 

布拉德·罗滕贝格(Brad Rothenberg)认为,使用传统的设计和制造工艺,塞拉涡轮机永远不可能达到这样的性能优势。 n拓扑’s CEO. “When you’重新实施先进的制造,您不会’不能从采用适合传统制造工艺的设计中获得价值,而只是尝试3D打印它,” he explains. 

As opposed to 黑盒子 generative design tools, the nTop platform 恩ables complete control over every aspect of optimization and output to 3D printers. 图片由nTopology提供。

相反,组织需要更新设计或从头开始,以实现3D打印可能带来的性能优势,他说。 

对于Sierra Turbine而言,nTop软件通过解决端到端工程问题以开发优化设计方案的能力,而不是专注于单个参数,从而致力于将61个零件的数量减少到单个零件中例如强度特征。 

“通过生成过程,您’能够捕获并控制成千上万种不同的要求,例如材料属性,以探索更大的设计空间并获得更好的零件,” he explains. “工程师需要考虑他们的特定要求,他们试图获得的输出以及如何使这一部分达到特定目标。”

将创造力设计触手可及

像nTopology和 太妃糖 将其平台定位为专门为增材制造流程设计的生成设计工具。 nTop平台声称具有高度可定制性,并且可以适应工程工作流程,而与“black box”新兴软件类别中大多数其他人采用的范例。 

借助nTop平台,工程师可以在功能上完全可自定义的模块中捕获自定义逻辑和独特的设计要求。其他功能包括“unbreakable”用于设计复杂晶格结构,多目标优化,拓扑优化和可重用设计工作流程的建模功能。

太妃糖’的生成设计软件可以同时优化流体,热量和结构相互作用组件的设计。 Image courtesy of 太妃糖.

太妃糖是一个自动化设计平台,可通过同时优化(包括针对流体,热量和结构的优化)以及指定的设计空间和性能目标来工作,以创建一流的设计选择。使用TOffeeAM’的生成设计方法,组织可以弥合什么之间的差距’TOffeeAM首席执行官兼联合创始人Francesco Montomoli表示,AM有可能实现,而且由于许多公司的学习曲线相对较高以及缺乏AM专业知识,这很有可能。

“今天,您拥有设计任何疯狂几何图形的计算能力,但是您必须能够输出该疯狂几何图形,” he says. “传统的设计软件在没有人工干预的情况下根本无法运行,而人类可以’可能会提出所有可能的解决方案。如果它’只是反复试验,您只是逐步迭代而已’没有充分利用AM的功能。”

主流CAD供应商还介入他们自己的旨在利用AM的生成设计解决方案’潜力但是,他们的方法是将功能融合到现有平台中以简化学习过程。欧特克’其生成的设计功能已被整合到Fusion 360平台中,可以利用该技术为AM以及传统的CNC加工,铸造和注塑工艺创建优化的设计。

西门子数字工业软件 已将生成设计和拓扑优化功能集成到其NX平台中,以使其更易于访问,同时添加了旨在帮助团队优化AM输出的一系列功能。 NX’的融合建模技术可提供统一的3D建模,使工程师可以轻松地在构面和B-rep数据之间进行协作和工作,从而创建更加集成的设计工作流程,从而减轻了重量,’牺牲设计意图或完整性。 

另外,公司’s的Simcenter 3D AM过程仿真套件和集成到NX中的AM Path Optimizer可帮助客户解决与AM生产相关的挑战,包括减少由于过热引起的系统故障或分析材料性能以避免变形。

It’PTC的情况与此类似,收购的Frustum技术现在是Creo 生成设计。从可视化和计算支撑结构到打印托盘上零件的正确组织,Creo还包括促进AM输出的各种功能。 

Creo 生成设计利用熟悉的Creo设计环境中的云功能来创建优化的设计。 图片由PTC提供。

“我们不要求用户学习新的环境,” says PTC’s Thompson. “用户希望直接从习惯于使用的相同界面访问生成设计—it’是难题的关键。”

为新思维做准备

尽管生成设计工具和增材制造技术有潜力推进产品设计,但它需要全新的思维方式才能充分利用组合平台的优势。为了确保将技术配对以获得最有效的结果,组织需要阻止孤岛,在这些孤岛中,不同的团队依赖于不同的软件,创建大量手动工作来共享文件,并减慢迭代和创造性的设计过程。 

鉴于这两种技术的相对最新性,特别是在零件生产方面,组织还需要使人们对算法驱动的设计结果感到满意—这项壮举需要取得小的胜利,并在整个团队中广泛传播和促进。

尽管如此,并非每个生成设计的组件都应使用增材制造技术生产,并且由于几何形状的过度优化而存在陷阱—特别是,接近灾难性故障模式的可能性。“关于如何以及在何处仍存在很多争论’应用高度优化的几何图形很聪明,” says 3D系统’ Dunne. “在某些情况下’除非算法变得更好并且能够预测异常事件或环境暴露,否则没有任何意义。”

最重要的是提升工程师’不仅能够理解其需求和设计目标,而且能够将这些设计目标传达给系统,从而使优化和输出作为真实有效的产品是可行的。 

“It’s a mindset change—采用传统设计,您’重新设计出可以满足您各种需求的零件,”总裁凯文·卡尔(Kevin Carr)说 MasterGraphics,是AM增值经销商和系统集成商。“通过生成设计,您’重新设计问题,让云和工具提出解决方案,然后选择最合适的解决方案。”

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贝丝·斯塔克波尔

贝丝·斯塔克波尔(Beth Stackpole)是《 数字工程。发送有关此文章的电子邮件至 [电子邮件 protected].

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