Reduzir o tamanho das peças, reduzir o número de peças e reduzir o peso das peças é a busca incansável da indústria aeroespacial, da fabricação de automóveis e de outros campos. Por exemplo, cada grama de redução de peso da aeronave equivale a reduzir muito o consumo de combustível durante o serviço. Como outro exemplo, reduzindo o tamanho dos componentes do satélite, pode-se fornecer mais espaço para aumentar a carga da bateria, aumentando assim o tempo que o satélite pode permanecer no espaço.
Deve-se notar que peso leve é geralmente entendido como a remoção de material de um componente ou peça para reduzir seu peso. Isso é o que está acontecendo e é por isso que muitas vezes há ênfase na "redução de material" ou na substituição de alguns materiais por outros materiais leves.
Ao escolher um material com maior resistência específica, o peso total da peça pode ser reduzido. Por exemplo, se compararmos aço inoxidável, liga de alumínio e liga de titânio, a liga de titânio tem maior resistência específica e pode usar menos material para atingir o mesmo nível de desempenho.
Esse foco nos materiais, portanto, influencia o projeto da peça que reflete como as mudanças fundamentais no projeto podem ajudar a minimizar o consumo de material e, por fim, reduzir o tempo de construção.
Como o peso leve de qualquer estrutura afetará diretamente as propriedades mecânicas das peças, a capacidade de fabricação é um dos fatores mais importantes que afetam o peso leve. Você pode ter o design teórico mais leve e de maior desempenho, mas se não puder ser fabricado, esse design é inútil. tornar-se inútil.
Outro fator importante é o custo da peça. Se a peça leve for mal projetada usando otimização de topologia, haverá custos adicionais na remoção de estruturas de suporte excessivas e na adição de tratamentos de superfície. Por outro lado, imprimir redes matriciais e estruturas TPMS pode aumentar o tempo de impressão 3D, levando a custos de fabricação mais altos da peça.
Os fabricantes utilizam a manufatura aditiva há duas décadas, mas foi apenas nos últimos anos que a impressão 3D viu avanços em peças leves e estabeleceu novas estratégias de software para peças leves.
Otimização de topologia e design generativo
Uma das estratégias de software frequentemente exploradas em termos de peso leve é a otimização de topologia: o recurso de otimização de topologia, baseado no método de elementos finitos (FEM) para otimizar a atribuição de material de uma peça para objetivos de rigidez ou resistência, permite o projeto de peças leves. Essa estratégia de projeto otimiza o layout do material dentro de um determinado espaço de projeto para um determinado conjunto de cargas, condições de contorno e restrições.
No mercado, Topology Optimization (Otimização de Topologia) e Generative Design (Generative Design) costumam ser confundidos em muitos casos, mas após um estudo cuidadoso, o Generative Design (Generative Design) é baseado em alguns parâmetros iniciais por meio de iteração e ajuste. Encontre um modelo (otimizado). Topology Optimization (Otimização de Topologia) é analisar um determinado modelo. É comum realizar análises de elementos finitos com base nas condições de contorno e, em seguida, deformar ou excluir o modelo para otimizá-lo.
O design generativo é um processo de interação humano-computador e auto-inovação. De acordo com a intenção do projeto do inputter, por meio do sistema "generativo", o modelo geométrico do plano de projeto potencialmente viável é gerado e, em seguida, comparado de forma abrangente, e o plano de projeto selecionado é enviado ao projetista para a decisão final.
Comumente entendido, o design generativo é um método de design que gera automaticamente obras de arte, modelos arquitetônicos e modelos de produtos por meio de algoritmos em software de design. O design generativo é um método de modelagem paramétrica. Durante o processo de design, após o designer inserir os parâmetros do produto, o algoritmo ajustará e julgará automaticamente até que o design ideal seja obtido.
Estrutura em treliça ou preenchida com TPMS
Devido ao advento das técnicas de manufatura aditiva, as estruturas celulares periódicas, especialmente as superfícies mínimas periódicas triplas (TPMS), têm atraído grande interesse de pesquisa. Um TPMS é essencialmente a menor superfície onde a curvatura média de todos os pontos é zero. A estrutura do TPMS pode ser modelada matematicamente e pode ser modelada repetidamente em três direções. Esse padrão permite que as células TPMS cresçam em três direções mutuamente perpendiculares, formando uma matriz 3D de células TPMS.
O TPMS é uma superfície mínima periódica tripla (TPMS). Para aplicações estruturais, o design do TPMS exibe uma alta relação resistência-peso. Usado em conjunto com técnicas de manufatura aditiva, permite que os projetistas criem estruturas multifuncionais com alta resistência e propriedades de dissipação de calor.
Preencher estruturas com treliças ou TPMS são abordagens interessantes para explorar a esse respeito, por exemplo, o software de fabricação aditiva Cognitive Design criou um grande banco de dados de tais metamateriais e suas propriedades mecânicas. O Infill Optimizer, parte do Cognitive Additive, coloca essas estruturas de forma inteligente com base em caminhos de tensão, reduzindo o peso total sem comprometer o desempenho mecânico.
Integração Estrutural
A integração estrutural é uma estratégia que requer conhecimentos sólidos e a capacidade de integrar várias partes em uma só. Se projetada adequadamente, a peça pode fornecer funcionalidade aprimorada. Por exemplo, há alguns anos, a Airbus e a 3D Systems desenvolveram o primeiro filtro de radiofrequência (RF) impresso em 3D de metal, testado e validado para uso em satélites de telecomunicações comerciais.
Tradicionalmente, os filtros de RF são projetados usando componentes padrão, como cavidades retangulares e seções transversais de guias de onda com dobras verticais, cuja forma e conexões são determinadas por processos padrão, como fresamento e eletroerosão.
Normalmente, a cavidade de um filtro de RF é usinada em duas partes aparafusadas, o que não apenas aumenta o peso, mas também adiciona uma etapa de montagem e um processo de inspeção de qualidade extra. Usando o software CST MWS, uma ferramenta de simulação eletromagnética 3D, a equipe da 3D Systems desenvolveu uma cavidade elíptica rebaixada para guiar a corrente de RF, um projeto que reduziu os custos de produção e o peso em 50%.
Uma nova solução de software baseada em inteligência artificial permite que os engenheiros de projeto "programem" algoritmos e, dessa forma, seus projetos evoluem e se desenvolvem em produtos de formas complexas que podem ser facilmente fabricados por meio da manufatura aditiva.
Essa tendência continuará, sem dúvida indefinidamente, à medida que as soluções de software continuarem a evoluir. Assim como a observação e análise de "The Future of Artificial Intelligence and Design - 2017 Design and Artificial Intelligence Report" por Fan Ling of Tongji x Tezan Design and Artificial Intelligence Laboratory: A tendência de segmentação extrema no lado da demanda precisa ser acompanhado por inteligência artificial do lado da oferta; A tendência de online/conexão/interação desenvolveu-se gradualmente de informações online, relacionamentos online e coisas online para várias habilidades online e, eventualmente, estará online de coração e cérebro – inteligência artificial/IA; acompanhados por Insubstituíveis Indivíduos com habilidades super-segmentadas continuarão a surgir, e a era da mediocridade terminará; a futura organização será uma nova organização de interação humano/computador, e eles atribuirão tarefas com flexibilidade a talentos externos, talentos internos ou máquinas para serem concluídas automaticamente. O mecanismo integra todo o fluxo de trabalho do projeto para alcançar o caminho ideal de conclusão da tarefa.