Začínáme s 3D tiskem kovů #3: Předvýrobní etapa (topologická optimalizace)

Uplatnit výhody aditivní výroby lze nejlépe za předpokladu, že je provedena předvýrobní etapa – tzv. topologická optimalizace návrhu. Ta zahrnuje kvalifikované posouzení konstrukce dílu s ohledem na jeho topologii a pokud je to možné, navrhuje se optimalizovaná bionická konstrukce – lehký dutý kovový rám. V takovém případě se neobejdete bez dostupných softwarových nástrojů, které pomohou ušetřit finanční náklady na materiál (kovový prášek).

Kapitoly:

1. Příprava laboratoře pro aditivní výrobu (3D tisk kovů).
2. Klasifikace aditivních technologií princip metody Selective Laser Melting.
3. Předvýrobní etapa (záměr návrhu a související topologická optimalizace a bionické konstrukce).
4. Příprava tisku (programování a návrh podpor). (připravujeme)
5. Postprocessing (tepelné zpracování, obrábění a kontrola a měření). (připravujeme)
6. Současná charakteristika vývoje 3D kovového tisku (posouzení výhodnosti). (připravujeme)
7. Druhy prášků a jejich mechanické vlastnosti. (připravujeme)
8. Parametry 3Dtiskárny Renishaw AM400. (připravujeme)
9. Jak probíhá zaškolení obsluhy stroje a prosévacího zařízení. (připravujeme)
10. Uvedení stroje do provozu (kalibrace laseru, tlakové a vakuové zkoušky a referenční stavba). (připravujeme)
11. Základní parametry tisku a tisk prototypů. (připravujeme)
12. Co ovlivňuje cenu 3D tisku kovů. (připravujeme)

Topologická optimalizace

Topologická optimalizace je synonymem snižování hmotnosti dílů s ohledem na okrajové podmínky (pevnostní namáhání) a vyrobitelnost. Pokud se předpokládá výroba aditivní technologií (3D tiskem), můžete topologicky navrhnout i tzv. bionickou konstrukci . Takto jsou označovány díly a sestavy, za jejichž konstrukcí stojí náročné výpočty. Výsledkem bývají netechnicky působící tvary, připomínající zdánlivě biologické struktury. Jak taková struktura vypadá, můžete vidět na obrázku níže. Vlevo je standardní konstrukční návrh vahadla (odlitek), vpravo návrh bionické konstrukce (výroba 3D tiskem).

V obou uvedených příkladech splňují návrhy okrajové podmínky (pevnostní namáhání) přičemž bionická konstrukce ušetří mnohdy až 30 % materiálu. Úspora se projeví na celkové váze dílu a sestavy i na finančních nákladech.

Technologičnost konstrukce

U každého prototypu určeného k výrobě 3D tiskem by měla být posouzena vhodnost tvar. Nemusíme si nic nalhávat, žádná z dostupných aditivních technologií – zejména 3D tisk kovů – zatím nedokáže vyrobit prototyp, který by splňoval vysoké nároky a požadavky na kvalitu i jakost povrchu a geometrickou přesnost. Optimalizované parametry 3D tisku dosahují geometrické přesnosti ± 50 µm a parametr drsnosti Ra je zpravidla vyšší než 6 µm (např. u korozivzdorné oceli). Na řadu pak přicházejí dokončovací operace – tzv. postprocessing.

V případech, kdy je model navržen podle standardních konstrukčních zásad, nemusí odpovídat technologičnosti konstrukce modelů určených k výrobě 3D tiskem. Základními nedostatky modelů jsou ostré přechodové hrany, tenkostěnné plochy a malé nebo naopak příliš velké otvory. Takový model je nutné upravit, pokud to záměr návrhu dovolí a konstrukční změny neovlivní funkci dílu. Ostré hrany a přechody se nahrazují proměnlivým zaoblením, u tenkostěnných ploch je nutné zvětšit tloušťku.

Na ukázce níže můžete vidět, jak záměr návrhu a jeho optimalizovaný tvar ovlivní tvorbu podpor v řešení QuantAM od společnosti Renishaw. Intuitivní nástroje diagnostikují plochy, které vzniknou s podporami. Plochy se zvýrazňují barevným přechodem: žluté (tvorba podpor je na zvážení technologa) přecházejí v červené (tvorba podpor je vyžadována).

O navrhování a tvorbě podpor si povíme v příštím díle našeho seriálu Začínáme s 3D tiskem kovů.

Nosníkové (příhradové) konstrukce

Další výhodou aditivní výroby je výroba součástí, jejichž model tvoří skořepina (model je zcela dutý) nebo jeho výplň tvoří nosníková konstrukce (z anglického lattice structure). Jádro modelu s nosníkovou konstrukcí je duté a ve stěně skořepiny je ponechán malý otvor, kudy je vysypán nespečený prášek. Nosníková konstrukce zvyšuje pevnost dílu a současně snižuje hmotnost jinak plného dílu.

Bionické konstrukce eliminují tvorbu podpor

Pokud je díl topologicky optimalizován a upraven do tzv. bionické konstrukce, zpravidla není nutné vytvářet podpory. Bionická struktura je navržena tak, aby vytištěná vrstva byla současně podporou pro tisk další vrstvy. Tato podmínka platí za předpokladu, že je součást umístěna ve vhodné poloze na substrátu v pracovní komoře 3D tiskárny.

Na obrázku níže je bionická konstrukce otvíráku, kterou topologicky navrhla společnost Renishaw. Pokud je otvírák umístěn ve vodorovné poloze, vyžaduje tisk podpor, které zanechají nežádoucí povrch. S tím souvisí i mnohdy nákladný a časově náročný postprocessing: obrábění, otryskávání, omílání, broušení, leštění atd. V opačném případě, je-li otvírák ve svislé poloze, bionická konstrukce dovolí vyrobit díl bez podpor. Ty jsou pouze ve spodní části, protože spojují substrát s prototypem.

Řešení pro topologickou optimalizaci a navrhování bionických konstrukcí

Pro navrhování bionických konstrukcí je již dostupná celá řada softwarových řešení. Novinkou je nástroj Convergent Modeling. Pro navrhování, simulaci a úpravu dat a procesů pro součásti vyráběné 3D tiskem jej letos uvolní společnost Siemens PLM Software. Očekává se, že jej budou následovat i ostatní dodavatelé 3D CAD řešení jako jsou SolidWorks, Onshape, produkty Autodesku, Solid Edge, PTC Creo atd. Ať už budou přímo součástí CADu, nebo dostupné jako zásuvný modul.

Dostupná řešení pro topologickou optimalizaci:

• Abaqus,
• Altair,
• Ansys,
• Femap,
• Genesis,
• MSC Nastran,
• OptiStruct,
• ProTOp,
• Simulia (Tosca Structure),
• SolidThinking Inspire.

Praktické ukázky topologické optimalizace a bionických konstrukcí

Pádla řízení na závodní formuli

Prototypová výroba součástí již nalezla uplatnění v řadě odvětvích (nejen) strojírenského průmyslu. S výhodou jej využívají i studenti věnující se návrhu a výrobě studentských formulí (SAE). Příkladem je tým ČVUT CTU Cartech, který ve spolupráci s firmou Misan topologicky optimalizoval pádla řazení.

Návrh klíční kosti

Řešení Simulia Tosca Structure pomohlo topologicky optimalizovat návrh implantátu klíční kosti. Na původním návrhu (1) byla provedena optimalizace hustoty sítě (meshing; 2). Poté byla provedena topologická optimalizace s ohledem na okrajové podmínky (3). Výsledky validace (4) a redukce napětí (5) vedly k tvarové optimalizaci, která přepracovala původní záměr návrhu v nosníkovou konstrukci. Topologická optimalizace snížila celkovou hmotnost, což je zřetelné vizuálně na úbytku objemu materiálu modelu klíční kosti.

Futuristický motocykl Light Riders

Topologická optimalizace a návrh bionických konstrukcí umožňují navrhovat lehké kovové konstrukce s ohledem na okrajové podmínky. Jednoduše řečeno, upravený model má tolik materiálu, kolik dovolí pevnostní namáhání, aby nedošlo k destrukci součásti. Typickou ukázkou je futuristický návrh motocyklu Light Riders z lehké hliníkové oceli Scalmalloy, jehož rám je dutý a prochází jím kabeláž.

Další zajímavé případové studie, které popisují zohlednění původního záměru návrhu topologickou optimalizací (a návrhem bionické konstrukce), vám pravidelně přinášíme v magazínu Konstruktér.