تکنولوژی پرینتر سه بعدی برخلاف تکنیک های سنتی ماشینکاری، امکان تولید قطعات با هندسه های پیچیده ای را فراهم می کند که وزن کل را می توان با استفاده از یک روش عددی به نام بهینه سازی توپولوژی بهینه کرد. این روش همچنین مقاومت مکانیکی قطعه ساخته شده را به حداکثر می رساند. بهینه سازی توپولوژی بخشی از طراحی عددی است که با استفاده از فرمول های ریاضی، امکان یافتن توزیع بهینه مواد را در یک حجم معین فراهم می سازد.

بهینه سازی توپولوژی چیست و در پرینت سه بعدی چگونه عمل می کند؟

در واقع بهینه سازی توپولوژی شامل حذف مواد در نواحی که تحت تنش قرار ندارند با استفاده از نرم افزار اختصاصی است. از جمله شناخته شده ترین راه حل ها می توان بهAnsys Discovery ،  Tosca از Dassault Systèmes ،Within Labs  ازAutodesk ،Inspire  ازSolidThinking ، Netfabb  و Simfts Additive اشاره کرد.

فرایندهای متداول طراحی عددی شامل اعمال بار بر روی قطعه تولید شده و ارزیابی نواحی ضعیف آن است. سپس مهندسان باید طرح را تا زمانی که قطعه قید های مکانیکی مشخص را برآورده سازد تغییر دهند. اما منطق بهینه سازی توپولوژی متفاوت است. در واقع در بهینه سازی توپولوژی، بارهای مکانیکی نشان دهنده داده های ورودی هستند که به نرم افزار اجازه می دهند هندسه جدیدی برای قطعه ارائه دهد. بنابراین مراحل تکرار کمتری در طراحی قطعه انجام می شود که خود باعث کاهش قابل توجه مراحل طراحی و زمان تولید تا عرضه در بازار می گردد.

در سازه های بتنی، بهینه سازی توپولوژی با طرح سه بعدی یک قطعه موجود یا جدید شروع می شود که بارها و نیروهای مختلفی به قطعه وارد شده و سپس نرم افزار اختصاصی تمام نیروهای اعمال شده را محاسبه می کند. در طی این مرحله از طراحی، نرم افزار نواحی از قطعه که تحت تنش نیستند را محاسبه کرده و مواد را در این نواحی حذف می کند. پس از انجام این مرحله، پیش نمایش قطعه بهینه سازی شده قابل مشاهده است. هندسه نهایی که الزامات مکانیکی و طراحی را براورده می کند، پس از صاف کردن قطعه بدست می آید. بهینه سازی توپولوژی جرم را کاهش، و یا مقاومت مکانیکی قطعه را افزایش می دهد.

نرم افزار بهینه سازی توپولوژی برای پرینت سه بعدی

همه نرم افزارهای CAD این قابلیت را ارائه نمی دهند. حتی اگر لزوماً این مرحله در فرایند مدل سازی و ساخت مورد استفاده قرار نگیرد، بهتر است به عنوان راه حلی برای اطمینان از طراحی یک قطعه بهینه در نظر گرفته شود. بنابراین برخی از توسعه دهندگان، نرم افزار اختصاصی ایجاد کرده اند. برخی از برنامه های نرم افزاری CAD مانندSolidworks ، Creo  و  Fusion 360شامل بخش هایی برای بهینه سازی قطعه شما می باشند. انتخاب نرم افزار بهینه سازی توپولوژی یک گام اساسی است زیرا این ابزار به شما امکان می دهد قید های قطعه ای را که ایجاد می کنید با توجه به مواد تولیدی، خصوصیات هندسی و بارهای مکانیکی تعریف کنید. این نرم افزار مجموعه‎ای از بارها و شرایط مرزی را تجزیه و تحلیل می کند.

چه صنایعی و برای چه هدفی از بهینه سازی توپولوژی استفاده می کنند؟

صنعت خودروسازی به منظور کاهش هزینه از طریق صرفه جویی در مواد، به ویژه در تولید سری از این روش استفاده می کند. در واقع با کاهش وزن چند گرمی در هر وسیله نقلیه، چند تن در مواد مصرفی لازم برای تولید چندین میلیون دستگاه خودرو صرفه جویی می شود. به عنوان مثال به لطف توزیع مطلوب مواد، شاسی پرینت سه بعدی شده شرکتLight Rider  فقط ۶ کیلو وزن دارد. یک مثال جدیدتر، پرینت سه بعدی قطعات سیستم تعلیق خودروهای فیات کرایسلر می باشد که بیش از ۱۲ جز مختلف را در یک قطعه واحد ترکیب می کند. طراحان اظهار داشتنه اند که وزن قطعه پرینت سه بعدی شده نهایی ۳۶٪ از مجموع وزن قطعات تشکیل دهنده سیستم کمتر بوده است.

حوزه دیگری که علاقه زیادی به بهینه سازی توپولوژی دارد، بدون شک صنعت هوافضا است. هواپیماهای سبک تر سوخت کمتری مصرف می کنند که در طولانی مدت سبب صرفه جویی قابل توجهی برای یک شرکت هواپیمایی می گردد. این همان موردی است که طراحی به نام Andreas Bastian با کاهش وزن صندلی های هواپیمای خود ثابت کرد. او برای هر صندلی یک طرح با وزنی ۵۴٪ سبک تر در نظر گرفت که سبب کاهش وزن قابل توجه هواپیما گردید. ، بهینه سازی توپولوژی و پرینت سه بعدی فراتر از جنبه کاهش وزن، امکان ایجاد هندسه های بسیار پیچیده تری را فراهم می کند زیرا صنعت هوافضا را از محدودیت های ناشی از قالب رها می سازد.

صنعت پزشکی از دیگر صنایعی است که از این روش طراحی، به ویژه برای پرینت سه بعدی ایمپلنت های سفارشی استفاده می کند. بهینه سازی توپولوژی علاوه بر کاهش وزن، امکان تقلید از تراکم و سختی استخوان را فراهم می سازد. در حقیقت، بسیاری از ایمپلنت ها ساختارهای شبکه ای دارند و به همان اندازه ایمپلت های طراحی شده به روش های سنتی مقاوم هستند یا حتی در برخی موارد استحکام بیشتری دارند.

منبع: https://www.3dnatives.com

در صورت تمایل میتوانید فایل PDF این مقاله را در قسمت زیر دانلود و با ذکر منبع مورد استفاده قرار دهید.