Bionika - inšpirovaná voštinami a kosťami
Či už bunky, kosti alebo stromy: 3D tlač umožňuje ekonomicky vyrábať také štruktúry. Predpoklad: holistický prístup a plne digitalizovaný proces. Práve to ponúka zážitková platforma Dassault Systémes 3D.
Stabilný, ľahký a vysoko funkčný: napodobňovanie prírody pri konštrukcii technických komponentov bolo vždy atraktívne, ale donedávna komplikované a drahé. Klasické výrobné procesy umožňovali iba obmedzené geometrické možnosti. Na druhej strane s aditívnou výrobou je možné realizovať vysoko zložité geometrie založené na prírode, napríklad voštinové a špirálové tvary, samonosné mriežkové usporiadania a bunkové konštrukcie inšpirované voštinami alebo kosťami.
Používanie takýchto štruktúr podporuje aj skutočnosť, že je možné realizovať ľahké konštrukcie: Metodika bionickej konštrukcie v kombinácii s 3D tlačou znižuje váhu materiálu a celkovú spotrebu materiálu jednotlivých dielov podľa štúdie spoločnosti Bitkom „3D printing - a success story for the digital location“ z roku 2017 až o 90 percent. Ale iba úplne virtuálny vývoj produktu prispôsobený aditívnej výrobe umožňuje využívať všetky tieto výhody a zároveň sa vyhnúť nákladným testovacím výtlačkom alebo nesprávnym výtlačkom.
Jednotný dátový model a platforma pre spoluprácu
„Úspešná aditívna výroba si vyžaduje holistický prístup, v ktorom úzko spolupracuje široká škála odborov a oddelení,“ vysvetľuje Michael Werner, expert na simulačné riešenia spoločnosti Dassault Systèmes: „Centrálna obchodná platforma pomáha spájať rôzne pohľady vo vývojovom prostredí za predpokladu, že je založená na jednotnom dátovom modeli a spoločnej grafickej ploche, ako ich ponúka platforma 3D Experience. “
Doteraz takmer každý, kto sa podieľa na vývoji produktu, pracoval so samostatnými modelmi: Počnúc geometrickým modelom (CAD), cez model pre výrobu a montáž, až po simulačné modely popisujúce funkcie, na ktorých sa napríklad uskutočňovalo fyzikálne modelovanie. Podľa Wernera to však bolo nekonzistentné, neefektívne a drahé. Vďaka jednotnému dátovému modelu a platforme pre spoluprácu je teraz možné všetky tieto modely navzájom prepojiť - v rámci celej spoločnosti, alebo dokonca medzi spoločnosťami. Na základe geometrického modelu je možné pridať požadované, rôzne podrobné funkčné modely a všetky rozhodnutia o produktoch je možné robiť s virtuálnou podporou založenou na tomto modeli. Okrem toho sa vo funkčných modeloch automaticky zohľadňujú zmeny geometrie bez toho, aby sme ich museli znova vytvárať od začiatku.
S pomocou centrálnej platformy a jednotného dátového modelu môžu spoločnosti vopred digitálne zmapovať všetky príslušné rozhodnutia v oblasti dizajnu a výroby: Napríklad simulácie pomáhajú návrhárom pri hľadaní ideálneho dizajnu komponentu s prihliadnutím na funkčné požiadavky. Môžete si nechať navrhnúť rôzne varianty návrhu a potom ich analyzovať a porovnať. Napríklad je možné rýchlo znížiť hmotnosť produktu pri zohľadnení všetkých ďalších požiadaviek.
Odvodiť poznatky pre ďalšie vylepšenie súčasti
Rovnako ako v iných procesoch, aj pri výrobe aditív sa vyrábaný komponent zvyčajne mierne odlišuje od pôvodného dizajnu. Pri 3D tlači je to okrem iného spôsobené vnútorným tepelným namáhaním. Vďaka digitalizovanému procesu je možné skonštruovaný komponent podrobne porovnať s skutočne vyrobeným komponentom. Pomocou špeciálnych aplikácií môže vývojový inžinier vopred kompenzovať predpokladané odchýlky. „Vďaka plynulému digitálnemu obrazu vývojového procesu možno z každého kroku odvodiť pohľad na ďalšie vylepšenia komponentu,“ vysvetľuje Werner. Predtým, ako sa táto položka skutočne vytlačí, môžu spoločnosti testovať najrôznejšie varianty ich vyrobiteľnosti - napríklad zložité organické tvary.
Ušetrí sa 90 percent hmotnosti
V dizajnovej štúdii vyvinula spoločnosť Dassault Systèmes komponent, ktorý je vytlačený z plastu. 3D tlačiareň vloží tenký kevlarový závit do zvlášť namáhaných oblastí pred nastriekaním ďalšej vrstvy. Je súčasťou kĺbu obracača, ktorý nahrádza svojho predchodcu z liateho kovu. Cieľom bolo výrazné zníženie hmotnosti.
Ak sa pozriete na zaťaženie v analýze konečných prvkov (FEA), je zrejmé, že možno polovica objemu starého komponentu nezaberá žiadne zaťaženie a spôsobuje tak iba zbytočnú váhu a náklady. Mnoho inžinierov sa však zdráha vynechať predchádzajúci materiál. Softvér pomáha prehodnotiť. V praxi to vyzerá napríklad takto: Najskôr konštruktéri navrhnú komponent v programe CAD. Teraz sa pomocou simulačných riešení vypočítajú a analyzujú geometrické varianty súčasti. Program tiež automaticky zohľadňuje vyrobiteľnosť pomocou určeného výrobného procesu. Tento proces simulácie, analýzy a vylepšenia návrhu sa opakuje automaticky, až kým sa komponent nepriblíži čo najviac k požadovanému výsledku, t. J. Váži čo najmenej, napríklad.
To je miesto, kde vstupujú do hry bionici: vetvy stromu sa jednoducho nestanú hrubšími, aby lepšie odolávali vetru a snehu, ale ďalšie drevo rastie iba v kritických oblastiach. Z tohto dôvodu vetvy nevyčnievajú vertikálne a s ostrými hranami z kmeňa, ale majú na vrchu zakrivenie ako prechod a ďalší materiál na podporu medzi koreňom a kmeňom. Takéto mäkké prechody sú v prírode bežné, optimálne prispôsobené zaťaženiu, ale ich konštrukcia je zložitejšia.
Prvýkrát presná výroba vnútorných štruktúr mriežky pomocou 3D tlače
Pomocou vhodného softvéru je možné vytvoriť také plynulé prechody a súčasne optimalizovať vnútornú štruktúru. Do vnútra môžu byť navyše zakomponované rôzne mriežkové štruktúry, ktoré sú modelované podľa prírody, napríklad kosť, ktorá je ľahká a napriek tomu tuhá vďaka svojej pórovitej výplni. Prvýkrát sa takéto vnútorné mriežkové štruktúry dajú presne vyrobiť pomocou 3D tlače. Na prechodoch je mriežka vo vnútri súčasti zahustená, na niektorých miestach sú medzery malé, inde veľmi vzdušné. Týmto spôsobom sa posilnia neuralgické oblasti pri použití menšieho množstva materiálu. Vyššie uvedený komponent na obracači sena bol optimalizovaný pomocou simulačného riešenia Simulia Tosca Structure. V porovnaní s predchodcom šetrí 90 percent hmotnosti, je však rovnako stabilný ako starý odliatok. (Áno)