Ønsker du et produkt, som er lettere, men bevarer samme styrke? Så skal du kigge mod 3D-print og topologioptimering
Illustration: Teknologisk Institut.
I dag har jeg inviteret vores specialist i topologioptimering på Teknologisk Institut, Malthe Wellendorf Gissel, ind på bloggen. Han skal gøre os klogere på hvad computergeneret design er for en størrelse, og hvordan man med 3D-print og topologioptimering kan gøre et produkt lettere og spare på materialet i produktionsprocessen.
Når man optimerer noget, gør man det ofte mindre. Det er en matematisk opgave, hvor man beregner på komponenten ud fra nogle specifikke kriterier, såsom lasten og materialet. Man sætter en begrænsning for, hvor meget materiale man må fjerne, mens komponenten fortsat bevarer den ønskede styrke.
I det første setup vil objektfunktionen være minimum compliance, hvilket svarer til maximum stivhed. Uden en begrænsning er den bedste løsning at bevare alt materialet – hvilket dog ikke er særligt optimalt. Derfor tilføjes der en begrænsning på volumenfraktionen på eksempelvis 20% af det originale volumen. Begrænsningen producerer den løsning, der er mest rigid, altså stivest, med kun 20% af materialet, og dermed et optimeret design. Alternativt, hvis man kender den max tilladelige udbøjning, vil man også kunne indsætte denne som begrænsning, og så minimere volumen, så får man den mindste volumen, og dermed masse, som er nødvendig for at overholde kravet til udbøjningen.
Med topologioptimering tager man ofte udgangspunkt i den oprindelige komponent. Komponenten fungerer således som ens “design space,”, og er det område, som det nye design kan ligge indenfor, på den måde sikres det også, at det nye design ikke utilsigtet sammenstøder med andre komponenter i maskinen eller applikationen hvor den skal monteres.
For at lave beregningerne anvendes en matematisk formulering, hvor man deler komponenten op i små elementer. Det kalder vi et mesh. Det minder om et finmasket fiskenet, som bliver ”trukket” over komponenten, og derved opdeles den i bittesmå dele, som oftest flere hundredetusinde eller millioner elementer. Imellem alle elementerne kan der opstilles simple ligevægtsligninger, som computeren kan beregne - også selvom geometrien er kompliceret. På den måde går softwaren ind og laver en iterativ proces, så den beregner, fjerner materiale, beregner, fjerner materialer - og måske tilføjer den lidt, hvis den har fjernet for meget.
Efterfølgende laves en FE-analyse (Finite Element Analysis) for at validere, at den nye geometri overholder de krav, der er til spændinger eller udbøjninger.
Teknologien er nyttig i mange sammenhænge. I fødevareindustrien arbejder man med robotter, som flytter sig meget hurtigt for at kunne plukke og pakke varer effektivt. Det gælder for eksempel en robotarm som skal plukke og pakke kyllingefileter af 200 g.
Det er altafgørende, at robotarmen er let, så den kan bevæge sig hurtigt og nå kyllingefileterne mens de kører ned ad båndet. Her kan topologioptimering sikre, at robotarmen har den mindst mulige vægt mens den fortsat kan holde til det arbejde, den skal udføre. Samtidig kan der være krav til hvilken egenfrekvens komponenten skal have eller for eksempel massemidtpunktet, hvilket alt sammen er muligt at have med i sit optimerings-setup.
Et andet eksempel på en industri, hvor teknologien benyttes, er i fremstillingen af dele til droner og flyvemaskiner. Vægten har stor betydning for hvor meget energi, der skal bruges for at kunne holde dronen eller flyet i luften. Derfor giver det rigtig god mening at kigge på, hvordan man kan letvægte delen ved hjælp af topologioptimering.
På Teknologisk Institut har man samarbejdet med den danske startup, Airflight, som producerer droner til transport af dele til vindmølleindustrien. Som en del af designoptimeringsprojektet DfAM (Design for Additive Manufacturing) faciliteret af Dansk AM Hub har Airflight fået 3D-printet et beslag til dronen i titanium, som er lykkedes med at reducere vægten med hele 67% ved at designoptimere beslagene. Det førte til en vægtreduktion på hele 11 kg. per drone.
Topologioptimeringssoftwaren har været afgørende for, at beslaget kunne opfylde alle egenskaberne – letvægt, styrke og størrelse. Det er muligt, fordi FEM-analysen og simuleringen kan modificere designet igen og igen, indtil man når det mest optimale design, som stadig kan løfte de samme tunge komponenter og redskaber til vindmøllerne.
3D-print er en moden produktionsmetode, som mange virksomheder har fået øjnene op for gennem de seneste 20 år. Dog er der stadig virksomheder, som endnu ikke har afsøgt mulighederne indenfor 3D-print. I den sammenhæng mener jeg, at topologioptimering kan bidrage til, at virksomhederne kan se fordelen ved at letvægte og re-designe deres produkt. Det sparer ikke blot materiale i produktionen, men optimerer også komponentens grundlæggende design. Det kan være en stor økonomisk fordel, da man i forbindelse med storproduktion ender med at spare rigtig meget materiale og får et mere optimalt design.
Har i komponenter I kan forestille jer, kan 3D-printes? Og hvilke muligheder ser I ved at topologioptimere?
