Réduire la taille des pièces, réduire le nombre de pièces et réduire le poids des pièces est la poursuite incessante de l'aérospatiale, de la fabrication automobile et d'autres domaines. Par exemple, chaque gramme de réduction de poids d'un avion équivaut à une réduction importante de la consommation de carburant pendant le service. Comme autre exemple, en réduisant la taille des composants du satellite, plus d'espace peut être fourni pour augmenter la puissance de la batterie, augmentant ainsi le temps pendant lequel le satellite peut rester dans l'espace.
Il convient de noter que la légèreté est généralement comprise comme l'enlèvement de matière d'un composant ou d'une pièce afin de réduire son poids. C'est ce qui se passe, et c'est pourquoi on met souvent l'accent sur la « réduction des matériaux » ou le remplacement de certains matériaux par d'autres matériaux légers.
En choisissant un matériau avec une résistance spécifique plus élevée, le poids total de la pièce peut être réduit. Par exemple, si nous comparons l'acier inoxydable, l'alliage d'aluminium et l'alliage de titane, l'alliage de titane a une résistance spécifique plus élevée et peut utiliser moins de matériau pour atteindre le même niveau de performance.
Cette focalisation sur les matériaux influence donc la conception des pièces qui reflète la façon dont des changements de conception fondamentaux peuvent aider à minimiser la consommation de matériaux et, en fin de compte, à réduire le temps de construction.
Étant donné que la légèreté de toute structure affectera directement les propriétés mécaniques des pièces, la fabricabilité est l'un des facteurs les plus importants affectant la légèreté. Vous pouvez avoir la conception théorique la plus légère et la plus performante, mais si elle ne peut pas être fabriquée, cette conception est inutile. devenir inutile.
Un autre facteur important est le coût de la pièce. Si la pièce légère est mal conçue à l'aide de l'optimisation de la topologie, il y aura des coûts supplémentaires liés à la suppression des structures de support excessives et à l'ajout de traitements de surface. D'autre part, l'impression de réseaux matriciels et de structures TPMS peut augmenter le temps d'impression 3D, entraînant des coûts de fabrication plus élevés de la pièce.
Les fabricants utilisent la fabrication additive depuis deux décennies, mais ce n'est que ces dernières années que l'impression 3D a connu des progrès dans les pièces légères et établi de nouvelles stratégies logicielles pour la légèreté.
Optimisation de la topologie et conception générative
L'une des stratégies logicielles fréquemment explorées en termes de légèreté est l'optimisation de la topologie : la capacité d'optimisation de la topologie, basée sur la méthode des éléments finis (FEM) pour optimiser l'affectation des matériaux d'une pièce pour des objectifs de rigidité ou de résistance, permet une conception légère de la pièce. Cette stratégie de conception optimise la disposition des matériaux dans un espace de conception donné pour un ensemble donné de charges, de conditions aux limites et de contraintes.
Sur le marché, l'optimisation de la topologie (optimisation de la topologie) et la conception générative (conception générative) sont généralement confondues dans de nombreux cas, mais après une étude approfondie, la conception générative (conception générative) est basée sur certains paramètres initiaux par itération et ajustement. Trouvez un modèle (optimisé). L'optimisation topologique (Topology Optimization) consiste à analyser un modèle donné. Il est courant d'effectuer une analyse par éléments finis basée sur des conditions aux limites, puis de déformer ou de supprimer le modèle pour l'optimiser.
La conception générative est un processus d'interaction homme-machine et d'auto-innovation. Selon l'intention de conception de l'intrant, via le système "génératif", le modèle géométrique du plan de conception potentiellement réalisable est généré, puis comparé de manière exhaustive, et le plan de conception sélectionné est transmis au concepteur pour la décision finale.
Généralement comprise, la conception générative est une méthode de conception qui génère automatiquement des illustrations, des modèles architecturaux et des modèles de produits grâce à des algorithmes dans un logiciel de conception. La conception générative est une méthode de modélisation paramétrique. Pendant le processus de conception, une fois que le concepteur a saisi les paramètres du produit, l'algorithme s'ajustera et jugera automatiquement jusqu'à ce que la conception optimale soit obtenue.
Structure en treillis ou remplie de TPMS
En raison de l'avènement des techniques de fabrication additive, les structures cellulaires périodiques, en particulier les surfaces minimales périodiques triples (TPMS), ont suscité un intérêt de recherche considérable. Un TPMS est essentiellement la plus petite surface où la courbure moyenne de tous les points est nulle. La structure TPMS peut être modélisée mathématiquement et peut être modélisée de manière répétée dans trois directions. Ce modèle permet aux cellules TPMS de se développer dans trois directions mutuellement perpendiculaires, formant un réseau 3D de cellules TPMS.
TPMS est une surface minimale périodique triple (TPMS). Pour les applications structurelles, la conception TPMS présente un rapport résistance/poids élevé. Utilisé en conjonction avec des techniques de fabrication additive, il permet aux concepteurs de créer des structures multifonctionnelles avec des propriétés de résistance et de dissipation thermique élevées.
Le remplissage de structures avec des treillis en treillis ou TPMS sont des approches intéressantes à explorer à cet égard, par exemple, le logiciel de fabrication additive Cognitive Design a créé une grande base de données de ces métamatériaux et de leurs propriétés mécaniques. L'Infill Optimizer, qui fait partie de Cognitive Additive, place intelligemment ces structures en fonction des chemins de contraintes, réduisant ainsi le poids total sans compromettre les performances mécaniques.
Intégration structurelle
L'intégration structurelle est une stratégie qui nécessite une solide expertise et la capacité d'intégrer plusieurs parties en une seule. S'il est correctement conçu, le composant peut fournir des fonctionnalités améliorées. Par exemple, il y a quelques années, Airbus et 3D Systems ont développé le premier filtre radiofréquence (RF) métallique imprimé en 3D en état de navigabilité, testé et validé pour une utilisation dans les satellites de télécommunications commerciaux.
Traditionnellement, les filtres RF sont conçus à l'aide de composants standard, tels que des cavités rectangulaires et des sections transversales de guides d'ondes avec des coudes verticaux, dont la forme et les connexions sont déterminées par des processus standard tels que le fraisage et l'EDM.
En règle générale, la cavité d'un filtre RF est usinée en deux parties boulonnées ensemble, ce qui non seulement ajoute du poids, mais ajoute également une étape d'assemblage et un processus d'inspection de qualité supplémentaire. À l'aide du logiciel CST MWS, un outil de simulation électromagnétique 3D, l'équipe de 3D Systems a développé une cavité elliptique encastrée pour guider le courant RF, une conception qui a réduit les coûts de production et réduit le poids de 50 %.
Une nouvelle solution logicielle basée sur l'intelligence artificielle permet aux ingénieurs concepteurs de "programmer" des algorithmes, et ainsi, leurs conceptions évoluent et se développent en produits de formes complexes qui peuvent être facilement fabriqués grâce à la fabrication additive.
Cette tendance se poursuivra, sans doute indéfiniment, à mesure que les solutions logicielles continueront d'évoluer. Tout comme l'observation et l'analyse de "The Future of Artificial Intelligence and Design - 2017 Design and Artificial Intelligence Report" par Fan Ling de Tongji x Tezan Design and Artificial Intelligence Laboratory : La tendance à la segmentation extrême du côté de la demande doit être complété par l'intelligence artificielle du côté de l'offre ; La tendance en ligne/connexion/interaction s'est progressivement développée à partir d'informations en ligne, de relations en ligne et d'objets en ligne vers diverses compétences en ligne, et finira par être en ligne du cœur et du cerveau - intelligence artificielle/IA ; accompagné d'individus irremplaçables aux compétences super-segmentées continuera d'émerger, et l'ère de la médiocrité prendra fin ; la future organisation sera une nouvelle organisation d'interaction homme/ordinateur, et ils assigneront de manière flexible des tâches à des talents externes, des talents internes ou des machines à compléter automatiquement. Le mécanisme intègre l'ensemble du flux de travail de conception pour obtenir le chemin d'exécution optimal des tâches.