Anders Wentzel
Technical Specialist
Som produktdesigner måste du ta många faktorer i beaktande när du designar din produkt. Du behöver inte bara få klart rätt design snabbt för att minimera förseningar och kostnader som är förknippade med sen cykelprestanda och problem med tillverkningsbarhet. Designers möter också utmaningar om att bättre förstå designbeteende och utvärdera det mest lämpliga tillverkningssättet medan de designar.
Lyckligtvis tillhandahåller CAD-integrerade verktyg för topologioptimering, som de som ingår i SOLIDWORKS Simulation Professional och SOLIDWORKS Simulation Premium virtuella testmjukvara, en transformationsteknik som kan hjälpa dig att snabbt och enkelt generera den optimerade formen för en viss design.
Med förmågan att genomföra snabba topologistudier har designer möjligheter att automatiskt generera den optimala formen för en specifik design; att snabbt dra nytta av nya tillverkningstekniker; och för att i slutändan tillgodose kraven på större produktutvecklingsautomation, innovation och genomströmning.
Mitt namn är Anders Wentzel och jag arbetar som teknisk specialist på PLM Group i Danmark. Detta blogginlägg skrevs för dig som vill:
- Arbeta mer effektivt
- Lära dig hur du kontrollerar flera mönster med bara några klick
- Lära dig hur du kan minska vikten på din design utan att kompromissa med säkerheten
Minimera materialanvändningen för dina produkter
Som jag nämnde tidigare så finns det många faktorer att ta hänsyn till när man designar. En av dem är mängden material som används. En stor mängd material som används – motsvarar kostnaden. Detta kan bero på den generella materialkostnaden från leverantören, energi/bränsleförbrukning för den färdiga produkten relaterad till totalvikt eller svåra produktionsmetoder.
Det är här din designoptimering spelar roll, och i SOLIDWORKS Simulation har vi olika funktioner för precis detta: Designstudier och topologistudier. Dessa tar båda hänsyn till tidigare simuleringsresultat. Du kan ställa in olika begränsningar och mål som viktminskning, maximal deformation och säkerhetsfaktor.
Skillnaden mellan de två är främst att medan designstudier ändrar dina befintliga dimensioner av modellen, kan topologistudierna ta bort material från områden, oberoende av dina definierade dimensioner.
Minska dina dimensioner med designstudier
Designstudier är ett utmärkt sätt att minska befintliga dimensioner som tjocklek eller längd i en design, och därigenom skära av det material som behövs, utan att kompromissa med materialets hållbarhet i applikationen.
Ta till exempel detta hyllfäste. Den är modellerad som vilken annan 3D-del som helst och genomgår en simuleringsstudie för att lyfta fram styrkor och svagheter i designen.
Det är tydligt att den applicerade belastningen på 1500N (ungefär 150 kg), inte är i närheten av den spänning som skulle resultera i materialbrott (utbyte på 27,5 MPa), därför är detta ett utmärkt tillfälle att optimera designen.
Vi kunde bara använda trial-and-error-metoden, ändra vissa dimensioner en efter en och sedan köra studien däremellan. Men vi har också möjlighet att inkludera flera genomförbara dimensioner och köra flera studier med bara några klick.
I detta exempel har vi har satt upp tre dimensioner som vi får SOLIDWORKS att förändras i steg och lagt till en begränsning i form av maximal spänning i modellen. Denna spänning (25 MPa) är inställd under sträckgränsen för att säkerställa att modellen inte misslyckas under belastningen. Som avslutning har vi tagit med målet att minimera modellens massa.
Totalt ger dessa tre variabler med steg 105 olika modeller av fästet som vi sedan ska gå vidare med att beräkna. Med dessa beräkningar gjorda är det lätt att bläddra igenom de olika kombinationerna och hitta den som passar dina designbehov bäst – de som visas i rött är de som överskred vår begränsning på 25 MPa.
Dessutom, eftersom vi satt upp ett mål att minimera massan, kommer SOLIDWORKS att ge oss den optimala designen som fortfarande uppfyller våra krav – i detta exempel, kombination nummer 4 – genom att klicka på den får vi den ändrade designen. Så, bara definiera några variabler, det är möjligt att få SOLIDWORKS att beräkna många olika design, med bara några klick!
När vi tittar på den totala viktminskningen ser vi en minskning med 357,99 – 210,38 = 147,61 g.
Minska massan och få organiska former med topologistudier
När det gäller topologistudier är slutmålet mer eller mindre detsamma: Designa din produkt för tillverkning, samtidigt som du minskar massan. Men när man använder detta tillvägagångssätt blir resultatet ofta en organisk form som måste modelleras i efterhand för att ge en bra slutprodukt. Eftersom topologistudieresultaten är organiska är det ofta självklart att överväga att 3d-printa delarna, om möjligt.
En topologistudie inrättas genom att återigen definiera några slutmål – massminskning, stelhet och/eller förskjutning. Det är också möjligt att definiera vissa områden av modellen som SOLIDWORKS inte får ändra, till exempel monteringshål/ytor, viktiga dimensioner i designen eller andra signifikanta variabler.
Innan du beräknar kan du också definiera en riktning för avformningen, vilket innebär att den kommer att överväga i vilken riktning delen ska kunna tas ur en form, om den tillverkas på detta sätt. När beräkningen är klar är det möjligt att granska resultatet. Som nämnts är detta resultat ännu inte klart för produktion, och det kan bli nödvändigt att modellera komponenten från grunden i efterhand.
Det är också möjligt att manipulera formen genom att dra reglagen som visas till vänster, för att antingen förgrova eller förfina modellen.
När du är nöjd kan du exportera nätformen till en annan delfil och börja 3d-utskrift, eller arbeta vidare med den.
Här visar vi en ombyggd version av fästet efter avslutad topologistudie.
När vi modellerade konsolen, genomförde vi vår simulering från tidigare för att verifiera att vår design fortfarande uppfyller våra designkriterier – vilket den gör:
Genom att använda denna topologi-metod har vår designs massa minskat med 357,99 – 206,79 = 151,2g
Uppnå optimal design utan att kompromissa
Även om dessa två metoder båda fungerar för att optimera din design, gör de det på olika sätt:
Designstudier tar dina befintliga dimensioner, så många du vill, och ändrar dem till dina specifikationer och presenterar den optimala designen.
Topologistudier tar din design och försöker ta bort så mycket material som möjligt utan att kompromissa med modellens integritet.
Båda är användbara verktyg att använda i optimeringsprocessen och gör det möjligt för designers att möta förväntningarna på mer kompletta och färdiga design. Med hjälp av SOLIDWORKS topologistudier kan du skapa lättare delar av högre kvalitet snabbare eftersom du kommer att börja arbeta med det optimala konceptet för din designsituation redan från början. Detta kommer att göra det möjligt för dig att säkerställa trovärdigheten i designen genom att validera komponentprestanda och förbättra designen för tillverkningsbarhet.
Så optimeras en cykel med topologistudier:
