Ultra lehké komponenty vyráběné 3D tiskem

Topologická optimalizace se zabývá hledáním ideálního tvaru z hlediska požadavků na něj kladených. V praxi je to nástroj, který dává konstruktérovi představu o tom, jak nejlépe vytvarovat součást podle zatížení, tzn. aby byla co možná nejlehčí, ale dostatečně pevná, zaručila jisté vlastní frekvence, nebo například vhodně vedla teplo. První základy použití optimalizace při návrhu jsou více než 110 let staré a týkaly se pravidel pro navrhování lehkých (a levných) příhradových konstrukcí. Do praxe se optimalizace tvaru dílů (nikoliv ještě topologická) dostala až v 60. a 70. letech minulého století v letectví. Její současná podoba a rozmach nastaly na přelomu tisíciletí spolu s modernější výpočetní technikou a také příchodem vhodných výrobních technologií.

Pokud se zvolí jako výrobní technologie 3D tisk, odpadá většina výše zmíněných nedostatků. Na druhou stranu vyvstávají nové. Hlavním přínosem je tvarová volnost aditivních technologií, kdy není žádný problém vyrábět složité plochy, vnitřní dutiny nebo komplikované sestavy jako jeden díl. Novým omezením je potřeba podpůrných struktur, které musejí být aplikovány na všechny plochy, které na díle svírají s podložkou úhel menší než kritický, což je zpravidla 45°. Dalším možným problémem je přesnost technologie, která je v rámci setin až desetin milimetru. Funkční tolerované plochy je tedy potřeba dokončit pomocí CNC obrábění.

Existují dva způsoby, jak předejít použití velkého množství podpor. První je vhodné natočení dílu při výrobě, kdy může být podstatná část podpor eliminována. Druhou možností je respektování omezení aditivní výroby při návrhovém procesu stejně jako u jiných technologií. Důležitým pojmem je zde tzv. samonosnost dílu, kdy jsou tvary navrženy tak, aby při správném výrobním natočení svírala většina ploch s podložkou úhel větší než kritický.

Relativně novou cestou v tomto směru je nahrazení některých částí nebo celých dílů mikroprutovou, tzv. lattice strukturou. Je to jemná buněčná struktura, která je už ze své podstaty samonosná a při vyplnění jakéhokoliv objemu si svou samonosnost ponechá. V praxi se nejvíce používají struktury, jejichž tvar je odvozen od krychlových krystalových mřížek. Jsou to BCC (Body Centred Cubic) mřížky, tvořené tělesovými úhlopříčkami a FCC (Face Centred Cubic) mřížky, které jsou tvořeny úhlopříčkami obvodových stěn. Popřípadě různě modifikované varianty odvozené od těchto dvou. Zmíněné buňky jsou samonosné pouze při správné orientaci. Lze si snadno představit, že při jejich natočení budou pruty rovnoběžné s podložkou, a tedy aditivně nevyrobitelné bez použití podpor. Toto omezení řeší matematicky definované buňky, které jsou při každém natočení samonosné. Příkladem může být tzv. gyroidní buňka nebo struktura.

Základní topologická optimalizace pracuje se zatížením a objemovými podmínkami, například použití 30 % materiálu, který je k dispozici. Jak pokračuje vývoj, tak se do optimalizace dostávají nové podmínky vztažené i na vyrobitelnost tradičními technologiemi. Na jejich základě je tvar počítán už s ohledem na symetrii k několika rovinám, dělicí rovině pro odlévání nebo směru vytlačování. V posledních letech už se přidávají také technologické podmínky pro aditivní výrobu, které zahrnují hlídání převislých částí (ty, které by potřebovaly podpory) vzhledem k zadanému směru stavby.

Jednou z vedoucích společností, která se zabývá softwary pro topologickou optimalizaci, je americká firma Altair Engineering, Inc., (Troy, MI, USA) se svým softwarem Optistruct. Tento robustní nástroj nabízí velké množství nastavení optimalizace a uživatel má kontrolu prakticky nad vším, co si dokáže představit. Pro běžné konstruktéry je ale díky tomu až zbytečně komplexní. Pro ty firma nabízí daleko přívětivější možnost ve formě programu solidThinking Inspire, který zvládá všechny důležité druhy optimalizace a je postaven na intuitivním grafickém prostředí. I zde je již zabudovaná optimalizace pro aditivní technologie, kdy lze minimalizovat převislé části, popřípadě lze zadat minimální nebo maximální tloušťku stěn.

Mezi další úspěšné programy, které dokážou optimalizovat pro 3D tisk, patří Tosca, nyní pod křídly firmy Dassault Systèmes (Vélizy-Villacoublay Cedex, Francie). Ta ji nabízí jako doplněk v programu Simulia, nebo může být dostupná jako součást komplexního cloudového řešení 3DExperience.

Relativně novou a slibnou alternativou k zaběhlým firmám je produkt nTopology (New York, NY, USA).

V posledních verzích se topologickou optimalizací a napojením na aditivní technologie začíná ve velké míře zabývat i firma ANSYS Inc. (Canonsburg, PA, USA) se svým hlavním pracovním prostředím Ansys Workbench.

Topologickou optimalizaci lze nalézt také u dalších velkých výpočetních jader, jako Abaqus nebo Nastran, a v omezené míře se stále častěji dostává i do klasických CAD modelářů, jako Autodesk Inventor (Autodesk, Inc., San Rafael, CA, USA) nebo Solidworks (Dassault Systèmes, Velizy-Villacoublay Cedex, Francie).

Existuje řada matematických algoritmů pro topologickou optimalizaci, ale do praxe se úspěšně propracoval pouze jeden. Je založen na výpočtu pomocí metody konečných prvků (MKP), kdy je zadaná oblast rozdělena na jednotlivé elementy a těm je postupně přiřazována hustota mezi 0 a 1, kde 0 znamená prostor bez materiálu a 1 plný objem. Problémem jsou prvky, kterým by připadla hustota uprostřed intervalu. Takovéto prvky musejí být upraveny (penalizovány), aby měly binární hodnotu 0 nebo 1, protože až do nedávné doby byla prakticky nerealizovatelná představa měnící se hustoty v rámci jednoho dílu z jednoho materiálu.

S příchodem aditivních technologií jako způsobu, jak vyrábět mikroprutové struktury, se ovšem situace změnila. Pokud jsme totiž schopni měnit parametry u jednotlivých buněk mikroprutové struktury (např. průměr prutů u BCC buňky), dostaneme buňky s různým poměrem zastoupení objemu materiálu, který se dá interpretovat jako různá hustota. Poté lze navrhnout díl, který je složen pouze z buněk mikroprutové struktury o různých objemových poměrech, a tím pádem se hustota v díle gradientně mění. Takto navržené díly mají předpoklad být tuhé a zároveň extrémně lehké.

Optimalizaci za použití pouze mikroprutových struktur v současné době nabízí Optistruct (potažmo Inspire), nTopology a nově poslední verze Ansys Workbench.
Pokud se spojí objemová optimalizace s tou mikroprutovou, vznikne díl s tzv. hybridním designem. Jsou zde možné dva přístupy. První možnost zahrnuje návrh objemové části buď topologickou optimalizací, nebo tradičními postupy, a mikroprutová struktura je použita jako přídavná výztuž. U druhého přístupu je z objemové části odebrán materiál a je nahrazen mikroprutovou strukturou, která zde slouží jako odlehčení. Tuto možnost optimalizace nabízejí stejné softwary jako výše zmíněnou mikroprutovou.

Díly s mikroprutovou strukturou mají potenciál využití ve třech základních oblastech: extrémně lehké díly pro kosmonautiku, letectví nebo motorsport

Existuje řada průmyslových odvětví, kde je největší důraz kladen na hmotnost dílů, protože každý gram hmoty je vyvažován litry paliva, potažmo drahocennými sekundami na okruhu. V těchto oblastech se topologická optimalizace uplatňuje nejvíce a použití mikroprutových struktur může být další krok. Hlavně ve vesmírných aplikacích mohou mít široké uplatnění jako držáky různých součástí na satelitech. Výhodou může být právě prutová konstrukce, která by měla být minimálně statisticky (menší zaplnění prostoru) méně náchylná k poškození malými částicemi, které se pohybují kosmem v blízkosti Země. Pokud už by nějaké z prutů byly zasaženy a porušeny, tak struktura okolo přebere zatížení a držák může bez dalších komplikací pokračovat v plnění své funkce.

Lidská kost je tvořena tkání s různou, ale přesně definovanou porézností. Každá její část má jinou úlohu v mechanismu kosti, její výživě a regeneraci. Při použití gradientně strukturovaných implantátů se lze přiblížit vlastnostem kosti v jejích jednotlivých částech a tím věrně napodobit její strukturu. Nedochází tedy k velkým skokům v tuhosti mezi kostí a implantátem. Navíc je umožněno lepší propojení implantátu s okolními tkáněmi, a pokud se použijí biodegradabilní materiály, jako například některé hořčíkové slitiny, pak je zlepšena i regenerace celé oblasti.

Nejen v automobilovém průmyslu se používají součásti, které mají díky řízené deformaci pohltit energii, a tím ztlumit náraz. V současné době se používají kovové pěny, u kterých se při znalosti jejich relativní hustoty dá předpovědět jejich deformační chování. Vnitřní struktura pěn je ovšem zčásti nahodilá a přesné řízení její struktury je obtížné. Při použití aditivních technologií a mikroprutových struktur s konkrétně definovanou strukturou lze chování při deformacích věrněji popsat a modelovat. Zároveň lze hustotu absorbéru velice efektivně měnit díky změně geometrie prutů. Mohou tak vznikat komponenty s přesně definovanou absorpcí energie.

Jakékoliv větší využití mikroprutových struktur je ale v současnosti stále ve fázi prototypů, technologických demonstrátorů a projektů aplikovaného výzkumu. I u zde zmíněných oblastí s momentálně největším potenciálem je to spíše rarita než standard. U firem stále panuje spíše obava z použití takovýchto dílů, které na první pohled působí velmi subtilně a samozřejmě nemají pouze výhody. Mezi ty největší zápory, které brzdí jejich větší použití, patří prozatím složitější modelování, obrovská výpočetní náročnost při pevnostních simulacích a nejistoty spojené s kvalitou aditivní výroby. Na všech těchto frontách ovšem probíhá intenzivní vědecký a průmyslový výzkum, který se snaží posunout tuto oblast návrhu do širšího povědomí a použití tak, abychom se s takovými díly setkávali v budoucnosti častěji. Věřím, že rychlý vývoj aditivních technologií, kterého jsme v současnosti svědky, brzy naplno využije potenciál strukturovaných dílů.

VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav konstruování

Ing. Ondřej Vaverka

Ondrej.Vaverka@vut.cz

http://www.ustavkonstruovani.cz/