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以仿真驱动3D打印设计优化,看看这家公司如何做?

作者:admin   添加时间:2016-10-18 16:55:10   浏览:

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近几年,一些3D打印设计优化的案例频频闯入大众视野:从欧洲航天宇航局(ESA)制造的地球观测卫星天线支架,到空客子公司APWorks制作的世界上第一辆3D打印摩托车;从RBC公司发布的可定制3D打印自行车,到建筑结构公司Arup生产的轻质建筑零部件……在这些案例的背后,3D打印设计优化的“无形之手”都发挥了举足轻重的作用。放眼这一领域,这些项目的参与者Altair(Altair Engineering. Inc.)无疑是其中的佼佼者。

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本期,《3D打印世界》杂志专访了Altair全资子公司solidThinking主席Jim Hassberger先生,与您一起发现仿真优化软件在3D打印设计背后发挥的巨大推力。

三十年创新之路  顺应技术趋势推出新产品

随着更多的企业加入到增材制造领域,不少企业发现,如果使用增材制造来实现传统设计,很可能造成成本增加。只有当产品结构独特并兼顾高性能时,才值得使用增材制造技术实现。如何快速获得材料最省、结构最合理、性能最优的产品?Altair以其31年的仿真优化经验,提出了自己突破性的解决方案。成立于1985年的Altair,是一家专注于仿真优化技术(CAE)开发、并提供各行业应用方案的公司,为全球超过5000家企业客户提供全面的软件和技术服务。

 

 

Altair关注的是将仿真领域中的“拓扑优化”技术引入到结构设计过程中,获得合理的结构布局;而近年来发展逐渐升温的增材制造(3D打印),可将拓扑优化出的设计实际生产出来,并且几乎无需返工。增材制造与仿真优化这种相辅相生的自然特性,让Altair看到了一个新的契机。2008年,Altair成功收购solidThinking,纳为旗下独立子公司。如今,solidThinking重新整合产品线,推出了包括拓扑优化软件solidThinking Inspire、造型设计软件solidThinking Evolve、铸造仿真软件Click2Cast、商业智能平台Envision等一系列软件产品。一路走来,Altair认为这些产品的成功推广,与捕捉“新技术契机”来打开应用创新的做法是分不开的。

“拓扑优化驱动设计”  弥补设计能力与3D打印潜力的鸿沟

基于自身在仿真工程领域的优势以及对3D打印行业的深入理解,Altair推出了独特的增材制造解决方案。

solidThinking Inspire——拓扑优化“勾勒”结构之美

增材制造的优势在于可实现极其复杂的形态,只要产品性能足够合理就可以。但当产品复杂到一定程度,再有经验的工程师也无法人为设计出性能最佳的结构。

 

如何弥补设计能力与3D打印潜力之间的鸿沟?Altair提供了“拓扑优化”技术。这种技术可以在给定负载和边界条件下找到设计空间中的最佳材料分布方式,为设计人员提供最优方案,帮助企业实现产品减重,并缩短研发周期。“在过去二十多年中,Altair的拓扑优化技术已经应用到了众多领域,如汽车、飞机制造、通用机械等行业。” Jim Hassberger先生回忆道。例如空客在开发A320机型时,就将Altair的拓扑优化技术应用于飞机机翼的设计中,获得布局合理的轻量化结构。不过,拓扑优化在对接传统制造时,还要考虑各种约束限制,而如今3D打印技术日趋成熟,完全无需再受限于此。这使得拓扑优化对接3D打印的结合成为必然。

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以前,这种技术通常由CAE工程师所掌握,而如今,Altair希望“让每一位设计者都能使用拓扑优化技术”,因此solidThinking Inspire应运而生。Inspire不仅集成了Altair强大的拓扑优化技术,还非常易学易用,这为那些使用3D打印的人们提供了充分的优势——不用花费大量精力学习复杂的CAE知识,不用投入大量时间学习软件操作,只需短暂培训,即可获得足够合理的3D打印数字模型。同时,Inspire还可以无缝对接设计人员现有的任何CAD软件,促进更高效的设计流程。

 

不久前英国RBC公司发布了可定制3D打印自行车,设计团队就利用了solidThinking Inspire软件:使用Inspire在自行车的每个“钛金属节点”进行优化研究,基于性能要求和骑手的身高、体重、骑行习惯等找到最高效的材料分布,进行定制设计。此外,Inspire还能帮助设计团队有效寻求更为简化的车架零件数量以降低成本。更值得借鉴的是,Altair与全球经验丰富的3D打印设备提供商一起,为客户提供3D打印流程技术的支持和培训。深谙用户需求,凭借一款solidThinking Inspire,Altair可谓把增材制造的潜力发挥到了极致。

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英国RBC公司发布的可定制3D打印自行车,设计团队利用了solidThinking Inspire软件进行优化设计

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使用Inspire对自行车的每个“钛金属节点”进行优化研究

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英国RBC公司通过Inspire 设计的新自行车零件,相较原始设计性能更优且更易于由3D 打印技术实现

solidThinking Evolve——“透视”反馈 高效探索几何造型

进行结构优化后,设计师通常会面对一个问题:如何将优化结果绘制为CAD模型?由于传统CAD系统通常是基于布尔运算的几何实体操作,当一个部件形状过于复杂,就很难用传统的方式实现。“我们希望让设计师专注在推敲造型上,而非浪费更多精力在构建模型上” Jim Hassberger先生说道。基于这一点,Altair在其3D打印解决方案中加入了高效的几何重构环节——solidThinking Evolve。

 

solidThinking Evolve是一个高度融合的三维建模和渲染环境,它能让设计师更高效地对各种设计方案进行评估、研究以及可视化。当与3D打印相结合使用时,设计师可以全方位地观察设计,获得最直观的反馈,从而进一步从传统的建模过程中释放出来,仅基于一个模型快速获得若干设计方案,自由发挥脑海中的创造力。

 

Evolve软件中包含了一种名为PolyNURBS的建模方式,可以无缝对接Inspire,将拓扑优化结果转化成光顺的几何模型用于3D打印。这种方式比起传统的CAD,建模效率更高,更匹配拓扑优化结果。

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基于Inspire 拓扑优化设计的概念机械手臂,并由Evolve 建模及渲染。根据需求进行定制设计,再由增材制造技术实现,未来拥有无限可能

对于这款软件的优势,Jim Hassberger先生引用了RUAG Space 3D打印卫星天线支架项目的例子:

 

“欧洲航空航天行业领先的供应商RUAG Space是Altair的重要合作方。在为欧洲航天宇航局(ESA)设计制造的地球观测卫星天线支架项目中,RUAG Space在利用Altair拓扑优化技术的基础上,还使用了Evolve的PolyNURBS功能重构优化结果,最终使用德国工业级3D打印技术提供商EOS的金属激光烧结技术,将天线支架打印出来。”

 

据了解,在利用拓扑优化获得合理布局后,工程师运用 solidThinking Evolve 进行表面建模,这大幅缩短了交付周期,仅用四周时间即实现了设计定型。新的天线支架重量降低了43%,而且刚度、强度和稳定性比原来更好,极大程度地帮助减少了发射航天器和卫星的成本。

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天线支架长约40cm,是迄今为止利用3D金属打印制造生产的最长部件

Click2Cast——仿真软件“新秀” 5步hold住铸造仿真

solidThinking旗下还有一个名为Click2Cast的铸造仿真软件,通过简单5步实现铸造流程的仿真:输入几何模型→定义浇口→定义工艺参数→运行仿真和优化→铸造最终零件。Click2Cast与Inspire对接使用,为3D打印在铸造领域的应用提供软件解决方案。

获得2015年英国铸造金属联合会(CMF)颁发的“年度零部件”旗舰奖(金属工程领域的奥斯卡)作品——3D打印铝质汽车转向节,就用到了Inspire及Click2Cast。设计人员在Inspire中对模型施加最为严苛的工况,例如硬制动、最大转弯、驾车颠簸等。优化结果与原始设计相比,重量几乎一样,但刚度却显著提升了3-5倍。而使用Click2Cast可避免铸造中易出现的典型缺陷,如空气滞留、孔隙度等。最后,设计人员还通过Click2Cast来仿真整个模具注入过程以及凝固过程,实现最高效的制造,并减少能源、时间和材料的浪费。

 

无论是Inspire 、Evolve还是Click2Cast ,Altair“以仿真优化驱动设计”的理念都渗透其中。它突破了传统设计中“先CAD设计获得3D模型,再CAE分析”的流程,利用CAE的智能优化技术,在产品概念设计阶段就自动确定最佳的几何结构,帮助用户加快设计周期,得到最好的设计概念。

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某铝合金轮架造型设计及打印过程:

1.Inspire拓扑优化

2.Click2Cast铸造仿真

3.最终打印零件

4.Voxeljet 3D打印铸模

设计与工程融合,以3D打印实现!

优秀的设计是3D打印的基础,软件的应用将是3D打印的终极PK。作为一家软件技术提供商,Altair一直关注着3D打印领域,并基于自身的工程优势,为客户提供最佳的设计手段。2016年,Altair还将在全球范围内举办solidThinking CONVERGE2016创新设计大会,关注设计与工程的融合,关注3D打印技术的前沿应用,帮助客户将创新理念落实到真正的产品性能提升中。

 

对于3D打印行业的理解,Jim Hassberger先生说道:“3D打印是从物理样机过渡到直接数字化制造,随着3D打印的速度加快、灵活性增加和成本的降低,现在很多公司都把目标放在寻找适合3D打印特性的零部件上。目前的挑战正是要去制定质量控制的标准,确保零件符合设计要求。”

 

另外,对软件来说,文件格式或许是一个不可绕过的关注点。在采访的尾声,提及对微软旗下推行全新3D打印文件格式的3MF联盟的看法,Jim Hassberger先生有感而发:“.STL文件格式有许多局限性,这是3MF联盟正在试图解决的问题。3MF开放的系统构架允许新的技术和方法的进入,这是我很期待的。其目标是在三维空间中创建一个以数字描述的对象,包括材料属性、颜色、纹理和几何形状,所有这些都可以在一个单一的文件中描述。我们有计划支持3MF文件格式。”

 

面对眼前的成绩,Altair未曾想过止步。他们期望,材料、流程、仿真和建模技术不断向前推进,使得设计师的想法和要求可以很容易地、甚至某些情况下可以自动地转化为最终设计,并且最终设计可以被直接打印出来,成为完善的产品得以应用。届时,这些进步也将不仅限于设计,它会推动诸如智能电子、生物医疗,以及更多领域的蓬勃发展。

 

在从中国制造向中国创造转型的重要阶段,该如何摆脱传统设计流程的束缚?如何真正体现设计价值?这是摆在每一位设计者面前的课题。而Altair公司旗下的solidThinking品牌,正为中国设计者提供全新的创意思路和设计工具。在增材制造的行业潜力背景下,仿真软件将迎来历史性的“大爆发”。

 

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