Reduir la mida de les peces, reduir el nombre de peces i reduir el pes de les peces és la recerca incansable de l'aeroespacial, la fabricació d'automòbils i altres camps. Per exemple, cada gram de reducció de pes de l'avió equival a reduir molt el consum de combustible durant el servei. Com a altre exemple, en reduir la mida dels components del satèl·lit, es pot proporcionar més espai per augmentar la potència de la bateria, augmentant així el temps que el satèl·lit pot romandre a l'espai.
Cal tenir en compte que el pes lleuger s'entén generalment com l'eliminació de material d'un component o peça per tal de reduir-ne el pes. Això és el que està passant, i és per això que sovint es fa èmfasi en la "reducció de materials" o la substitució d'alguns materials per altres materials lleugers.
Escollint un material amb una resistència específica més alta, es pot reduir el pes total de la peça. Per exemple, si comparem l'acer inoxidable, l'aliatge d'alumini i l'aliatge de titani, l'aliatge de titani té una resistència específica més alta i pot utilitzar menys material per aconseguir el mateix nivell de rendiment.
Aquest enfocament en els materials, per tant, influeix en el disseny de les peces que reflecteix com els canvis fonamentals de disseny poden ajudar a minimitzar el consum de material i, finalment, reduir el temps de construcció.
Com que el pes lleuger de qualsevol estructura afectarà directament les propietats mecàniques de les peces, la fabricabilitat és un dels factors més importants que afecten el pes lleuger. Podeu tenir el disseny teòric més lleuger i de més rendiment, però si no es pot fabricar, aquest disseny no serveix per a res. esdevenir inútil.
Un altre factor important és el cost de la peça. Si la peça lleugera està mal dissenyada mitjançant l'optimització de la topologia, hi haurà costos addicionals per eliminar estructures de suport excessives i afegir tractaments superficials. D'altra banda, la impressió de gelosies de matriu de punts i estructures TPMS pot augmentar el temps d'impressió 3D, donant lloc a uns costos de fabricació més elevats de la peça.
Els fabricants han estat utilitzant la fabricació additiva durant dues dècades, però és només en els últims anys que la impressió 3D ha vist avenços en peces lleugeres i ha establert noves estratègies de programari per a pes lleuger.
Optimització de topologia i disseny generatiu
Una de les estratègies de programari que s'exploten amb freqüència en termes de pes lleuger és l'optimització de la topologia: la capacitat d'optimització de la topologia, basada en el mètode d'elements finits (FEM) per optimitzar l'assignació de material d'una peça per a objectius de rigidesa o resistència, permet un disseny lleuger de peces. Aquesta estratègia de disseny optimitza la disposició del material dins d'un espai de disseny determinat per a un conjunt determinat de càrregues, condicions de límit i restriccions.
Al mercat, l'optimització de la topologia (optimització de la topologia) i el disseny generatiu (disseny generatiu) solen confondre's en molts casos, però després d'un estudi acurat, el disseny generatiu (disseny generatiu) es basa en alguns paràmetres inicials mitjançant la iteració i l'ajust. Trobeu un model (optimitzat). L'optimització de topologia (Topology Optimization) consisteix a analitzar un model determinat. És comú dur a terme anàlisis d'elements finits basant-se en condicions de contorn, i després deformar o eliminar el model per optimitzar-lo.
El disseny generatiu és un procés d'interacció humà-ordinador i d'autoinnovació. Segons la intenció de disseny de l'entrada, mitjançant el sistema "generatiu", es genera el model geomètric del pla de disseny potencialment factible, i després es compara de manera exhaustiva, i el pla de disseny seleccionat s'envia al dissenyador per a la decisió final.
Comú, el disseny generatiu és un mètode de disseny que genera automàticament obres d'art, models arquitectònics i models de producte mitjançant algorismes del programari de disseny. El disseny generatiu és un mètode de modelització paramètrica. Durant el procés de disseny, després que el dissenyador introdueixi els paràmetres del producte, l'algorisme s'ajustarà i jutjarà automàticament fins a obtenir el disseny òptim.
Estructura plena de gelosia o TPMS
A causa de l'arribada de les tècniques de fabricació additiva, les estructures cel·lulars periòdiques, especialment les superfícies mínimes periòdiques triples (TPMS), han atret un gran interès en la recerca. Un TPMS és essencialment la superfície més petita on la curvatura mitjana de tots els punts és zero. L'estructura del TPMS es pot modelar matemàticament i es pot modelar repetidament en tres direccions. Aquest patró permet que les cèl·lules TPMS creixin en tres direccions mútuament perpendiculars, formant una matriu 3D de cèl·lules TPMS.
TPMS és una superfície mínima periòdica triple (TPMS). Per a aplicacions estructurals, el disseny TPMS presenta una alta relació resistència-pes. Utilitzat conjuntament amb tècniques de fabricació additiva, permet als dissenyadors crear estructures multifuncionals amb propietats d'alta resistència i dissipació de calor.
Omplir estructures amb gelosies o TPMS són enfocaments interessants per explorar en aquest sentit, per exemple, el programari de fabricació additiva Cognitive Design ha creat una gran base de dades d'aquests metamaterials i les seves propietats mecàniques. L'Infill Optimizer, part de Cognitive Additive, col·loca de manera intel·ligent aquestes estructures basades en camins d'estrès, reduint el pes total sense comprometre el rendiment mecànic.
Integració estructural
La integració estructural és una estratègia que requereix una experiència sòlida i la capacitat d'integrar diverses parts en una sola. Si es dissenya correctament, la peça pot oferir una funcionalitat millorada. Per exemple, fa uns anys, Airbus i 3D Systems van desenvolupar el primer filtre de radiofreqüència (RF) imprès en 3D metàl·lic apte per a l'aeronàutica, provat i validat per utilitzar-lo en satèl·lits comercials de telecomunicacions.
Tradicionalment, els filtres de RF es dissenyen utilitzant components estàndard, com ara cavitats rectangulars i seccions transversals de guies d'ona amb corbes verticals, la forma i les connexions dels quals es determinen mitjançant processos estàndard com el fresat i l'electroerosió.
Normalment, la cavitat d'un filtre de RF es mecanitza en dues parts que es cargolen junts, cosa que no només afegeix pes, sinó que també afegeix un pas de muntatge i un procés d'inspecció de qualitat addicional. Utilitzant el programari CST MWS, una eina de simulació electromagnètica 3D, l'equip de 3D Systems va desenvolupar una cavitat el·líptica encastada per guiar el corrent de RF, un disseny que va reduir els costos de producció i va reduir el pes en un 50 per cent.
Una nova solució de programari basada en la intel·ligència artificial permet als enginyers de disseny "programar" algorismes i, d'aquesta manera, els seus dissenys evolucionen i es desenvolupen en productes de formes complexes que es poden fabricar fàcilment mitjançant la fabricació additiva.
Aquesta tendència continuarà, possiblement indefinidament, a mesura que les solucions de programari continuïn evolucionant. De la mateixa manera que l'observació i l'anàlisi de "The Future of Artificial Intelligence and Design - 2017 Design and Artificial Intelligence Report" de Fan Ling del Tongji x Tezan Design and Artificial Intelligence Laboratory: la tendència de la segmentació extrema pel costat de la demanda ha de estar equipat per la intel·ligència artificial pel costat de l'oferta; La tendència en línia/connexió/interacció s'ha anat desenvolupant gradualment des de la informació en línia, les relacions en línia i les coses en línia fins a diverses habilitats en línia, i eventualment estarà en línia del cor i el cervell: intel·ligència artificial/IA; acompanyats d'individus insubstituïbles amb habilitats supersegmentades seguiran sorgint, i s'acabarà l'era de la mediocritat; la futura organització serà una nova organització d'interacció humà/ordinador, i assignaran tasques de manera flexible a talents externs, talents interns o màquines per completar-les automàticament. El mecanisme integra tot el flux de treball de disseny per aconseguir el camí òptim de finalització de la tasca.