„Nástroje Altair byly klíčové pro úspěch tohoto projektu. Program OptiStruct jsme použili pro topologickou optimalizaci s cílem získat ideální rozmístění materiálu v definovaném návrhovém prostoru výrobku. Pro vyhlazení získané struktury byl použit program OSSmooth. Nástroj 3-matics STL byl také použit k uhlazení výsledné sítě a k vytvoření finálních tvarů, které mohou být už vytištěny. Získaný konečný design byl znovu ověřen programem OptiStruct. Tímto procesem lze spolehlivě navrhnout výrobky určené k 3D tisku.“

Nový přístup plně využívá výhod 3D tisku

Aditivní výroba, více známá jako 3D tisk, nabízí mnoho výhod oproti tradičním výrobním postupům. Tato možnost vytvářet velmi složité geometrie součástí dává návrhářům a konstruktérům tvůrčí svobodu a umožňuje vyrobit design konstrukčně efektivnější a lehčí. Stále více firem v celé řadě průmyslových odvětví se snaží využít výhod 3D tisku. Avšak brzy si uvědomily, že výhod 3D tisku lze plně využít, jen pokud jsou součásti navrhovány tak, aby splňovaly specifické potřeby 3D tisku.

V roce 2015 Technické a výzkumné centrum Finska Ltd (VTT) provedlo výzkum zabývající se realizovatelností aditivní výroby ve Finsku. Projekt byl financován z několika veřejných a soukromých organizací, včetně Tekes (orgán financovaný vládou ve Finsku), VTT a několika menších finských společností.

VTT je přední výzkumná a technologická společnost v severských zemích, s národním mandátem ve Finsku. VTT již 73 let poskytuje odborné znalosti, výzkum na nejvyšší úrovni a řešení založené na vědeckých poznatcích tuzemských i zahraničních zákazníků a partnerů jak v soukromém, tak i veřejném sektoru.

Výzkumníci z VTT vyvíjejí nové inteligentní technologie, vytvářejí inovativní řešení a úzce spolupracují se svými zákazníky, aby vyrobili technologii, která bude přínosem jak pro klienty, tak pro společnost obecně. Projektem 3D tisku ventilového bloku byla pověřena Erin Komi, vědecká pracovnice z VTT.

Erin pracuje s metodou konečných prvků akustických simulací a vytváří akustické modely různých produktů pro zákazníky VTT. V poslední době také začala navrhovat projekty pro 3D tisk, kde se uplatňuje topologická optimalizace a další návrhové metody.

Hledání nejvhodnějšího návrhu pro 3D tisk

Ne každá součást nebo produkt jsou pro 3D tisk vhodné. Záleží to na velikosti, tvaru, konstrukci, ale také na potřebném množství. Ventilový blok je velmi vhodný pro 3D tisk a má vysoký potenciál pro zlepšení hmotnosti a výkonu, je zde i velká konstrukční volnost. Tradičně konstrukce ventilového bloku začíná kovovým odlitkem. Poté, co byl zformován tradičními výrobními postupy do požadovaného tvaru, musí být vyvrtány vnitřní kanály určené pro hydraulické proudění tekutiny. Přesné vrtání těchto kanálů je ale obtížné, protože kanály musejí být v určitých bodech hladké. Problémy se zarovnáním jsou ale často způsobeny tím, že jsou kanály ve své podstatě vrtány „naslepo“. Často se vyvrtávají pomocné otvory, které se sice v konečném výrobku zaslepí, ale přesto mohou být zdrojem netěsností. Využitím optimalizace a 3D tisku inženýři z VTT doufali, že nahradí tento těžkopádný způsob zlepšením konstrukce a výroby vnitřních kanálů bloku a že konečný výrobek bude menší, lehčí a lepší. VTT používá pro navrhování, optimalizaci a analyzování ventilových bloků CAE softwarový balík HyperWorks vyvíjený firmou Altair Engineering. OptiStruct, nástroj pro optimalizaci a konečně-prvkový řešič, byl první volbou pracovníků VTT. „Zvolili jsme přímo OptiStruct,“ řekla Erin Komi. „Používali jsme ho již v minulosti, rozumíme pracovnímu postupu a s výsledky jsme byli spokojeni. Na trhu jsou i jiné dostupné produkty, které vám umožní provést topologickou optimalizaci,“ pokračovala, „ale myslím, že interpretace výsledku, která je mnohem jednodušší s HyperWorks, je velmi důležitá. Flexibilita programu OptiStruct, která umožňuje simulaci odlišných zatížení a nastavení různých okrajových podmínek pro optimalizaci, je velmi užitečná. OptiStruct dává návrhářům velkou svobodu pro důkladné navržení modelu.“

Softwarové nástroje urychlují proces návrhu a řeší problémy

Významnou výhodou pro optimalizaci topologie s nástrojem, jako je OptiStruct, je to, že k navržení komponenty není potřeba CAD model. Jakmile je nadefinován návrhový prostor spolu s návrhovými omezeními, zatížení a další okrajové podmínky, OptiStruct navrhne optimální design. Zákazník VTT zadává okrajové podmínky, jakož i další požadavky na design, například v jaké pozici má být ventil umístěn a které obráběcí tolerance musejí být brány v úvahu. Velikost, poloha a orientace vnitřních kanálů jsou také zvoleny zákazníkem a též část konstrukce, která musí zůstat nezměněna. V tomto případě byl navrhovaným prostorem blok s několika otvory, kde by měly být umístěny spojovací šrouby. Důležitým nástrojem, který pomohl inženýrům z VTT vytvořit optimální design ventilového bloku, byl OSSmooth, jeden z nástrojů OptiStructu pro vytváření tvaru. S OSSmooth může návrhář automaticky přesíťovat návrh a znovu spustit analýzu, aby se ujistil, že všechny počáteční konstrukční požadavky jsou splněny a zátěžové limity nejsou překročeny. V tomto bodě je návrh pouze hrubý model, který má často napěťové špičky, což způsobuje, že model není vhodný pro 3D tisk.

K vyřešení tohoto náročného úkolu inženýři z VTT použili softwarovou aplikaci s názvem 3-maticss STL od Materialise, nabízený v rámci aliance partnerů společnosti Altair. Tato aliance dává zákazníkům HyperWorksu přístup k nástrojům třetích stran v rámci svých stávajících HyperWorks licencí, a to bez dodatečných poplatků. Software 3-maticss STL umožňuje měnit design, přesíťování a vytvoření 3D textury, odlehčit modely a přizpůsobit strukturu, to vše na STK úrovni (stereolitografie). V tomto případě 3-matics STK pomohl změnit optimalizovanou síť na tisknutelný soubor. „O Materialise jsem se dozvěděla přes Altair,“ vysvětluje Komi. „V určitém okamžiku procesu vývoje jsem se snažila připravit model pro tisk pomocí HyperMeshe, ale trvalo mi to několik dní, bylo to velmi těžkopádné a výsledek nebyl zdaleka tak skvělý. Pak jsem se dozvěděla o 3-matics STL a vyzkoušela ho. To, co dříve trvalo několik dní, bylo hotovo během pár hodin a výsledky jsou mnohem lepší. Další výhodou je, že tento nástroj můžeme spustit prostřednictvím našich HyperWorks licencí, takže ani nemusíme investovat do dalšího softwaru.

Optimalizační proces ventilového bloku byl několikrát opakován. V některých oblastech počáteční velikost návrhového prostoru dodaného zákazníkem byla součástí výsledku, se kterým přišla Komi. Pak se ukázalo, že zákazník omezil velikost návrhového prostoru v domnění, že čím bude menší návrhový prostor, tím bude menší výsledný design. To ale nemusí být vždy pravda. Díky benevolentnímu designu, přirozenému proudění sil a napětí návrhář obvykle obdrží nejlepší výsledek optimalizace, včetně nejmenší a nejlehčí konstrukce s maximální tuhostí.

Pro další optimalizaci výkonnosti ventilového bloku Komi pozměnila vedení vnitřních průtokových kanálků. Zpočátku byly tyto kanálky zakrouceny ve tvaru S, kdy v příčném řezu měly kruhový tvar. Pro produkci ventilového bloku aditivní výrobou muselo VTT použít přístroje pracující na principu SLM (selective laser melting). Umístění podpor uvnitř kanálků, což bylo doporučeno, se zdálo být pro tuto metodu téměř nemožné, jelikož kanálky jsou velice malé. Společně se zákazníkem poté VTT přišlo s řešením, kdy byl zachován tvar v příčném řezu, ale vlastní tvar kanálků byl změněn.

Jedním z hlavních cílů projektu bylo vytvoření „pravidel návrhu“ pro metodu SLM. Tyto obsahují pokyny, jako je návrh oválného nebo kosočtverečného tvaru namísto tvaru kruhového, protože tento návrh nepotřebuje podpůrnou konstrukci a výsledkem je komplexní konstrukce, která může být lépe tištěna metodou SLM. Další poznatek, který VTT obdrželo, je, že struktura tisku pod úhlem 45 stupňů vzhledem k základní desce je lepší než pod jinými úhly. Na základě těchto nejlepších zkušebních pravidel návrhu pro SLM tiskárnu mohl VTT stanovit finální „pravidla návrhu“, která byla poté doporučena zákazníkovi.

Optimalizace vytváří menší, lehčí a vylepšený produkt

Výsledek tohoto nového přístupu k návrhu ventilového bloku a jeho produkce byl ohromující: došlo k celkové redukci váhy, velikosti součásti a vylepšení průtoku vnitřními kanálky při dodržení všech požadavků na hodnoty pevnosti a napětí. Hmotnost obdobného bloku vyrobeného tradičními metodami vrtání je odhadována na téměř dvě a půl kila. Nový optimalizovaný 3D tisk ventilového bloku je o 600 g lehčí a dochází k redukci 76 % oproti tradičnímu návrhu a výrobním metodám. Nový proces aditivní výroby má za následek menší množství odpadního materiálu. „Z úspěchu projektu těžil nejen zákazník, Nurmi Cylinders, ale také VTT,“ řekla Komi. „Všichni, kdo se podíleli na projektu, jsou velice potěšeni,“ Komi poznamenala. „Protože to byl veřejný projekt, můžeme otevřeně hovořit o našich výsledcích a cestě, jakou jsme se k těmto řešením dopracovali. Byl to také zajímavý projekt, protože s ventilovým blokem máme dobře definovaný zatěžovací stav, což je důležité při optimalizaci jeho struktury. Optimalizace topologie vedla k opravdu velice zajímavě vypadajícímu, komplexnímu, organickému tvaru. Tento tvar byl velice náročný na tisk a učinil z plánování celého tohoto procesu velice dobrou zkušenost. V detailu musela být zvážena orientace tisku na platformě, eliminována potřeba vnitřních podpěr a mnoho dalších faktorů. Bylo to pro nás velmi poučné zpracovávat 3D tisk,“ pokračovala. „VTT mělo tiskárny pro SLM zhruba rok, a my jsme stále vyvíjeli náš návrhový proces s cílem se poučit, jak by měl cílený 3D tisk vypadat. Mohli jsme vidět výhody 3D tisku v rané fázi návrhu a vzít je v potaz. Projekt nám dal možnost jej úspěšně využít.“

Komi věří, že bez aplikace na topologickou optimalizaci by bylo složité dosáhnout stejného výsledku. Ventilový blok má aktuálně přirozený organický tvar, vytvořený optimalizací v OptiStruct a zjemněný v 3-maticss STL. Při pohledu na počáteční blok materiálu je nepochybné, že by bez použití nástrojů Altair HyperWorks by těžko někdo mohl vytvořit podobný návrh.

„Nástroje Altair byly rozhodující pro úspěch tohoto projektu,“ uvedla Komi. „Potřebujeme OptiStruct pro optimalizaci topologie a pro definování optimálního rozmístění materiálu v našem návrhovém prostoru. Potřebujeme nastroje jako OSSmooth k interpretaci výsledků optimalizace a produkci možného řešení. Dále pak potřebujeme nástroj jako 3-matics STL k vyhlazení výsledné sítě a generování tvaru, který chceme a můžeme tisknout. Na konci budete opět potřebovat OptiStruct k finální analýze vyhlazeného návrhu. Díky tomuto procesu získáte spolehlivý návrh, který je připraven pro tisk.“

O firmě Altair

Altair je zaměřen na vývoj a široké využití technologií simulace pro syntézu a optimalizaci konstrukce, procesů a rozhodnutí k zlepšení podnikové výkonnosti. Společnost je v soukromých rukou a zaměstnává více než 2600 zaměstnanců na celém světě. Altair má hlavní sídlo v Troy, Michigan, USA a provozuje více než 45 kanceláří v 24 zemích světa. Nyní Altair obsluhuje více než 5000 firemních zákazníků z mnoha průmyslových odvětví. Více informací naleznete na www.altair.com.

O programu HyperWorks

HyperWorks je simulační řešení pro malé i velké společnosti, které je zaměřeno na urychlení vývoje a rozhodování. Jakožto jeden z nejkomplexnějších CAE programů s otevřenou architekturou k mání HyperWorks obsahuje/nabízí to nejlepší z hlediska modelování, analýzy, vizualizace i hospodaření s daty v rámci lineárních, nelineárních a optimalizačních úloh. Mimo jiné HyperWorks nabízí řešení pro řadu dalších oblastí jako například proudění tekutin (CFD), či dynamiku mechanických systémů (MBS).
www.altairhyperworks.com