Главная / Методы, позволяющие создавать более лучшие материалы
22.10.2015 |
|
 Представьте себе стол с извилистыми ножками, напоминающий изогнутую форму перевернутого болотного ствола кипариса. Эти плавные ножки могут сделать стол прочнее, и лучше выдерживать груз, складываемый на него.
Исследователи Национальной лаборатории Сандии считают, что такие формы органических конструкций, достигнутые на основе технологии, называемой «оптимизацией топологии», может позволить создавать более лучшие детали для систем безопасности и других жизненно важных целей. В сочетании с передовым аддитивным производством, знакомыми большинству людей по 3D печати, это открывает возможности для создания сложных форм, с которыми обычные методы производства не могут справиться. Совмещение технологии также предлагает потенциал для встраивания датчиков или проводки в структуру по мере того, как она образуется или комбинирует части, чтобы сэкономить время и деньги, сокращая количество соединений или других интерфейсов, которые могут быть точками отказа.
Однако прежде чем методы станут широко использоваться, исследователи должны понимать, как создать лучшие формы и гарантированные свойства материала.
Имеются аспекты этого совмещения между аддитивными производством и оптимизации топологии, которые должны быть рассмотрены. Если изготавливать старые детали новым способом, то это позволяет использовать только часть того, что может предоставить аддитивное производство. И если делать новые оптимальные детали без гарантирования качества материала, то они не представляют никакой пользы.
Исследователи Сандии хорошо подходят для решения этой проблемы, так как они имеют опыт в вычислительной механике и инструментах анализа, разработанным инженерными кодами и инструментами моделирования, и также имеют опыт с высокопроизводительными компьютерами. Ученые также имеют опыт в обработке больших объемов данных и знают, как писать и корректировать коды, имея мастерство в материаловедении и историю изобретения технологии аддитивного производства.
Аддитивное производство охватывает методы для создания деталей или целых сборок в пластике, керамике и металле. Исследователи стремятся развивать вычислительные инструменты, которые позволят им сделать шаг к новым видам конструкций и инструментам, которые сделают современные системы автоматизированного проектирования, привлекательными.
Исследователи особенно заинтересованы в передовом металлическом аддитивном процессе, который использует лазер, чтобы расплавить последовательные слои металлического порошка, чтобы построить фигуры. Он имеет потенциал, чтобы сделать компоненты, которые работают лучше и весят меньше. Тем не менее, процесс изменяет микроструктуру материала, что может резко повлиять на его свойства и на то, как полученная деталь работает. Исследователи должны понимать, как экстремальная температура, нагрев и охлаждение влияют на свойства материала.
Крупнейшим барьером для новых материалов является достаточное понимание их свойств, чтобы подтвердить, что они отвечают строгим требованиям для их использования. Обеспечение сертификации и квалификации, является первым, самым непосредственным препятствием, которое необходимо преодолеть.
Важные характеристики материала, такие как прочность или способность противостоять стрессу, зависят от многих вещей, в том числе того, как внутренняя структура материала оказывает влияние на фазовые изменения. В качестве простой аналогии можно привести лед, таящий в вду, а также обратный процесс.
Запчасти должны соответствовать нескольким требований к механической, тепловой или вибрирующей производительности - что особенно важно, когда они предназначены для создания ядерного оружия, спутника или самолета.
Использование аддитивного производства с оптимизацией топологии может позволить несколько частей объединить в одну, экономя материал, устраняя возможные слабые места и необходимость моделирования того, что может произойти в тех интерфейсах.
Добавочное производство также является эффективным для производства низкого объема. Это становится особенно убедительным в начале разработки продукта, потому что частые изменения дизайна могут быть быстро оценены. Эта технология может сэкономить время и деньги при производстве компонентов, так как большинство предметов оснастки не должны быть сертифицированы как фактические детали.
Сертификация материалов, как ожидалось, требует экспериментов, использующих инструменты, чтобы понять, что происходит, а также сложные вычисления, позволяющие убедиться, что свойства материала соответствуют спецификациям. Для точного моделирования исследователи должны определить, что происходит, когда техника укладывает последовательные слои, но им трудно измерить температуру в нижних слоях по мере того, как другие слои образуются на вершине.
Исследователи ничего не могут вставлять в нижние слои, потому что это изменить поведение материала. Симуляторы, направленные на расчет реальных результатов, используют большие компьютеры и могут предсказать температуру в труднодоступных слоев или изучать такие параметры, как распределение частиц по размерам, что было бы трудно и дорого изучить опытами в одиночку. Эксперименты позволяют проверить модель.
Инженерный анализа для прогнозирования оптимальных форм в полной мере получает преимущество от аддитивного производства, но представляет чрезвычайно сложную вычислительную задачу. Статические нагрузки, иногда расположенные на верхней части стола, легко включить. Динамические нагрузки, потому случаям, когда кто-то прыгает на стол, не могут быть рассчитаны.
Диагностика может включать в себя тепловую камеру, чтобы узнать о процессе плавления и металлургии. Некоторые исследования использовали оптические камеры, чтобы увидеть, как порошок распределяется в слое и изучить процесс монтажа.
Понимание того, как формируется материал, в конечном итоге может привести к микроструктурам с индивидуальными свойствами.
Таким образом, можно получить различный материал, различные микроструктуры, различные свойства в различных областях, которые могут быть включены как часть процесса проектирования, если его достаточно хорошо понять. В результате проектируется не только геометрия, но и микроструктура создаваемой детали.
Инженеры в настоящее время иногда чрезмерно застраивают, потому что они не уверены в свойствах материала. Тем не менее, оптимизация топологии обеспечивает определенные свойства, следуя спецификациям дизайна.
Исследователи работают над «надежной оптимизацией», позволяющей расчетам вывести форму, которая будет отвечать требованиям неопределенности свойств материала или условиям нагрузки. Такая неопределенность количественно определяет вероятность исходов, когда некоторые аспекты проблемы не известны, и предсказывает результаты в статистическом смысле.
С оптимизацией топологии, инженеры начинают с допустимым пространством - областью, куда подходить деталь – и затем определяют функциональные требования по тому, насколько тяжелой она должна быть, какой материал они хотят использовать, нагрузки и ограничения. Они используют оптимизационные расчеты, чтобы определить, где требуется материал, размещения материалов только там, где он будет использоваться наиболее эффективно, для удовлетворения требований дизайна.
Таким образом, дизайнер больше не фокусируется на создании формы, и вместо этого руководствуется дизайном по требуемой функции, выбирая компромисс между такими требованиями, как, например, жесткостью и способностью проводить тепло. Дизайнеры указвают программе: «вот мои технические требования, создай свой геометрию для меня».
Оптимизация топологии требует инженерные решения и продумывание всей проблемы. Это означает, что дизайнеры должны тщательно определить задачу. Например, если вы не говорите программе об упрочении ног, чтобы стол не двигался, то она добавляет поперечины по полу, чтобы увеличить силу, хотя это также предотвращает стул от скольжения под столом. С оптимизацией топологии, вы получаете то, что вы просили - хотели ли вы этого или нет.
Таким образом, метод требует интерактивного управления. Если инженеры, наблюдающие за формой на экране компьютера, понимают, что они не проставили достаточно информации, они могут остановить программу. Даже если расчеты ведутся в пакетном режиме на очень больших машинах, они все еще могут иметь интерактивный дизайн на этих машинах.
Добавочное производство является инструментом, а не решением, и не будет заменять традиционное производство. Исследователи не собираются напечатать сложную механическую сборки с точной подвижной частью в любое время в ближайшем будущем. Но могут появиться некоторые приложения, где добавочное производство способно предлагать уникальные преимущества.
|
|
