Бионический (генеративный) дизайн и аддитивное производство
Что это?
Бионический (топонимический, генеративный) дизайн — способ проектирования различных объектов, при котором для снижения веса и увеличения прочности применяются отличные от традиционных решения.
Внешне объекты, произведенные подобным образом, отличаются от обычных техногенных изделий. Они имеют выраженные черты, присущие, например, растениям, имитируют строение конечностей или костей. Именно поэтому такой способ проектирования часто называют бионическим дизайном.
Другой термин, «генеративный дизайн», используется в связи с тем, что геометрия подобных конструкций автоматически рассчитывается («генерируется») в специальном программном обеспечении. Программные комплексы, предназначенные для создания бионических конструкций, перечислены ниже.
Зачем нужен бионический дизайн?
Главная задача бионического дизайна — снижение веса объекта при сохранении (или увеличении) исходной прочности. Именно поэтому такие решения чаще используют в сферах, где важно сэкономить каждый грамм: космические аппараты, авиастроение, инновационное машиностроение.
Другая смежная задача — экономия дорогих материалов (сложные сплавы, редкие металлы). Бионический подход в проектировании позволяет некоторым компаниям тратить на 30-50% меньше материала, что положительно влияет на цену и прибыль.
| Оригинальный дизайн | Бионический дизайн |
 |
 |
| 330 г | 195 г |
| Экономия 135 г (41%) |
Бионический дизайн и 3D-печать
Создание конструкций на основе генеративного проектирования в большинстве случаев возможно только с помощью аддитивных технологий. Дело в том, что традиционные методы производства не в состоянии реализовать проекты со сложной структурой нестандартных элементов, которую предлагает бионический дизайн.
С помощью 3D-печати можно изготовить элементы с любыми толщинами, искривлениями, полостям, сетчатой и ячеистой структурами. К тому же послойное построение придает бионическим объектам еще большую прочность и устойчивость к нагрузкам.
Наиболее популярными технологиями 3D-печати, применяемыми для изготовления объектов с бионическим дизайном, являются селективное лазерное плавление металлических порошков (SLM) и селективное лазерное спекание полиамидных порошков (SLS).
Примеры использования бионического дизайна
Airbus и Autodesk
Авиационный гигант Airbus и производитель программного обеспечения для проектирования Autodesk совместно реализуют уникальный проект по снижению веса отдельных элементов гражданских самолетов. В частности партнеры модернизировали дизайн один из элементов салона лайнера Airbus A320 — перегородку между пассажирским салоном и отсеком бортпроводников.
Это обычная на первый взгляд стенка внутри самолета, к которой крепятся откидные сидения, которыми пользуются члены экипажа во время полета. Однако этот элемент конструкции должен быть очень прочным, что делает его вес при производстве традиционными методами высоким.
Airbus и Autodesk совместно разработали новую структуру для перегородки. В ее основе — своеобразная сеть из металлических частей, геометрия которых рассчитана в специальном софте Autodesk с учетом прочностных требований к конструкции. Конструкция была изготовлена по частям с помощью технологии селективного лазерного плавления порошков. Материал — сплав Scalmalloy.
Бионический дизайн этого элемента позволил сделать его на 45% легче, при сохранении той же прочности. Теперь Airbus планирует распространять полученный опыт внедрения генеративного проектирования на другие конструктивные элементы самолетов, снижая их общий вес.
Toyota
Автоконцерн Toyota и ведущий производитель программного обеспечения для 3D-печати компания Materialise совместно разработали прототип суперлегкого автомобильного кресла с необычной структурой. При его проектировании были применены принципы бионического дизайна и топонимической оптимизации. Это позволило распределить материал особым образом: там, где нагрузка высока, расположены участки максимальной плотности (речь идет о макроскопической плотности эффективного материала в представительном элементе объема решетчатой структуры) и наоборот.
Данные о плотности были визуализированы с помощью различных цветов в ПО Materialise. Затем участки с низкой нагрузкой заполнили решетчатыми структурами, которые позволили снизить вес и сохранить общую прочность конструкции кресла. Кроме того, такая фактура обеспечивает дополнительный комфорт для водителя, улучшая теплообмен.
Прототип кресла был изготовлен с помощью технологии селективного спекания порошка (SLS). Вес готового изделия уменьшился на 72% (7 кг вместо 25) по сравнению с серийным традиционным образцом. Теплоемкость снизилась с 35,4 до 14,5 Дж/к.
Блок двигателя
В этом примере мы видим один из блоков двигателя внутреннего сгорания, в котором происходит объединение двух трубок в одну. Традиционно этот элемент изготавливается следующим образом: в цельном куске металла с одной стороны просверливаются два отверстия таким образом, чтобы соединиться с отверстием большего диаметра, просверливаемым с другой стороны.
Там, где трубы соединятся, поток жидкости будет встречать препятствие, так как соединение образует прямой угол. Скорость прохождения жидкости будет снижена. Это негативно влияет на общее давление и долговечность узлов.
Поэтому первая задача, с которой нужно было справиться генеративному дизайну, — обеспечить плавное течение жидкости по трубкам с одинаковым диаметром. Плавные повороты и возможность регулирования диаметра трубок решили эту задачу.
Другая задача — снизить вес при том, что блок должен оставаться очень прочным, чтобы выдерживать ассиметричную нагрузку на верхнюю и нижние грани. Итоговый вариант был изготовлен с использованием технологии селективного лазерного плавления из нержавеющей стали.
Программное обеспечение для бионического проектирования
Autodesk Within — программный комплекс, призванный помочь в проектировании объектов с оптимизированным для облегчения веса дизайном, создания решетчатых структур, расчета прочности. Специально для 3D-печати.
Altair OptiStruct — компьютерная технология топологической оптимизации проектов и разработки сложных ячеистых/решетчатых структур для 3D-печати. Входит в программный комплекс Altair HyperWorks.
OptiStruct позволяет проводить анализ напряженно-деформированного состояния решетчатых структур, анализ на растяжение-сжатие, сдвиг, изгиб, кручение, оценивать усталостные характеристики. С помощью этой программы инженер может определить наилучшее распределение материала и самые эффективные зоны для построения решетчатых/ячеистых структур. Система сама определяет, где в конструкции нужен плотный материал, где ячеистый, а где можно обойтись без укрепления.
