Optimering og 3D-print skaber ‘umulige strukturer’
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
By signing up, you agree to our Terms & Conditions and agree that Teknologiens Mediehus and the IDA Group may occasionally contact you regarding events, analyzes, news, offers, etc. by telephone, SMS and email. Newsletters and emails from Teknologiens Mediehus may contain marketing from marketing partners.

Optimering og 3D-print skaber ‘umulige strukturer’

Illustration: David de Jong/Arup

1.600 stålknuder med 1.200 designvariationer. Hver eneste skåret og svejset i hånden. Det må da kunne gøres enklere, tænkte senior designer Salomé Galjaard fra rådgiverfirmaet Arup for et par år siden, da hun var involveret i et projekt med en kompliceret struktur til gade­belysning.

Tanken resulterede i, at Arup gennemførte et forsøg med såkaldt topologioptimering og 3D-fremstilling af stålknuderne – og forsøget viste, at det i dén grad kunne gøres enklere.

Topologioptimering er en mate­matisk metode til optimering af massefordelingen i forhold til styrken af et produkt og har været i en rivende udvikling de seneste 25 år. Udbredelsen af 3D-print har så givet metoden et sidste skub fremad, forklarer professor Ole Sigmund fra Institut for Mekanisk Teknologi på DTU, som har forsket i og videreudviklet topologioptimering, siden han lavede sin ph.d. i midthalvfemserne.

»Vi har i topologioptimering altid lidt under, at man får komplicerede geometrier og har fået spørgsmål til, hvordan man laver støbeforme til dem,« fortæller han.

Og det er her, 3D-print kommer som en gave. 3D-print kan nemlig skabe de nye og usete tredimen­sionelle komplekse strukturer, som topologioptimering resulterer i, og teknologien er i dag tilgængelig for mange flere, end den har været tidligere, forklarer Ole Sigmund.

Han er netop vendt hjem fra verdenskongressen for strukturel og multidisciplinær optimering i Australien, hvor omkring ti procent af publikationerne handlede om kombinationen af topologio­ptimering og 3D-print. Ved kongressen i 2013 var der ingen publikationer med den kombination.

Usete og komplekse strukturer

Topologioptimeringen i Arup-casen førte netop til en kompleks 3D-struktur, som ikke kan skæres eller fræses ud og er ifølge Ole Sigmund derfor et godt eksempel på, hvordan de to teknologier kan spille sammen.

Da Salomé Galjaard og hendes kolleger fra Arup havde produceret det første topologioptimerede og 3D-printede knudepunkt i 2014, vidste de nemlig med det samme, at det kunne gøres endnu bedre. De havde taget et isoleret system bestående af ét knudepunkt fra den totale struktur for at kunne overskue problemstillingen. Men nu opstod mange nye spørgsmål.

Hvad ville der ske i den overordnede struktur, når alle 1.600 knude­punkter blev 50 procent lettere? Hvad ville der ske, hvis andre funktioner blev inkorporeret i knudepunktet? Det viste sig, at de lettere knudepunkter sænkede spænding og kompression mellem knudepunkterne med 20 procent, hvilket muliggjorde, at vægten af disse strukturer kunne reduceres.

Den sidste udgave af knudepunktet var designet, så gaffelgevind, split og strammere kunne erstattes af enklere konstruktion med gevind og to bolte. (Foto: David Galjaard/Arup) Illustration: David Galjaard/Arup

Samtidig fandt de ud af, at de kunne vende koblingen til resten af systemet og erstatte gaffelkobling med split og strammere med et gevind og to bolte. Den løsning fjernede 15.000 dele fra den samlede struktur, hvilket ville gøre strukturen mindre kompliceret og mindre tidskrævende at bygge, forklarer hun.

Resultatet blev, at den anden version ud over den visuelle forskel kun vejer 25 procent af det oprindelige knudepunkt, og at den overordnede lampe vejer 50 procent mindre end den oprindelige, fortæller hun.

Resten kan autogenereres

Det optimerede knudepunkt er blot ét ud af de 1.600 knudepunkter i strukturen, så en tilsvarende optimering er nødvendig for de resterende 1.599 knudpunkter. Computerberegninger kan være med til at optimere designet for hvert knudepunkt, nu de har en algoritme for ét af knudepunkterne. Man skal blot tilføje nye grænseværdier for de enkelte cases, forklarer Salomé Galjaard.

Det er derfor ikke computerberegningerne, men derimod overførslen af det topologioptimerede design til et producerbart design ind i en CAD-fil, som er en af udfordringerne ved at gå videre med projektet.

Da gruppen tog den første topologioptimerede struktur med til en 3D-printer, fik de nemlig at vide, at deres design ikke umiddelbart kunne printes.

De måtte derfor tilbage og oversætte topologioptimeringen til et printbart produkt og tegne strukturen ind i CAD. Det skyldes, at filformaterne var forskellige, men også 3D-printerens begrænsninger spillede ind, fortæller Salomé Galjaard og tilføjer, at der fortsat er brug for ingeniører til blandt andet at sætte designkrav, optimere beregningen og omdanne topologiske geo­metrier til producerbare designs.

De 1.600 stålknude­punkter skulle indgå i en såkaldt tensegritystruktur, der blev designet som gadebelysning i Holland. Tensegrity er et strukturelt princip baseret på anvendelse af isolerede komponenter i kompression og spænding. (Illustration: Studio i2) Illustration: Studio i2

Mere end en slankekur

Hvor forskningen i Ole Sigmunds gruppe tidligere handlede om at lave computeralgoritmer, som kunne materialefordele i forhold til at opnå lettere strukturer med høj styrke, har algoritmerne i dag udviklet sig til også at medtage begrænsninger i forhold til fremstillingsmetoder – dog uden at gå på kompromis med optimeringen.

Ud over at arbejde med produkter, hvor vægt reduceres, som i eksemplet fra Arup, arbejder Ole Sigmund og andre topologiforskere også på at finde strukturer, som er optimeret i forhold til andre egenskaber end det, som kommercielt set er fokus, nemlig at reducere materialeanvendelsen til fly og biler.

Algoritmerne er matematik, og det er derfor muligt at indsætte andre parametre og designkrav. Derfor arbejder gruppen i dag inden for et bredt udsnit af ideer som for eksempel udvikling strukturer for materialer med særlige egenskaber som at stoppe eller øge ledningsevnen, varmetransporten eller lysudbredelsen. Materialer, som ikke ville kunne konstrueres uden moderne teknologier som 3D-print og teknikker fra produktion af computerchips.

Ole Sigmund tilføjer, at i øjeblikket lever 3D-printningen højt på, at det ser så fancy ud, men i realiteten er de flotteste strukturer ikke altid de bedste. Når strukturerne optimeres, vil de få en struktur lidt ligesom en knogle. De er lukkede udenpå, men afhængigt af, hvor du er i knoglen, har du en mere lukket eller åben struktur.

Derfor vil topologioptimerede og 3D-printede produkter ofte se kedelige ud – selvom de har enestående egenskaber.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Overskriften fængede for hvordan i alverden kan optimering og 3D print skabe "umulige strukturer"? Det viste sig så at der var tale om umulige konstruktioner. Venligst tal og skriv dansk! "Undersættelser" af engelsk fremmer ikke forståelsen!

  • 2
  • 10

Overskriften fejler ingenting;

Struktur: "genstand, del eller fænomen med en særlig opbygning eller form", ordnet.dk - Den Danske Ordbog

"Ingeniøren"´s formål "fokus er på udviklingen indenfor teknologi og naturvidenskab sat i en samfundsmæssig sammenhæng". Og ikke et fagblad for retorikkere, her vil dagblade som Politikken måske falde bedre ind.

  • 9
  • 4

Det er fascinerende at se, hvordan de former der opstår i kompleks matematisk optimering, til forveksling ligner de organiske former, som evolutionens optimering for længst har skabt i naturen.! :)

  • 14
  • 0

Jamen er det ikke næsten vidunderligt, der er brugt utroligt meget tid og regnekraft på at bevise at den letteste tilgang er den praktiske, nemlig at se hvordan naturen opbygger sine former...

Jeg er selv praktiker og kopierer med stolthed ;-)

Nu får jeg sikkert en masse sure smileys fra teroetikere uden humor...

  • 0
  • 0

Umiddelbart, så handler det vel rent faktisk om, at man her kopiere naturens praktik..!

..Når kroppen designer en tilsvarende kompleks struktur, så gør den det vel netop ved, at hver enkelte celler autonomt, måler stress i strukturen.!.. og cellerne, så dele sig, der hvor belastningen kommer over et bestemt niveau. !

Her kopiere vi så naturen ved, at lade en computer udregne stress i hvert enkelt punkt, ned til en komfortabel opløsning, for at nå det samme mål, som naturen opnår ved at reagere på belastning af hver enkelt celle..! ?

  • 0
  • 0