Topologian optimointi ja prototyypin valmistaminen kaiuttimen kannattimelle

Abstract

Tämän työn tavoitteena on hyödyntää topologian optimointia suunnittelutyökaluna kaiuttimen seinäkannattimen suunnittelussa sekä 3D-tulostaa prototyyppi lopullisesta kannattimen mallista. Lisäksi työn tavoitteena on perehtyä SIMP-menetelmän teoriaan, joka on yksi tapa ohjata topologian optimointia haluttuun lopputulokseen. Topologian optimoinnin avulla saadaan vaihtoehtoinen kevyempi ja geometrialtaan erilainen rakenne verraten alkuperäisesti suunniteltuun. Tämä onnistuu poistamalla materiaalia alueilta, joissa materiaalin poisto on sallittua suunnittelurajoitusten ja reunaehtojen mukaisesti. Materiaalin poiston jälkeinen topologian optimoinnin rakenne täyttää edelleen sille annetut lujuuden vaatimukset. Materiaalin poistolla saavutetaan myös edullisemmat materiaalikustannukset. SIMP-menetelmä perustuu tiheyspohjaiseen topologian optimointiin. Sen pääperiaate pohjautuu elementtimenetelmään, jossa rakenne jaetaan hyvin moneen elementtiin. Jokainen elementti sisältää tiheysarvon, jolle määritellään arvoja 0:n ja 1:n väliltä. 0 vastaa elementtiä, jossa materiaalia ei esiinny ja arvo 1 vuorostaan täysin kiinteää materiaalia elementissä. SIMP-menetelmään kytketty Power law -tekniikka ohjaa kauimmaisia arvoja 0:sta ja 1:stä lähemmäksi näitä. Power law -tekniikan avulla topologian optimoinnin tulosta saadaankin selkeytettyä, kun rakenteessa rajoitetaan elementtejä, joidenka tiheys on esimerkiksi neljäsosan alkuperäisen materiaalin tiheydestä. Alkuperäiselle kannattimelle suoritetun topologian optimoinnin ja uudelleensuunnittelun avulla kannattimen massa pieneni 73 prosenttia. Lopullisesta mallista valmistettiin muovinen prototyyppi onnistuneesti 3D-tulostimella. Prototyypin avulla varmistuttiin kannattimen toimivuudesta ja lopullinen malli olisikin valmis valmistettavaksi myös alumiinista. Topologian optimoinnin tulokset johtavat useimmissa tapauksissa monimutkaisiin rakenteisiin. Tällaisten rakenteiden valmistus tuottaa haasteita valmiin kappaleen valmistuksessa, jos topologian optimoinnin yhteydessä ei käytetä valmistukseen liittyviä lisärajoituksia. Monimutkaisimpien rakenteiden valmistamiseen parhaaksi valmistusmenetelmäksi on kuitenkin valikoitunut 3D-tulostaminen, varsinkin kun valmistettavien kappaleiden lukumäärää on pieni. Tämän vuoksi prototyypin lisäksi myös lopullisten valmistettavien kannattimien valmistustavaksi on valittu 3D-tulostaminen.