Topologian optimoinnin hyödyntäminen 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa

Abstract

Topologian optimointi on laajasti mekaanisten suunnitteluongelmien ratkaisemiseen käytetty menetelmä, mutta se on levinnyt myös muille tieteenaloille, kuten akustiikkaan ja nesteisiin. Topologian optimoinnin tarkoitus on löytää halutulle rakenteelle optimaalinen materiaalijakauma annetuilla reunaehdoilla ja tavoitteilla. Optimoinnin tavoitteita voi olla esimerkiksi rakenteen jäykkyys tai massan vähentäminen. Rajoitteita optimointiin voi asettaa esimerkiksi määrittämällä rakenteeseen kiinnitysreikiä tai kohtia, joista ei saa poistaa materiaalia. Topologian optimointi on jakautunut useisiin eri osamenetelmiin, joista tiheyspohjaiset menetelmät ovat eniten käytettyjä. Tiheyspohjaiset menetelmät perustuvat siihen, että optimoitava rakenne jaetaan äärelliseen määrään elementtejä, joiden tiheysmuuttujat saavat arvoja 0 (tyhjä) ja 1 (kiinteä) välillä. Topologisesti optimoidut rakenteet ovat usein niin monimutkaisia, että niitä on sellaisenaan haastavaa ja kallista valmistaa ilman muutoksia rakenteeseen. Tästä syystä materiaalia lisäävää valmistusta pidetään potentiaalisena valmistusmenetelmänä topologisesti optimoiduille kappaleille. Materiaalia lisäävien valmistusmenetelmien perusperiaate on se, että kappale rakentuu tietokoneohjelmalla luodun 3D-mallin pohjalta kerros kerrokselta tulostusalustalle. Tämä kerroksittain valmistaminen mahdollistaa valmistettavalle kappaleelle erittäin vapaan muotoilun, jonka vuoksi haastavatkin rakenteet ovat usein mahdollista valmistaa materiaalia lisäävin valmistusmenetelmin. Työssä tutkitaan, miten topologian optimointia voidaan hyödyntää 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa, jotta materiaalia kuluu vähemmän kappaleen valmistamiseen. Työssä käydään aluksi läpi topologian optimoinnin perusteita ja esitetään tiheyspohjaisten menetelmien matemaattista taustaa. Topologian optimoinnin lisäksi työssä tutkitaan kirjallisuuden avulla 3D-tulostusta ja sen hyötyjä sekä tulostuksessa tarvittavia tukirakenteita. Kirjallisuuskatsauksen jälkeen työssä hyödynnetään topologian optimointia kuuloketelineen suunnittelussa. Kuuloketelineen optimoinnin tavoitteena on vähentää alkuperäisen karkeasti suunnitellun telineen massaa mahdollisimman paljon. Optimoinnissa hyödynnetään SolidWorks-ohjelmistoa ja sieltä löytyviä Static- ja Topology study -työkaluja. Optimoinnin jälkeen lopullisesta rakenteesta tulostetaan muovinen prototyyppi, jolla varmistetaan kuuloketelineen käytettävyys. Tulostusprosessissa tutkitaan, miten tulostusorientaatio ja erilaiset tukirakenteet voivat vaikuttaa kappaleen tulostamisessa kuluvaan materiaaliin ja aikaan. Alkuperäisestä karkeasti suunnitellusta kuuloketelineestä onnistuttiin poistamaan noin 61,0 % alkuperäisestä massasta topologian optimoinnin avulla. Lopullisen kuuloketelineen varmuuskertoimeksi tuli 118, eli telineestä olisi mahdollista poistaa vielä enemmän materiaalia, kun optimoinnin rajoitteet määritellään tarkemmin. Topologian optimoinnin lisäksi tutkittiin, missä asennossa ja minkälaisilla tukirakenteilla kappale kannattaisi valmistaa. Tehtyjen testien perusteella tulostusasennoksi valittiin kyljellään tulostus ja tukirakenteeksi valikoitui perinteinen suoraseinäinen tukirakenne, koska sillä saavutettiin pienin materiaalinkulutus sekä tulostusaika.