Nos últimos anos, muitos métodos auxiliados por computador foram desenvolvidos para encontrar a solução ideal para um problema. Essas técnicas inteligentes permitiram que os engenheiros criassem projetos que estavam além do que poderíamos criar manualmente. Um desses métodos é a otimização de topologia.
A otimização de topologia (OT) é um método de projeto auxiliado por computador (CAE – Computer-aided engineering) usado para criar projetos eficientes. Áreas como aeroespacial, engenharia civil, engenharia bioquímica e mecânica usam esse método de forma proativa para criar soluções de projeto inovadoras que superam os projetos manuais.
O que é Otimização de Topologia?
A otimização de topologia é um método numérico usado na parte conceitual de desenvolvimento de projeto. O objetivo deste método é distribuir o material presente de forma mais eficaz sobre o modelo. Ele leva em consideração os limites definidos pelo Engenheiro, a carga aplicada e as limitações de espaço para criar um projeto.
Em termos simples, a otimização de topologia pega um modelo 3D e cria um espaço de projeto. Em seguida, ele remove ou desloca o material dentro dele para tornar o projeto mais eficiente. Ao realizar a distribuição do material, não é levado em consideração a estética ou a facilidade de fabricação.
No mínimo, o método precisa que forneçamos a magnitude do carregamento e as restrições impostas ao elemento. Usando essas informações, o algoritmo de otimização cria um caminho de carga possível usando a quantidade mínima de material.
Depois que um projeto é finalizado, usamos métodos de fabricação aditiva (e às vezes subtrativa) para produzir a peça. Como o nome sugere, na manufatura aditiva (aqui referida como MA), o material é adicionado (por exemplo, impressão 3D) pouco a pouco até que o modelo final esteja completo.
MA é capaz de criar formas e estruturas complexas que podem ser extremamente difíceis de criar usando outros métodos. É por isso que o preferimos para criar produtos complexos que surgem após a otimização.
Às vezes, no entanto, o design sugerido pela otimização de topologia é muito complexo, mesmo para MA. Em tais situações, fazemos pequenas alterações no design para facilitar sua fabricação.
Como funciona?
A otimização da topologia é realizada em um modelo já existente. Podemos optar por otimizar um componente inteiro ou elementos dele. Essa área de foco é conhecida como espaço de design.
A otimização de topologia usa análise de elementos finitos (MEF) para criar uma malha simples do espaço de design. A malha é analisada para distribuição de tensão e energia de deformação. Isso informa ao sistema sobre a quantidade de carga que as diferentes seções estão carregando.
Embora algumas seções tenham uma distribuição de material ideal, haverá algumas que podem ser eliminadas. Seções com baixa energia de deformação e nível de tensão são marcadas usando o método dos elementos finitos. Uma vez que todas as seções ineficientes dentro do espaço de projeto são identificadas, o software gradualmente remove o material.
Durante esse processo de redução de massa, o sistema também verificará o quanto a estrutura geral é afetada pelo processo de remoção. Se o processo de remoção comprometer sua integridade, o processo é interrompido e o material naquela região é colocado de volta.
Antes de executar o algoritmo OT, definimos a quantidade de material que pretendemos remover como uma porcentagem do material total. Por exemplo, podemos definir a porcentagem de redução de material alvo em 50%.
O sistema remove o excesso de material em etapas. Em cada etapa, ele verifica a estrutura quanto aos níveis de estresse, reiterando a distribuição do elemento até atingir a porcentagem alvo.
Benefícios
A otimização de topologia resolve vários desafios ao mesmo tempo. Vamos ver quais vantagens o OT tem a oferecer.
Crie soluções eficazes em termos de custo e peso
O benefício mais atraente da otimização de topologia é sua capacidade de reduzir qualquer peso desnecessário. A otimização do tamanho significa que menos matéria-prima é necessária para fabricação.
O peso extra também afeta negativamente a eficiência energética. As peças vão custar mais para o transporte também. Todas essas vantagens se traduzem diretamente em economias, o que é importante em um mercado competitivo.
Um ótimo exemplo é como a General Electric usou o OT para reduzir o peso de um suporte de motor em 84%. Essa modificação em uma pequena parte economizou para as companhias aéreas quase US$ 31 milhões ao melhorar a eficiência energética geral.
Um processo de design mais rápido
Como as restrições do projeto e as expectativas de desempenho são consideradas nos estágios iniciais da concepção, não leva tanto tempo quanto sem a OT para chegar ao projeto final.
Um processo mais rápido também significa um tempo de colocação no mercado mais curto, o que é especialmente importante para novos produtos em um mercado competitivo.
Sustentabilidade
O OT evita o desperdício indevido de material. O algoritmo é capaz de criar sistemas de construção sustentáveis enquanto ainda está enraizado em uma lógica estrutural sólida. Além disso, como mencionado anteriormente, os produtos topologicamente otimizados economizam combustível por meio da redução de peso.
À medida que a demanda por alternativas sustentáveis aumenta, mais e mais indústrias do setor manufatureiro estão empregando OT devido à sua natureza ecológica.
Desvantagens
Existem alguns problemas de otimização de topologia que devemos conhecer para usá-lo efetivamente. Vamos ver quais são.
Limitações de produção
Os designs que OT apresenta podem ser difíceis de fabricar. Dado que o MA é bastante flexível em termos do que pode fabricar, ainda é necessário verificar a fabricação antes de finalizar o projeto.
Se tentarmos resolver o problema de otimização de topologia pensando apenas na função, é possível que fiquemos aquém da qualidade e eficiência de nossa construção.
Vale a pena notar aqui que alguns fornecedores de software oferecem um recurso chamado restrições de fabricação para OT. Assim, é possível criar peças que só podem ser fabricadas por métodos convencionais.
Alto custo
Ultimamente, o custo da MA diminuiu, mas ainda está um degrau acima dos métodos tradicionais de produção. Precisamos considerar a relação custo-benefício caso a caso.
Para a produção em massa, a criação de moldes de injeção é uma possibilidade. Portanto, podemos ir além da impressão 3D para criar peças plásticas.
Para fabricar alguns componentes, a MA pode ser cara, o que é um impedimento na maioria dos casos, pois o investimento é muito alto. Nesses casos, será mais vantajoso terceirizar a produção para uma empresa de serviços de impressão 3D.
Conclusão
Os avanços na MA nos permitiram criar formas extremamente complexas com relativa facilidade. Para aproveitar ao máximo esses saltos nos recursos de produção, precisamos de tecnologias como otimização de topologia.
OT é ótimo em otimizar projetos. Às vezes, pode parecer um pouco fora de controle, especialmente se você ainda está aprendendo. No entanto, existem muitos fatores que podem ser controlados para controlar o modelo de tal forma a obter um resultado mais favorável.
Alguns desses controles incluem restringir o tamanho do membro no espaço de projeto, exigir simetria sobre os planos ou extrudabilidade do modelo final. Você também pode manipular a porcentagem de remoção de material para controlar a rapidez com que o algoritmo otimizará a peça.
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