创成式设计支持的随形冷却模具冷却管路自动化设计

创成式设计(Generative Design)是通过编写算法和程序来设计的过程,是一个人机交互、自我创新的过程,具体来说由设计师选择生成模型的策略、编写算法,以人机交互的参数化建模,根据客观的设计目标,结合仿真、优化方法,直到获得最优化的设计。

注射成型对于大量生产形状复杂的塑料产品是必不可少的加工工艺。而为了注塑过程中更好的冷却效果,靠近模具表面的随形冷却通道是设计上的难点之一。由熟练的设计者开发出优良的冷却系统是重要的。值得欣喜的是,智能化的设计工具正在取代人工设计过程,在这方面,欧特克大学日本近日通过创成式设计实现了随形冷却模具冷却管路的自动化设计。

创成式设计支持的随形冷却模具冷却管路自动化设计

来源:欧特克

人类难以实现的设计

松下公司利用LUMEX Avance-25混合3D金属打印机进行模具制造。传统的模具内冷却通道是通过二次加工来实现的。通过交叉钻孔产生创造管直线的内部网络,通过内置流体插头来调整流速和方向。3D打印制造使得模具制造商摆脱了交叉钻孔的限制。

创成式设计支持的随形冷却模具冷却管路自动化设计

来源:欧特克

现在,可以设计内部通道更靠近模具的冷却表面,并具有平滑的角落,更快的流量,增加热量转移到冷却液的效率。还可以根据冷却要求设计不同的冷却回路,旨在以一致的速度进行散热,以促进散热的均匀性。松下公司通过随形冷却,与使用通过钻孔形成的直管的常规方法相比,冷却时间减少了约20%。

不过令人印象深刻的是,松下公司的随形冷却通道是通过智能化的软件工具实现的,通过结构分析,创成式设计可以平滑地创造出人类无法想象的形状。与拓扑优化相比,设计者发现拓扑优化只能为给定条件提供一种解决方案,并且很难使最终的形状平滑。相反,创成式设计可以实现平滑的形状。

创成式设计支持的随形冷却模具冷却管路自动化设计

来源:欧特克

在通过创成式设计软件进行自动设计的过程中,冷却管道的形状随着计算而改变,并且仅在必要的部分出现管道的形状。另外,还出现管道在中途分支的独特形状。这让设计师对这样的从未见过的形状感到惊讶,创成式设计中呈现的所有形状都不是日常中能想到的。

当然创成式设计带了的是许多设计结果,需要通过Autodesk Moldflow的模流仿真软件来提高设计完整性,而不是仅仅依靠设计师的技能。

3D科学谷Review

乔布斯(Steve Jobs) 曾经说过,21世纪最好的创新是将生物学与技术相交叉。

工业制造领域中有很多零部件或机械的设计都是从生物学中得到的灵感,比如说潜艇的设计是从海豚体形或皮肤结构中得到的灵感….这样的例子在工业领域还有很多很多。

那么,为什么我们需要将生物学的概念引入制造中呢?大自然创造的生物结构巧妙而复杂,人们如何将这些大自然的作品“复制”到工业制造中呢?日益发展的智能化设计软件与3D打印技术为我们提供了一条创造仿生结构的捷径。

当前在3D打印领域,提到最多的可能是拓扑优化,而不是创成式设计。虽然很多场合二者都是混为一谈的,但细究起来创成式设计(Generative Design)是根据一些起始参数通过迭代并调整来找到一个(优化)模型。拓扑优化(Topology Optimization)是对给定的模型进行分析,常见的是根据边界条件进行有限元分析,然后对模型变形或删减来进行优化。

创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比,可以模仿自然结构发展的方式,创造出最强大的结构,同时最大限度地减少材料的使用。

例如,人体骨骼具有复杂的内部和外部特征,由硬质外皮(骨皮质)骨形成刚性外层,但还需要允许血管这样脆弱的组织穿过骨骼内部的蜂窝状结构。这种蜂窝材料由胶原纤维组成,具有令人难以置信的抗拉强度和抗压强度。因此,蜂窝结构已经被大量需要轻量化的结构所采用,从飞机涡轮叶片到生活中不起眼的纸板箱中。在所有这些应用中,蜂窝使得零件更坚固和更轻。

创成式设计是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图,通过”创成式”系统,生成潜在的可行性设计方案的几何模型,然后进行综合对比,筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。

通俗理解创成式设计是一种通过设计软件中的算法自动生成艺术品、建筑模型、产品模型的设计方法。创成式设计是一种参数化建模方式,在设计的过程中,当设计师输入产品参数之后,算法将自动进行调整判断,直到获得最优化的设计。目前比较著名的创成式设计软件包括欧特克的Within,欧特克的Dreamcatcher,西门子的Solid Edge ST10等。

创成式设计将激发设计师通过手动建模不易获得的思想灵感,创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。3D打印技术由于可以将复杂的设计转化为现实,注定已成为创成式设计的“好伙伴”。

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