Topologie Optimalisatie

Fransiscó werd onlangs gevraagd te onderzoeken of enkele onderdelen van een duurzame meubellijn
konden worden vervaardigt middels 3D printen. De huidige meubellijn bestaat uit houten elementen die
aan elkaar worden verbonden met metalen koppelstukken. Doel is het metaal te vervangen voor
kunststof, waarbij zo min mogelijk materiaal wordt gebruikt.
Om deze materiaalreductie te kunnen realiseren wordt gebruik gemaakt van topologie optimalisatie.
Vanuit het Grieks vertaalt betekent topologie; plaats (topos) en studie (logos). In ons geval: de studie
waar je materiaal plaatst en waar niet.
In deze case bespreken we hoe we materiaalgebruik kunnen verminderen door gebruik te maken van
topologie optimalisatie software.

Solution: 

Voordat deze software aan het werk gezet kan worden, dienen er een aantal voorbereidende stappen te
worden genomen om te komen tot een optimaal ontwerp. Als eerste de lastigste stap; het bepalen van
de mechanische belasting. Het lijkt eenvoudig, maar elke mogelijke belastingcase moet worden
bestudeerd en beschreven.
Vervolgens bepalen we de zogenaamde Design-Space en Non Design-Space. De Design-Space is het
volume dat mag worden geoptimaliseerd. De Non Design-Space daarentegen bepaald welke gebieden
niet mogen worden geoptimaliseerd. Dit kunnen gebieden zijn die nodig zijn voor bijvoorbeeld een
schroefverbinding of omdat het een ondersteuning vormt voor bijvoorbeeld het zitvlak.
Dan het daadwerkelijke optimaliseren. De software, bijvoorbeeld SolidThinking Inspire, deelt de Design-
Space op een kleine elementjes (mesh) en berekend vervolgens aan de hand van de belasting of een
elementje bijdraagt aan de sterkte of stijfheid van het onderdeel. Draagt het bij dan blijft het zitten, draagt
het niet bij dan wordt het verwijderd. Wat na een aantal berekeningen (iteraties) overblijft is een Design-
Space vol gaten en holtes, die in verte lijkt het op een botstructuur. Kan kloppen aangezien het
algoritme achter de software gebaseerd is op bot groei. Het uiteindelijke geoptimaliseerd 3D model laat
eigenlijk zien hoe de krachten door het onderdeel lopen.
De laatste stap is het opschonen en aanbrengen van detaillering aan het ruwe geoptimaliseerde 3D
model. Indien gewenst kan er nog een sterkte berekening worden uitgevoerd.

Result: 

Met behulp van topologie optimalisatie hebben we het metalen koppelstuk kunnen vervangen voor een
lichtgewicht kunststof koppelstuk. De materiaalbesparing zorgt voor lagere materiaalkosten, lagere
productiekosten (snellere productie tijd) en er wordt duurzamer met materiaal omgegaan.
Bijkomend voordeel van 3D printen is de vrijheid in vormgeving voor de ontwerper. Voor deze case is
besloten om de ruwe geoptimaliseerde structuur terug te laten komen in het uiteindelijke ontwerp.
Infofransisco [dot] nl
www.fransisco.nl

Meer over 3d printing