TOPOLOGIAN OPTIMOINTI - OHJELMISTOVERTAILU

Transkriptio

1 TEKNIIKKA JA LIIKENNE TOPOLOGIAN OPTIMOINTI - OHJELMISTOVERTAILU ALVO- PROJEKTI TOIMITTANEET: Esa Hietikko ja Arto Urpilainen

2 TOPOLOGIAN OPTIMOINTI - OHJELMISTOVERTAILU Esa Hietikko Arto Urpilainen - 1 -

3 Savonia-ammattikorkeakoulu Julkaisutoiminta PL 6 (Microkatu 1 B) KUOPIO p f julkaisut@savonia.fi Copyright 2016 tekijät ja Savonia-ammattikorkeakoulu 1. painos Tämän teoksen kopioiminen on tekijänoikeuslain (404/61) ja tekijänoikeusasetuksen (574/95) mukaisesti kielletty lukuun ottamatta Suomen valtion ja Kopiosto ry:n tekemässä sopimuksessa tarkemmin määriteltyä osittaista kopiointia opetustarkoituksiin. Teoksen muunlainen kopiointi tai tallentaminen digitaaliseen muotoon on ehdottomasti kielletty. Teoksen tai sen osan digitaalinen kopioiminen tai muuntelu on ehdottomasti kielletty. ISBN: ISSN-L: ISSN: Savonia-ammattikorkeakoulun julkaisusarja D4/3/2016 Kustantaja: Savonia-ammattikorkeakoulu, ALVO-hanke Taitto: Tapio Aalto - 2 -

4 SISÄLLYS 1 JOHDANTO RAKENTEEN OPTIMOINTI YKSITTÄISEN KAPPALEEN OPTIMOINTI Testikappale FEM-analyysi Optimointi ilman ohjelmistojen apua Optimointi ohjelmistoilla ja uudella rakenteella Uudelleen suunnittelu KOKOONPANON OPTIMOINTI OHJELMISTOJEN OMINAISUUKSIEN JA KÄYTETTÄVYYDEN ARVIOINTI PareToWorks SolidThinking Inspire SIMULIA TOSCA ja ABAQUS AutoDesk Within YHTEENVETO LÄHTEET

5 1 JOHDANTO Perinteisessä insinöörin työssä korostuvat toisaalta tuotteen toiminnallisuus ja toisaalta käytettävissä olevien materiaalien, aihioiden ja valmistusmenetelmien suunnittelulle asettamat rajoitteet. Tavallisesti suunnitteluprosessi etenee niin, että tuotteeseen kuuluvat osat suunnitellaan aluksi reunaehtojen pohjalta ja osien käyttökelpoisuus tarkastetaan sen jälkeen esimerkiksi lujuusanalyysillä. Usein rakenteeseen jää kohtia, joissa materiaalia on käytetty turhaan, ts. sillä ei ole toiminnallisuuden tai lujuuden näkökulmista merkitystä. Turhan materiaalin poistaminen ja muutenkin rakenteen optimointi on kuitenkin perinteisin menetelmin työlästä, koska suunnittelu tapahtuu em. synteesianalyysi -kierroksina. Rakenteen optimointia varten on kuitenkin olemassa ohjelmistoja, joissa edellä mainitut kaksi työvaihetta on integroitu siten, että ne tapahtuvat automaattisesti ohjelmiston sisäisenä prosessina. Suunnittelijan tarvitsee vain määritellä kiinnitykset, kuormitukset sekä suunnitteluavaruus, jonka rajoissa optimointi tulee toteuttaa. Ohjelmisto antaa lopputuloksena karkean kuvauksen optimaalisesta muodosta, joka voidaan edelleen tarkentaa suunnittelijan toimesta lopulliseen muotoonsa. Rakenteiden optimointi sopii erityisen hyvin yhteen lisäävän valmistusmenetelmän kanssa, koska se on vapaa valmistusmenetelmä- ja aihiokohtaisista rajoitteista. Optimointia voi kuitenkin hyödyntää myös esimerkiksi valamalla valmistettavien osien ja jopa hitsauskokoonpanojen suunnittelussa. Tässä raportissa kuvataan testit, jotka on toteutettu yksittäisen osan sekä kokoonpanon osalta topologian optimointiin tarkoitetuilla ohjelmistoilla. Testien tarkoituksena ei ole niinkään ollut ohjelmistojen antamien tulosten arviointi ja vertailu vaan paremminkin niiden ominaisuuksien sekä opetus- ja tutkimuskäyttöön soveltuvuuden arviointi painottuen erityisesti opetuskäyttöön. Tämän takia ohjelmistojen arvioinnissa on erityisesti tutkittu helppokäyttöisyyttä ja käytön oppimisen nopeutta. Ohjelmistojen hinta on ollut myös yhtenä merkittävänä arviointikohteena. Testikappaleet ovat fiktiivisiä eikä niistä saatujen optimointituloksien tarkastelu ole ollut tutkimuksen keskiössä, jolloin niiden yleistäminen ei ole aiheellista ja voi johtaa virheellisiin arvioihin

6 Yksittäinen osa on ajateltu valmistaa ainetta lisäävällä valmistuksella eli sen suunnittelussa on otettava huomioon kyseisen valmistusmenetelmän asettamat rajoitteet. Kokoonpano on fiktiivinen hitsattava kokoonpano, joka valmistetaan leikatuista levyistä hitsaamalla

7 2 RAKENTEEN OPTIMOINTI Tuotteiden kehittäjät ja suunnittelijat ovat nykyisin yhä suurempien paineiden alaisena esimerkiksi siksi, että tuotteita pitää saada nopeammin ja halvemmilla kustannuksilla markkinoille. Samalla asiakkaiden tarpeet tulee ottaa entistä paremmin huomioon. Tyypillinen tuotteen kehitysprojekti alkaa yksinkertaistaen piirustuksesta (luonnos, sketsi) ja päättyy piirustukseen (valmistuspiirustus). Näiden kahden piirustuksen välissä tapahtuu paljon. Luonnoksessa esitetty tuote on kyettävä saamaan sellaiseen muotoon, että se voidaan valmistaa ja että se toimii halutulla tavalla tyydyttäen asiakkaan tarpeen. Prosessin aikana joudutaan tekemään paljon päätöksiä ja kompromisseja. Useassa tapauksessa käytetyt raaka-aineet ja valmistusmenetelmät asettavat suuria rajoituksia lopputuotteelle, jolloin periaatteessa suunnittelussa riittää, että nämä rajoitukset otetaan huomioon. Nykyisin on kuitenkin olemassa valmistusmenetelmiä, joissa ei edellä mainittuja rajoituksia ole. Sellainen on esimerkiksi lisäävä valmistus (Additive Manufacturing, AM, 3D-tulostus), jota käytettäessä kappale voidaan muotoilla varsin vapaasti. Perinteisessä suunnitteluprosessissa seuraavat toisiaan synteesi- ja analyysivaiheet. Synteesivaiheessa laaditaan ehdotus kappaleen muodosta, joka sitten analyysivaiheessa tarkastetaan. Useissa tapauksissa kappaleeseen joudutaan tekemään muutoksia analyysin perusteella, mutta joskus kappale hyväksytään jopa sellaisenaan. Synteesivaiheessa on varsin vähän tietoa siitä kuinka optimaalinen valittu muoto on ja analyysivaihettakin käytetään usein aikataulupaineiden vuoksi vain, jotta kyetään varmistumaan siitä, että kappale toimii halutulla tavalla. Mutta toimiiko se optimaalisesti, jää useassa tapauksessa ikuisesti selvittämättä. Optimointiohjelmistojen avulla voidaan toteuttaa synteesi-analyysi prosessi iteratiivisesti ja automaattisesti, jolloin tiettyjen kriteerien pohjalta voidaan saavuttaa ainakin jossain määrin optimaalinen ratkaisu. Aina on kuitenkin muistettava, että optimointiohjelmisto on vain työkalu ja siinä mielessä vain niin hyvä kuin ihminen, joka sitä käyttää. Lopullisten päätösten tekeminen jää kuitenkin aina suunnittelijan tehtäväksi.[6] - 6 -

8 Vaikka rakenteen optimoinnilla voidaan päästä myös perinteisten valmistusmenetelmien yhteydessä parempiin lopputuloksiin, sopii sen käyttö kuitenkin parhaiten lisäävän valmistuksen yhteyteen, jossa muoto voidaan toteuttaa varsin vapaasti. Perinteisissä valmistusmenetelmissä voidaan karkeasti erottaa kaksi eri tyyppiä: materiaalia poistavat (esimerkiksi sorvaus ja jyrsintä) ja sitä muovaavat menetelmät (esimerkiksi valu ja taonta). Kummallakin tyypillä on omat rajoitteensa, jotka tulee ottaa huomioon valmistettavaa kappaletta suunniteltaessa. Sen vuoksi rakenteen optimoinnilla ei voida perinteisten menetelmien yhteydessä saavuttaa kovinkaan merkittäviä materiaalin säästöjä. Siksi katseet onkin käännetty lisäävään valmistukseen, koska sen avulla erilaisten työkalujen ja muottien aiheuttamista rajoitteista päästään eroon.[1] Toisaalta on huomattava, että useassa tapauksessa myös optimoitujen rakenteiden toteuttaminen AM-menetelmillä edellyttää tukirakenteita, jotka on poistettava tulostamisen jälkeen. Tukirakenteisiin käytettyä materiaalia harvoin kyetään kierrättämään. Myös tukirakenteiden poistaminen voi olla melko työlästä varsinkin metallien yhteydessä.[1] Mikä sitten on optimaalinen muoto? Se lienee määriteltävissä suunnilleen näin: Optimi on paras tulos, joka voidaan saavuttaa tiettyjen olosuhteiden vallitessa. Suunnittelijan tulee asettaa juuri nuo olosuhteet, joiden avulla voidaan arvioida erilaisten vaihtoehtojen kelpoisuutta. Kvantitatiivinen parametri, jonka avulla kohdetta arvioidaan, on nimeltään tavoite. Luonnollisesti kohteella voi olla samaan aikaan useita tavoitteita. Esimerkiksi auton suunnittelija voi tavoitella erinomaista turvallisuutta ja halpaa hankintahintaa. Valitettavasti usein tavoitteet ovat ristiriitaisia, jolloin haetaan parasta mahdollista kompromissia. Usein muuttujiin liittyy myös rajoitteita, jotka on otettava optimoinnissa huomioon. Kaikkien rajoitteiden huomiointi johtaa usein liian vaikeasti ratkaistavaan optimointitehtävään, jolloin joudutaan tyytymään riittävään tulokseen, joka usein on kuitenkin joka tapauksessa huomattavasti parempi kuin perinteisin menetelmin aikaan saatu ratkaisu. Lisärajoitteita syntyy silloin, kun suunnittelun tavoitteena on olemassa olevan rakenteen parantelu ja edelleen se, että yksittäisen osan kyseessä ollessa se tulee todennäköisesti osaksi kokoonpanoa, jolloin sen tulee sopia yhteen muiden kokoonpanon osien kanssa ja mahdollistaa kokoonpanon toimintakyky. Kaikkien näiden rajoitteiden yhdistelmästä syntyy suunnitteluavaruus (design space), jonka rajoissa optimointi on toteutettava.[4][6] - 7 -

9 Esimerkki rakenteen optimointiongelmasta voisi olla kannatin, jonka tulee mahtua tilaan, jonka mitat ovat 300 mm x 300 mm x 600 mm. Materiaalin tulee olla terästä ja kannattimen tulee kestää 100 kg kuorma. Suurin sallittu muodonmuutos on 0,1 mm ja suurin sallittu jännitys 200 MPa. Käytettävissä ovat levynpaksuudet 1 mm, 2 mm ja 4 mm. Tässä tapauksessa suunnitteluavaruus on mainittu 300 mm x 300 mm x 600 mm. Optimoinnin tavoitteena voisi olla massan minimointi. Rajoitteina ovat sallittu jännitys ja muodonmuutos sekä levyn paksuudet. Optimoinnin lopputuloksen saadaan kannattimen geometria ja tarvittava levynpaksuus, joilla massa on mahdollisimman pieni ja kannatin kestää 100 kg massan ilman että jännitys ja muodonmuutos kasvavat liian suuriksi. Yksi rakenteen optimoinnin lupaavimmista kohteista on erilaisten virtauskanavien suunnittelu. VTT on toteuttanut AM-teknologiasta uutta liiketoimintaa -projektissaan case-tapauksen, jossa hydraulisen venttiililohkon rakenne optimoitiin 3D-tulostusta varten. Perinteisesti lohko valmistetaan koneistamalla yhdestä aihiosta. Koneistetun lohkon massa on 2,5 kg. Optimointi suoritettiin Altair Optistruct -ohjelmistolla ja lopullisen optimoidun kappaleen massaksi tuli n. 578 g. Osa tulostettiin H13-työkaluteräksestä VTT:n omalla tulostimella, jolla tulostusaika oli 21 tuntia ja 7 minuuttia. Alihankinnasta tilattuna saman kappaleen yksittäishinnaksi olisi tullut n. 950 euroa.[7] Lähteessä [2] on esitetty auton pyöränlaakeroinnin optimointiprosessi. Tavoitteena oli saada laakeroinnin massa alle kiloon, kun se alkuperäisessä toteutuksessaan oli 1,4 kg. Tavoitteeseen päästiin ilman että uudelleen suunnitellun rakenteen jäykkyys tai kestävyys olisivat huonontuneet. Lähteessä [3] on esitetty esimerkki istuimen suunnittelusta optimoimalla sen rakennetta. Lopputuloksena oli 60 % kustannusten säästö. Lähteessä [5] on esitetty lentokoneen turvavyön kiinnittimen muodon optimointitapaus

10 3 YKSITTÄISEN KAPPALEEN OPTIMOINTI 3.1 Testikappale Yksittäisen osan testikappaleeksi valikoitui Pohjois-Savon teollisuudelle tyypillinen, hitsaamalla valmistettu fiktiivinen nostokorvake (kuva 1). Kuva 1. Testissä käytetty fiktiivinen nostokorvake. 3.2 FEM-analyysi Testikappaleelle suoritettiin aluksi FEM-analyysi suurimpien vertailujännitysten ja muodonmuutosten laskemiseksi. Näitä voidaan käyttää hyväksi verratessa lopullisiin optimoituihin kappaleisiin. Koska tilanne on fiktiivinen, ovat myös kuormitukset ja kiinnitykset vertailun helpottamiseksi yksinkertaistettuja, mutta kaikissa tilanteissa kuitenkin samat

11 Analyysin reunaehtoina käytettiin jäykkiä kiinnityksiä pienemmissä rei issä sekä kappaleen etuosan reunassa ja vaakasuoraa voimaa (10000 N) kummassakin isommassa reiässä (kuva 2). Kappaleen materiaaliksi valittiin ruostumaton teräs S355J2G3 (E = MPa, myötöraja 315 MPa). Analyysi ei siinä mielessä vastaa täydellisesti todellisuutta, että kappale on analysoitu yhtenä kokonaisuutena, mikä todellisuudessa edellyttäisi hitsauksen täydellistä tunkeumaa. Mutta tässä esitetyssä tarkastelussa tarkkuus on katsottu riittäväksi. Kuva 2. Kiinnitykset ja kuormitukset. Laskenta suoritettiin ensin SolidWorks SimulationXpress-sovelluksella. Sen tulokset on esitetty kuvissa 3 ja 4. Suurin jännitys (Von Mises) kappaleessa on 171 MPa, ja suurin muodonmuutos (yhdistetty) 0,035 mm. Varmuuskerroin myötöön nähden on 1,8. Rakenteen massa on 1609 g

12 Kuva 3. Analyysin tulos SolidWorks SimulationXpress sovelluksella, jännitykset. Kuva 4. Analyysin tulos SolidWorks SimulationXpress sovelluksella, muodonmuutokset

13 3.3 Optimointi ilman ohjelmistojen apua Periaatteessahan rakenteiden muodon optimointi on mahdollista myös ilman erillisiä ohjelmistoja käyttäen hyväksi pelkästään CADohjelmiston ominaisuuksia. Testikappaleen osalta voitaisiin ajatella, että rakenteesta tehdään ontto, jolloin sen massa saadaan pienennettyä. Kuvassa 5 on esitetty testikappale onttona (seinämänvahvuus 3 mm). Ontto rakenne ei kuitenkaan tule tässä tapauksessa kyseeseen, koska jännitys nousee liian suureksi (367 MPa). Tosin materiaalia vaihtamalla suurempi jännitys olisi ollut hyväksyttävissä. Onton rakenteen massa on 854 g (eli 53 % alkuperäisestä). Kuva 5. Ontto rakenne

14 Toinen vaihtoehto rakenteen optimoimiseksi on sisäisten rakenteiden hyödyntäminen. Kuvassa 6 on esitetty testikappaleeseen muodostettu karkea kennorakenne. Suurin jännitys tällä rakenteella on 250 MPa, joka jää niukasti alle myötörajan. Massa kennorakenteelle on 1292 g eli 80 % alkuperäisestä. Kuva 6. Kennorakenne

15 3.4 Optimointi ohjelmistoilla ja uudella rakenteella Rakenteet on usein suunniteltu tiettyjen aihioiden ja/tai valmistusmenetelmien mukaan. Niin tässäkin tapauksessa kappale on suunniteltu ohutlevystä hitsaamalla tehtäväksi. Ainetta lisäävässä valmistuksessa tällaisia rajoitteita ei kuitenkaan ole, joten muoto voidaan valita vapaammin. Sen vuoksi optimointia varten on kappaleen aihio suunniteltava siten, että siinä erottuvat pinnat, joita optimoinnissa ei muuteta ja tilavuus, joka on tarkoitus optimoida (ns. suunnitteluavaruus, design space). Erityisesti liitospinnat, kuten esimerkkikappaleen reiät on pidettävä ennallaan, jotta kappale sopii optimoinnin jälkeenkin muuhun rakenteeseen. On myös huomioitava muu tilankäyttö ettei optimoitu kappale estä kokoonpanoa tai liikkuvien osien toimintaa. Näistä lähtökohdista suunniteltiin kappaleaihio uudelleen kuvan 7 mukaiseksi. Suunnittelussa on huomioitava se, että kappale tullaan liittämään kokoonpanoon siinä olevien reikien kautta, jolloin reikien ympäristö ei voi optimoinnissa muuttua. Kuvassa suunnitteluavaruus näkyy harmaana ja reunaehtopinnat punaisella. Kuva 7. Optimointia varten uudelleen suunniteltu kappaleaihio

16 Kappaleen optimointi toteutettiin kahdella testiohjelmalla (PareTo- Works ja SolidThinking Inspire) huomioiden se, että liitoskohtien tuli pysyä muuttumattomina. Tavoitteena oli mahdollisimman suuri jäykkyys ja massan pienentäminen puoleen alkuperäisestä. Optimoinnin lopputulokset on esitetty kuvissa 8 ja 9. Kuva 8. PareToWorks-sovelluksen aikaansaannos. Kuva 9. Inspire-sovelluksen aikaansaannos

17 3.5 Uudelleen suunnittelu Kuten on helppoa ymmärtää, ei edellä olleita optimointeja voi sellaisenaan hyödyntää, vaan kappale on suunniteltava uudelleen käyttäen hyväksi optimoinnin antamia vinkkejä. Kuvassa 10 on yksi mahdollinen uudelleen suunniteltu versio. Siinä on yritetty ottaa huomioon myös 3D-tulostuksen asettamat vaatimukset siten, että overhang-pintoja olisi mahdollisimman vähän ja että kappale voitaisiin tulostaa jopa ilman tukirakenteita. Uudelleen suunnitellun kappaleen massa on 0,96 kg, kun alkuperäisen, hitsaamalla valmistettavan kappaleen massa oli 1,6 kg. Eli massa on nyt n. 60 % alkuperäisestä. Sitä on mahdollista saada vieläkin pienemmäksi optimoimalla uudelleen. Uudelleen suunnitellun kappaleen suurin jännitys on n. 150 MPa ja suurin muodonmuutos 0,03 mm. Kuva 10. Uudelleen suunniteltu kappale

18 Toinen optimointikierros toteutettiin uudelleen suunnitellulle kappaleelle ja sen perusteella kappaletta kevennettiin entisestään pitäen mielessä kuitenkin, että kappale olisi mahdollisimman helposti tulostettavissa. Lopputulos on esitetty kuvassa 11. Kappaleen massaa on edelleen saatu pienennettyä ja se on tässä tapauksessa 0,76 kg eli alle puolet alkuperäisestä. Suurin jännitys on n. 259 MPa (varmuuskerroin myötöön nähden on 1,2). Suurin muodonmuuton on sama (0,03 mm) kuin edellisessä tapauksissa. Kappaleen muotoilulla on mahdollista pienentää edelleen jännityshuippua ja saada siten jännitykset lähelle alkuperäisen kappaleen jännityksiä. Maksimijännitykset eivät myöskään anna todellista kuvaa, koska ne esiintyvät reunaehtojen läheisyydessä, jotka tässä tapauksessa vastaavat vain karkeasti todellista tapausta. Kuva 11. Toisen optimointikierroksen tuloksena saatu uusi muoto

19 Aiemmin tässä luvussa kennorakenteita generoitiin malliin käsin. Niitä voidaan muodostaa myös ohjelmallisesti. Kuvassa 12 on esimerkki SimpleWare-ohjelmistolla generoidusta kennostosta. Tämä ohjelmisto ei muuten ole kuulunut tässä dokumentissa testattuihin ohjelmistoihin. Kennorakenteissa on huomioitava valmistusmenetelmä myös lisäävän valmistuksen yhteydessä esimerkiksi jauhepetimenetelmää käytettäessä, jolloin kappaleen sisään jäävä jauhe on voitava poistaa joko alkuperäisessä kappaleessa olevista tai jälkikäteen tehtävistä aukoista. Kuva 12. SimpleWare-ohjelmistolla generoitu sisäinen kennorakenne

20 4 KOKOONPANON OPTIMOINTI Kokoonpanon optimoinnin testausta varten mallinnettiin täysin fiktiivinen puomikokoonpano (kuvat 13 ja 14). Kiinnityksinä käytettiin yläkorvakkeessa jäykkää ja oikealla (kuva 14) olevissa rei issä sylinterikiinnitystä. Kuormituksena oli vasemmalla alhaalla oleviin reikiin vaikuttava N voima alaspäin (yhteensä siis N). Kuva 13. Kokoonpanon optimoinnin testauksessa käytetty fiktiivinen puomirakenne. Kuva 14. Puomirakenteen päämittoja

21 Insipire-ohjemistolla toteutetun optimoinnin tulos on esitetty kuvassa 15. Tässä tapauksessa optimoinnin tavoitteena oli rakenteen massan pienentäminen optimoimalla puomin sivulevyjen muotoa. Kuva 15. Optimoinnin tulos Inspire-ohjelmistolla. Vaikka PareToWorks-ohjelmistolla ei voikaan suoranaisesti käsitellä kokoonpanoja, kokeiltiin sellaisen optimointia siten, että kokoonpano muutettiin yksittäiseksi osaksi (multipart). Tämän optimoinnin tuloksena saatiin kuvassa 16 esitetty tulos, jota on sievennetty kuvan 17 mukaisesti. Kuva 16. Optimointitulos PareToWorks-ohjelmistolla

22 Kuva 17. Optimoinnin pohjalta uudelleen suunniteltu kokoonpano. Kuva 18. Uudelleen suunnitellun kokoonpanon jännitykset. Suurin jännitys alkuperäisessä rakenteessa on 237 MPa ja suurin siirtymä 0,4 mm. Optimoidussa rakenteessa vastaavat luvut ovat 171 MPa ja 0,64 mm. Eli jäykkyys on pienentynyt hiukan, mutta samalla jännitykset ovat laskeneet

23 5 OHJELMISTOJEN OMINAISUUKSIEN JA KÄYTETTÄVYYDEN ARVIOINTI Kuten edeltä on käynyt selville, tässä vaiheessa on kyetty testaamaan perusteellisemmin vain kahta topologian optimointiin tarkoitettua ohjelmistoa: PareToWorks ja SolidThinking Inspire. Myös SIMULIA Abacus Tosca -yhdistelmää sekä Altair Optistruct -ohjelmistoja on tutkittu alustavasti, mutta varsinaiseen testaukseen niiden osalta ei voitu tässä yhteydessä ryhtyä ohjelmistojen monipuolisuuden (monimutkaisuuden) vuoksi. AutoDesk Within on mielenkiintoinen ohjelmisto, josta ei saatu testiversiota, mutta jonka esitteiden ja käyttöohjeiden perusteella on luotu mielikuvaa ohjelmiston soveltuvuudesta rakenteiden optimointiin. 5.1 PareToWorks PareToWorks-ohjelmisto on SciartSoft-yhtiön ( com/index.html) tuottama ohjelmisto, joka on toteutettu SolidWorksohjelmiston lisäosana. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että kappale mallinnetaan SolidWorksillä ja sen jälkeen se voidaan suoraan analysoida ja optimoida samassa ympäristössä. Toimenpiteitä varten Solid- Worksin työikkunaan ilmaantuu paneeli, jonka kautta kaikki toimenpiteet voidaan toteuttaa (kuva 19). PareToWorksin asentaminen onnistui vaivattomasti muutamassa minuutissa. Ohjelmiston käyttö on suoraviivaista ja helppoa. Koska grafiikka tuotetaan CAD-ohjelmalla, ei sen opettelemiseen ole tarvetta panostaa erikseen. Ohjelmisto sisältää oman FEM-ratkaisijan, joten erillistä ratkaisijaa ei tarvita. Ainoa puute ohjelmistossa on se, että sillä voidaan tarkastella ja optimoida vain yksittäisiä osia

24 Kuva 19. PareToWorks-ohjelmiston käyttöliittymä SolidWorks-ikkunassa. 5.2 SolidThinking Inspire Inspire-ohjelmisto toimii omana sovelluksenaan (kuva 20), jossa tarkasteltava geometria voidaan luoda sen omilla työkaluilla tai tuoda jostain toisesta tiedostomuodosta. Ohjelmistossa oli mahdollisuus tuoda suoraan SolidWorks-formaatin mukainen tiedosto, mutta se toimi vain vanhempien SolidWorks-versioiden tiedostomuodolla. Step-tiedoston tuonti (sekä osa että kokoonpano) onnistui ongelmitta. Ohjelmassa on PareToWorksin tapaan oma FEM-ratkaisija, mikä helpottaa analysointia ja optimointia. Suunnitteluavaruuden määrittelyä varten myös yksittäisestä osasta tuli muodostaa ohjelman sisällä kokoonpano, mikä oli hankalaa

25 Kuva 20. SolidThinking Inspire ohjelmiston käyttöliittymä. 5.3 SIMULIA TOSCA ja ABAQUS Dassault Systemesin SIMULIA-tuoteperheen Tosca-ohjelmisto ( on tarkoitettu erilaisiin topologian optimointitehtäviin. Siitä on kaksi eri sovellusta, toinen on tarkoitettu rakenteiden optimointiin (Tosca Structure) ja toinen virtausten (Tosca Fluid) optimointiin. Tosca ei itsessään sisällä FEM-ratkaisijaa, vaan se tarvitsee erillisen ratkaisijan kyetäkseen optimointiin. Dassault Sytemes tarjoaa tähän tarkoitukseen SIMULIA Abaqus -ohjelmistoa. Tosca sinänsä toimii kyllä usean muunkin FEM-ratkaisijan kanssa. Tosca on eräajoperiaatteella toimiva ohjelmisto, jossa itsessään on vain optimoinnin tuloksia esittelevä graafinen käyttöliittymä. Sen vuoksi mallien esikäsittely ja tulosten tarkempi tarkastelu on tehtävä erillisellä ohjelmistolla. Tähän tarkoitukseen Dassault Systemes ehdottaa joko Abaqus-ohjelmiston graafista käyttöliittymää tai erillistä Tosca-ANSA -ohjelmistoa. Tosca ANSA ympäristö on kreikkalaisen Beta-CAE -yrityksen ohjelmisto (

26 Tätä raporttia kirjoitettaessa ei SIMULIA-ohjelmistojen varsinaista testikäyttöä ole kyetty toteuttamaan, koska ohjelmistojen monipuolisuuden vuoksi niiden käyttö olisi vaatinut erillisen koulutuksen. Vaikka varsinaisesta testikäytöstä ei olekaan kokemuksia, on havaintoja kuitenkin ohjelmistojen asentamisesta. Jo pelkkä SIMULIA-ohjelmistojen asentaminen oli oma työmaansa. Tämä johtuu ohjelmistojen UNIX-taustasta. Erilaisten komentojonojen käsittely ja ajaminen ja valtavien manuaalien selaaminen tekivät asennuksesta kertaluokkaa vaativamman toimenpiteen kuin kahdella edellisellä ohjelmistolla. Myös erilaiset käyttöliittymät ja poukkoilu kahden tai jopa kolmen ohjelman välillä antavat aiheen epäillä, että ohjelmistojen käytön opiskelu ei tule olemaan kovin helppoa. Kuva 21. Tosca Structure käyttöliittymä

27 Kuva 22. Abaqus ohjelmiston käyttöliittymä. 5.4 AutoDesk Within Ohjelmisto, jolla voidaan optimoida 3D-malleja hyödyntäen erilaisia sisäisiä rakenteita (lattice) ja kuoria (skin) (kuvat 23 ja 24). Ohjelmisto käyttää FEM-ratkaisijan joko CalculiX tai Autodesk Nastran FEA -ohjelmistoja ja siitä on olemassa sekä mekaniikka- että medikaalisuunnitteluun tarkoitetut versiot. Medical-versiossa on myös työkaluja kappaleen pinnan ominaisuuksien muokkaamiseen

28 Kuva 23. Esimerkki ristikko- ja kuorirakenteista. Ohjelmisto lukee useita 3D-tiedostomuotoja (esimerkiksi Inventor, STL, STEP, IGS, MSH ). Sen avulla voidaan generoida erilaisia sisäisiä ja muuttuvatiheyksisiä sisäisiä ristikkorakenteita sekä muuttuvapaksuisia kuoria ja nämä rakenteet voidaan optimoida FEA-työkalujen avulla. Ohjelmistosta saadaan suoraan ns. clean STL output, joka voidaan ohjata suoraan 3D-tulostukseen

29 Kuva 24. Esimerkkejä erilaisista ristikkorakenteista

30 6 YHTEENVETO Ohjelmistojen arvioinnin tulokset on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1. Ohjelmistojen ominaisuuksien karkea vertailu. Asennus Käyttöliittymä Ominaisuudet Käytettävyys Hintaluokka (yksi työasemalisenssi) PareTo Works Helppo Erinomainen, toimii SW:n sisältä. Vain osien käsittely. Selkeä käyttöliittymä. Kertamaksu / vuosi Solid Thinking Inspire Helppo Hyvä. Mallit on tuotava stepmuodossa. Osien ja kokoonpanojen käsittely. Hiukan monimutkainen ja hankalahko käyttöliittymä. Vuosimaksu SIMULIA Hankala Hankala, useita ohjelmistoja, ja poukkoilua niiden välillä. Komentopohjainen ohjaus. Osien ja kokoonpanojen käsittely.monipuolinen, sopii vaativiin toimeksiantoihin. Hankala UNIXtyyppinen, komentopohjainen käyttö. Vuosimaksu Ohjelmistoista on olemassa selkeästi kaksi toisistaan poikkeavaa luokkaa. Alemman keskiluokan ohjelmistoilla on mahdollista toteuttaa alustavia ja yksinkertaisempia optimointitehtäviä ja vastaavasti ylemmän luokan ohjelmistot sopivat paremmin vaativiin ja monimutkaisiin ongelmiin. Alemman keskiluokan ohjelmistot PareToWorks sekä SolidThinking Inspire ovat myös hinnoittelultaan suunnilleen samaa luokkaa. Ylemmän keskiluokan ohjelmistot, SIMULIA Tosca ja Abaqus sekä Altair Optistruct ovat hinnoittelultaan selvästi kalliimpia ja monipuolisempia, mutta samalla monimutkaisempia. AutoDesk Within vaikuttaisi olevan varsin helppokäyttöinen ja ominaisuuksiltaan vielä ylempää keskiluokkaa parempi, mutta nämä mielikuvat perustuvat vain pelkkiin markkinointimateriaaleihin ja käyttöohjeisiin. AutoDesk Within-ohjelmiston hintaluokka on alustavan tiedon mukaan n /vuosi

31 LÄHTEET 1. Brackett, D., I. Ashcroft, and R. Hague. TOPOLOGY OPTIMIZATION FOR ADDITIVE MANUFACTURING. Wolfson School of Mechanical and Manufacturing Engineering, Loughborough University, Loughborough, Leicestershire, LE11 3TU, UK, Au-gust 17, NAGATANI, Haruo, and Tsuyoshi NIWA. Application of Topology Optimization and Shape Optimization for Development of Hub-Bearing Lightening. NTN TECHNICAL REVIEW No.73?2005?. Accessed April 13, NTN_TR73_en_P014.pdf. 3. Stetenfeld, Beth. Firm Cuts Seat Design Costs by 60% Using Topology-Optimization Software. Cadalyst. Accessed April 13, Tcherniak, D., and O. Sigmund. A Web-Based Topology Optimization Program. Struct Multidisc Optim 2001, no. 22. Accessed April 13, Tomlin, Matthew, and Jonathan Meyer. Topology Optimization of an Additive Layer Manufactured (ALM) Aerospace Part. In The 7th Altair CAE Technology Conference, Gaydon, UK, 10th May, Altair University: Practical Aspects of Structural Optimization A Study Guide, 2nd Edition; Released 06/ Laakso Petri, Komi Erin, Puukko Pasi, Kokkonen Petteri, Ruusuvuori Kimmo, Jokinen Antero, Savolainen Mikko: Suunnittelun avulla enemmän lisäarvoa 3D-tulostukseen Case venttiililohko, Hitsaustekniikka 1/

32 TOPOLOGIAN OPTIMOINTI - OHJELMISTOVERTAILU Erityisesti lisäävän valmistuksen yhteydessä voidaan kappaleen muoto valita varsin vapaasti. Tällöin on myös mahdollista optimoida muotoa siten, että materiaalia sijoitetaan vain sinne missä sitä tarvitaan. Rakenteiden materiaalinkäytön optimointia (topologian optimointia) varten on olemassa ohjelmistoja, joissa optimointi tapahtuu ohjelmiston sisäisenä prosessina. Suunnittelijan tarvitsee vain määritellä kiinnitykset, kuormitukset sekä suunnitteluavaruus, jonka rajoissa optimointi tulee toteuttaa. Ohjelmisto antaa lopputuloksena karkean kuvauksen optimaalisesta muodosta, joka voidaan edelleen tarkentaa suunnittelijan toimesta lopulliseen muotoonsa. Tässä raportissa kuvataan testit, jotka on toteutettu topologian optimointiin tarkoitetuilla ohjelmistoilla. Testien tarkoituksena on ollut ohjelmistojen käytettävyyden, ominaisuuksien sekä opetus- ja tutkimuskäyttöön soveltuvuuden arviointi. Tämän takia ohjelmistojen arvioinnissa on erityisesti tutkittu helppokäyttöisyyttä ja käytön oppimisen nopeutta. Ohjelmistojen hinta on ollut myös yhtenä merkittävänä arviointikohteena. Testikappaleet ovat fiktiivisiä eikä niistä saatujen optimointituloksien tarkastelu ole ollut tutkimuksen keskiössä. Julkaisu on syntynyt Savonian toteuttamassa ALVO-hankkeessa. ISBN: ( PDF) ISSN: ISSN- L: JULKAISUSARJA: D 4/3/2016 * *