1. Tổng quan
Topology optimization và Generative design là hai phương pháp mạnh mẽ trong thiết kế sản phẩm hiện đại, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp như hàng không, ô tô, và sản xuất. Cả hai phương pháp đều hướng tới việc tối ưu hóa thiết kế nhằm giảm vật liệu và chi phí mà vẫn đảm bảo hiệu suất, tuy nhiên chúng có sự khác biệt lớn trong phương pháp tiếp cận và ứng dụng
So sánh giữa Topology optimization và Generative design (Nguồn: Mensch und Maschine)
Xem chi tiết bài viết gốc: Topology Optimization vs. Generative Design: Which Modeling Tool Should You Choose?
2. Topology optimization là gì?
Topology optimization là một phương pháp được sử dụng từ đầu những năm 1990 để tối ưu hóa các mô hình 3D theo cách giữ lại các chức năng cơ bản trong khi tiết kiệm vật liệu khi bộ phận không cần phải chịu tải. Phương pháp này bắt đầu với một thiết kế hoàn chỉnh được cung cấp bởi kỹ sư, sau đó là quá trình tinh chỉnh và tối ưu hóa thiết kế dựa trên các ràng buộc cụ thể như sử dụng vật liệu và điều kiện tải.
Sử dụng Topology Optimization để tạo thiết kế nhẹ hơn (Nguồn Formlabs)
Về cơ bản, nó hoạt động bằng cách loại bỏ những vật liệu không cần thiết từ mô hình ban đầu, tạo ra một thiết kế cuối cùng được tối ưu hóa, đặc biệt là làm các bộ phận nhẹ hơn hoặc hiệu quả hơn mà vẫn giữ được độ bền của cấu trúc, ví dụ như các bộ phận của máy bay hoặc linh kiện ô tô.
Tối ưu hóa cấu trúc chủ yếu được sử dụng để cải thiện trọng lượng bộ phận (nguồn: Formlabs)
Tuy nhiên, để tối ưu cần phải xác định một số điều kiện khung nhất định, chẳng hạn như tính đến các lực tác dụng và xác định các vùng được bảo vệ. Sau đó, các thuật toán máy tính tạo ra một mô hình lưới, tính toàn vẹn về mặt cấu trúc phải được xác minh trong quá trình phân tích phần tử hữu hạn (FEA)
Thêm kiến thức về in 3D kim loại:
3. Generative design là gì?
Thay vì bắt đầu với một mô hình thiết kế do con người tạo ra Generative design cho phép tự động tạo ra nhiều lựa chọn thiết kế dựa trên các tham số như vật liệu, tải trọng, và quy trình sản xuất. Tận dụng các thuật toán AI để đưa ra các khả năng thiết kế khác nhau tương ứng với các thông số đã xác định trước đó.
Thiết kê tính toán mô phỏng bằng Generative Design của Vinnotek
Generative Design xác định ngay từ đầu phương pháp sản xuất bộ phận đó là phương pháp sản xuất bồi đắp và phần mềm sẽ tính đến điều kiện này, sau đó phần mềm chỉ tạo ra các giải pháp có thể sản xuất bằng công nghệ in 3D. Điều này hoàn toàn khác với Topology optimization, kỹ sư CAD phải kiểm tra thiết kế đã tạo và tinh chỉnh nó theo phương pháp sản xuất.
Bộ phận đã được tối ưu hóa bằng Generative Design và có thể được in 3D (nguồn ảnh: Siemens PLM)
Generative Design đặc biệt hữu ích trong việc tạo ra các thiết kế sáng tạo và tối ưu từ đầu. Nó ngày càng được tích hợp với công nghệ in 3D để tận dụng triệt để các hình học phức tạp mà sản xuất bồi đắp có thể tạo ra .
Tìm hiểu thêm:
4. Lợi ích và hạn chế
Mặc dù có những điểm khác biệt, cả Topology optimization và Generative Design đều tận dụng các thuật toán và trí tuệ nhân tạo sức mạnh của tính toán để tìm ra giải pháp tối ưu, giúp tiết kiệm thời gian, vật liệu và chi phí. Tuy nhiên, tối ưu hóa cấu trúc thường bắt đầu từ một thiết kế hiện có, trong khi thiết kế tạo sinh có thể tạo ra các thiết kế hoàn toàn mới.
Topology optimization
Ưu điểm:
Giảm trọng lượng và vật liệu: Bằng cách loại bỏ phần vật liệu không chịu tải, tối ưu hóa cấu trúc giúp giảm trọng lượng sản phẩm, từ đó tiết kiệm chi phí vật liệu và năng lượng.
Sử dụng lâu đời: Topology optimization đã là một phương pháp đã được thử nghiệm và kiểm tra, và nhiều công ty lớn đã trở nên quen thuộc với nó trong những năm qua
Tăng cường độ bền: Thiết kế được tối ưu hóa thường có độ bền cao hơn so với thiết kế truyền thống, nhờ phân bố vật liệu hợp lý.
Cải thiện hiệu suất: Topology optimization có thể giúp cải thiện hiệu suất của sản phẩm, chẳng hạn như giảm độ rung, tăng độ cứng.
Tương thích với các quy trình sản xuất truyền thống: Nhiều thiết kế sau khi tối ưu hóa vẫn có thể được sản xuất bằng các quy trình sản xuất truyền thống.
Hạn chế:
Phụ thuộc vào thiết kế ban đầu: Kết quả tối ưu hóa phụ thuộc rất lớn vào hình dạng và điều kiện biên của thiết kế ban đầu.
Cần có kiến thức chuyên môn: Việc thực hiện tối ưu hóa cấu trúc đòi hỏi người dùng phải có kiến thức về phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và các phần mềm chuyên dụng.
Generative Design
Ưu điểm:
Tạo ra nhiều giải pháp sáng tạo: Generative Design tạo ra nhiều tùy chọn thiết kế khác nhau, giúp nhà thiết kế tìm ra giải pháp tối ưu nhất.
Tiết kiệm thời gian thiết kế và mô phỏng: Generative Design có thể tạo ra hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn tùy chọn thiết kế và so sánh chúng với nhau mà không lãng phí thời gian
Không phụ thuộc vào thiết kế ban đầu: Phương pháp này bắt đầu từ một không gian thiết kế trống, tạo ra các hình dạng hoàn toàn mới, tạo điều kiện để các kỹ sư thể hiện hết khả năng sáng tạo của mình
Tối ưu hóa đa mục tiêu: Generative Design có thể đồng thời tối ưu hóa nhiều mục tiêu khác nhau, chẳng hạn như trọng lượng, độ cứng, chi phí.
Phù hợp với sản xuất gia công: Các Generative Design thường có hình dạng phức tạp, rất phù hợp với các công nghệ sản xuất gia công như in 3D.
Thiết kế và tính toán mô phỏng nhanh chóng bằng nTop
Hạn chế:
Cần phần cứng và phần mềm mạnh mẽ: Generative Design đòi hỏi máy tính cấu hình cao và phần mềm chuyên dụng, rất tốn kém
Yêu cầu kiến thức chuyên môn: Việc chỉnh sửa, đánh giá và lựa chọn thiết kế phù hợp đòi hỏi kỹ sư phải có kinh nghiệm và kỹ năng
Có thể tạo ra các thiết kế chưa thẩm mỹ: Các thiết kế do AI tạo ra có thể là tối ưu nhất về mặt chức năng, nhưng chúng thường không đẹp, các nhà thiết kế cần phải điều chỉnh không chỉ về mặt thẩm mỹ mà còn về mặt xúc giác
5. Ứng dụng thực tế
Hai phương pháp này ngày càng đóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất bồi đắp, đặc biệt in 3D kim loại, vì nó cho phép sản xuất các hình dạng phức tạp mà các phương pháp sản xuất truyền thống không thể đạt được về mặt kĩ thuật và kinh tế.
Topology optimization giúp tinh chỉnh các thiết kế để giảm trọng lượng và cải thiện hiệu suất, đặc biệt là cho các bộ phận hàng không, ô tô và kiến trúc. Trong khi đó, Generative design lại mở rộng khả năng, tạo ra các hình dạng và cấu trúc bên trong phức tạp, được tối ưu hóa cho in 3D
Hàng không vũ trụ:
Xem thêm những bộ phận in 3D kim loại được thiết kế mô phỏng tối ưu:
Phần Mềm Thiết Kế 3D 3-matic – Giải Pháp Tối Ưu Cho Lattice Structure Trong In 3D
Máy In 3D Kim Loại SLM 280: Bước Tiến Mới Trong Ngành Hàng Không Úc
TĂNG GẤP 4 LẦN HIỆU SUẤT BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT CHO TRỰC THĂNG VỚI CẤU TRÚC GYROID
Topology optimization đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm trọng lượng máy bay, đặc biệt là các bộ phận như thanh gia cố, có thể được làm nhẹ hơn đáng kể, góp phần giảm tiêu thụ nhiên liệu. Ví dụ điển hình là thiết kế ghế máy bay của Andreas Bastian, nhẹ hơn đến 54%
Song song đó, Generative design mở ra những khả năng sáng tạo mới, cho phép tạo ra các cấu trúc máy bay phức tạp, chắc chắn và hiệu quả hơn, điển hình là vách ngăn của Airbus A320, được sản xuất bằng cách sử dụng các quy trình tăng trưởng tự nhiên làm nguồn cảm hứng
Một phần của Airbus A320, được phát triển bằng cách sử dụng Generative design (nguồn: Autodesk)
Ô tô
Tìm hiểu thêm các bộ phận được thiết kế tối ưu khác:
CẤU TRÚC TỔ ONG CỦA MATERIALISE MAGICS GIÚP BÁNH RĂNG NHẸ HƠN 46%
Máy in 3D SLM giúp tối ưu hóa sản xuất tấm phanh đường sắt tại Wabtec
CẢI TIẾN BẢN LỀ NẮP CA-PÔ Ô TÔ VỚI MÁY IN 3D KIM LOẠI SLM 280
Topology optimization góp phần vào sự phát triển của các loại xe nhẹ, ổn định và an toàn, Tối ưu các bộ phận như khung gầm, động cơ giúp giảm đáng kể trọng lượng xe, từ đó tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu suất. Nhờ sản xuất bồi đắp, hệ thống treo của Fiat Chrysler đã được giảm trọng lượng 36% bằng cách tích hợp hơn mười hai thành phần khác nhau vào một bộ phận duy nhất và loại bỏ vật liệu có ứng suất cơ học thấp bằng phần mềm chuyên dụng
Hệ thống treo của Fiat Chrysler sử dụng công nghệ in 3D và Topology optimization
Trong bối cảnh các quy định về môi trường ngày càng chặt chẽ, Generative design trở thành một công cụ hữu hiệu giúp các nhà sản xuất ô tô tạo ra những sản phẩm mới vừa hiệu suất cao vừa thân thiện với môi trường. Ví dụ, Bugatti đã sử dụng phần mềm Generative design để phát triển hệ thống điều khiển cánh của Chiron, giúp giảm trọng lượng đáng kể hơn 50% và tối ưu hóa quá trình lắp ráp. Và Porsche cũng sử dụng Generative design để sản xuất piston cải tiến cho động cơ hiệu suất cao 911 GT2 RS.
Thiết kế xe được phát triển bằng công nghệ Generative design tương đồng với cấu trúc xương (nguồn ảnh: Siemens)
Y tế
Việc sử dụng cấu trúc lưới trong cấy ghép của NuVasive không chỉ giảm trọng lượng mà còn tăng cường độ bền, là một ứng dụng của Topology optimization. Cấu trúc lưới phân bố lực tác động đều hơn, giảm nguy cơ gãy và tăng khả năng tích hợp với xương
Bộ phận được phát triển theo phương pháp Topology optimization (Nguồn: Frustum)
Ngược lại, Generative design cho phép tạo ra các cấy ghép có cấu trúc xốp giống với cấu trúc của xương tự nhiên và tạo ra các cấy ghép phù hợp với từng cá nhân. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của mô xương mới, giúp cấy ghép tích hợp vào cơ thể một cách tự nhiên hơn, cải thiện độ ổn định lâu dài tăng hiệu quả của phẫu thuật.
NuVasive đã tận dụng những lợi thế của in 3D để đưa ra thị trường dòng sản phẩm cấy ghép hoàn chỉnh
Trong lĩnh vực y tế, Topology optimization thường hướng đến hiệu quả và giảm trọng lượng thì Generative design tập trung vào khả năng thích ứng tối ưu với giải phẫu riêng của từng bệnh nhân, đặc biệt là khi sản xuất chân tay giả dành riêng cho bệnh nhân.
Trong tương lai, sự kết hợp giữa hai phương pháp này hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá lớn trong việc điều trị các bệnh lý về xương khớp và tạo ra những giải pháp cấy ghép ngày càng hoàn hảo hơn.
Tìm hiểu thêm về thiết kế trong y tế:
Thiết kế Cấy ghép Chỉnh hình chính xác hơn với Materialise 3-matic
Materialise Mở rộng Giải pháp Tim mạch với Công nghệ AI từ FEops và Mimics Planner
Kiến trúc và xây dựng
Generative design đã thổi một làn gió mới vào kiến trúc và xây dựng, cho phép các kiến trúc sư tạo ra những không gian sống động, đa chức năng và độc đáo. Cùng với đó, Topology optimization giúp cải thiện hiệu cuất của các công trình và tăng khả năng chịu tải.
Cầu MX3D ở Amsterdam bằng Generative design
Cầu MX3D được xây dựng trên một kênh đào ở Amsterdam là một ví dụ điển hình cho thấy Generative design có thể tạo ra những công trình kiến trúc độc đáo. Bằng cách tận dụng công nghệ in 3D, các kiến trúc sư đã xây dựng một cây cầu với những đường nét mềm mại và uyển chuyển, lấy cảm hứng từ các cấu trúc tự nhiên
Ngành thời trang và trang sức
Thay vì bị giới hạn bởi các khuôn mẫu truyền thống, các nhà thiết kế giờ đây có thể tạo ra những bộ trang phục, phụ kiện độc đáo, phá vỡ mọi giới hạn về hình dạng và cấu trúc. Generative design được sử dụng rộng rãi vì chủ yếu tập trung vào việc tạo ra các hình dạng sáng tạo và độc đáo.
Bên trái là váy của Anouk Wipprecht, và bên phải là thiết kế của Julia Körner (nguồn ảnh: Anouk Wipprecht, Julia Körner)
Nhà thiết kế Julia Körner đã tạo ra những bộ trang phục in 3D sáng tạo cho bộ phim bom tấn Black Panther. Bên cạnh đó, còn có nhà thiết Anouk Wipprecht cũng sử dụng Generative design cho bộ váy ScreenDress của cô và được hiện thực hóa bằng công nghệ Multi Jet Fusion
6. So sánh đặc điểm Topology optimization và Generative design
Topology optimization | Generative design |
Đặc điểm
| Đặc điểm
|
Ứng dụng Hàng không vũ trụ, Ô tô, Y tế và Kiến trúc | Ứng dụng Hàng không vũ trụ, Ô tô, Y tế, Kiến trúc, Thời trang, Trang sức, Nghệ thuật và thiết kế, Hàng tiêu dùng |
Nhà cung cấp phần mềm 3DXpert, Altair Inspire, Ansys Discovery, Netfabb, CogniCAD, Z88Arion, Siemens NX-12, Fusion 360 | Nhà cung cấp phần mềm CogniCAD, nTop, Siemens NX-12, Fusion 360, Creo Generative Design, MSC Apex Generative Design |
Tính phù hợp Rất tốt để cải thiện các thiết kế hiện có | Tính phù hợp Phù hợp với việc tạo ra các giải pháp mới và sáng tạo từ đầu |
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều nhà cung cấp phần mềm cho hai phương pháp, với Topology optimization có các công cụ như 3DXpert là lý tưởng cho cấy ghép và hình học phức tạp hay Altair Inspire cũng lý tưởng cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ. Ngoài ra còn có Ansys Discovery, Netfabb CogniCAD,..
Giao diện phần mềm thiết kế 3D MSC Apex Generative Design
Đối với Generative design, các phần mềm thiết kế và mô phỏng mạnh mẽ như nTop và Fusion 360. Một giải pháp phần mềm khác là MSC Apex Generative Design của Hexagon, phù hợp để sản xuất các cấu trúc chi tiết và phức tạp
Thông tin liên quan:
7. Kết luận: Bạn nên chọn phương pháp nào?
Việc lựa chọn giữa Topology optimization và Generative design phụ thuộc vào mục tiêu thiết kế của bạn. Nếu bạn muốn cải thiện một thiết kế hiện có để đạt hiệu quả hơn, Topology optimization có thể là lựa chọn tốt nhất. Tuy nhiên, nếu bạn đang bắt đầu một dự án từ đầu và muốn khám phá các khả năng thiết kế mới, Generative design mang lại sự linh hoạt và sáng tạo hơn.
Cuối cùng, cả hai phương pháp có thể bổ sung cho nhau, đặc biệt trong môi trường sản xuất tiên tiến, nơi hiệu suất cao và sử dụng vật liệu tối thiểu là ưu tiên hàng đầu.
_________________________
THÔNG TIN LIÊN HỆ:
☎Số điện thoại: (+84)905300382
📩Email: sales@vinnotek.com
💻Website: https://vinnotek.com/
⚡LinkedIn: https://tinyurl.com/VINNOTEKlinkedin
⚡Facebook: https://tinyurl.com/VINNOTEK