Thiết kế tốt nhất là khi thẩm mỹ và chức năng cùng song hành. Với sự phát triển mạnh mẽ của phần mềm thiết kế CAD và công nghệ sản xuất hiện đại như in 3D, việc tạo ra những chi tiết có hình dạng phức tạp chưa bao giờ dễ dàng đến thế. Nhờ đó, các kỹ sư và nhà thiết kế giờ đây có thể tận dụng phần mềm tối ưu hóa pô tô để khám phá những hướng đi mới, giảm vật liệu, giảm trọng lượng nhưng vẫn đảm bảo độ bền và hiệu suất của sản phẩm.

Trong bài viết này, Vinnotek sẽ giúp bạn nắm vững kiến thức cơ bản về tối ưu hóa pô tô – từ cách hoạt động, lợi ích, ứng dụng thực tế đến các phần mềm phổ biến để bạn có thể bắt đầu áp dụng ngay vào quy trình thiết kế và sản xuất của mình.

1. Tối ưu hóa pô tô là gì?

Tối ưu hóa pô tô (Topology Optimization) là phương pháp tối ưu hóa hình dạng bằng cách sử dụng thuật toán để sắp xếp vật liệu trong một không gian thiết kế, dựa trên tải trọng, điều kiện và ràng buộc cụ thể. Mục tiêu là loại bỏ vật liệu dư thừa, giữ lại những vùng cần thiết để giảm trọng lượng và tăng hiệu suất thiết kế.

Thiết kế tạo ra từ phương pháp này thường có hình dạng phức tạp, tự do, rất khó thực hiện bằng phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, chúng lại rất phù hợp với công nghệ in 3D, vốn cho phép tạo ra các chi tiết phức tạp mà không tốn thêm chi phí hay công đoạn.

Vậy tối ưu hóa pô tô so với Thiết kế sáng tạo (Generative Design) có gì khác nhau không?

Tối ưu hóa pô tô và thiết kế sáng tạo là hai khái niệm thường được nhắc đến trong lĩnh vực thiết kế CAD, nhưng nhiều người vẫn nhầm tưởng chúng giống nhau.

Tối ưu hóa pô tô thực ra đã xuất hiện từ hơn 20 năm trước và có mặt trong nhiều phần mềm CAD phổ biến. Quá trình này bắt đầu bằng việc kỹ sư tạo một mô hình CAD ban đầu, sau đó áp dụng tải trọng và ràng buộc. Phần mềm sẽ loại bỏ vật liệu không cần thiết và cho ra một mô hình tối ưu duy nhất, sẵn sàng để kỹ sư đánh giá.

Điểm hạn chế là nó phụ thuộc vào mô hình do con người thiết kế, nên khả năng sáng tạo và phạm vi ứng dụng bị giới hạn.

Ngược lại, thiết kế sáng tạo (Generative Design) đi xa hơn một bước. Nó không cần mô hình ban đầu, mà dựa trên các ràng buộc do người dùng đặt ra để tự động tạo ra nhiều phương án thiết kế khác nhau – gần như đảm nhiệm vai trò của người thiết kế.

2. Cách thức hoạt động của Tối ưu hóa pô tô

Tối ưu hóa pô tô thường được áp dụng vào giai đoạn cuối của quá trình thiết kế, khi cần giảm trọng lượng hoặc tiết kiệm vật liệu cho một chi tiết. Kỹ sư sẽ nhập vào các tham số cơ bản, như: tải trọng, loại vật liệu, ràng buộc kỹ thuật và không gian thiết kế cho phép.

Trong quá trình này, phần mềm sẽ xác định vùng thiết kế tối thiểu cần thiết và bắt đầu “tác động ảo” lên mô hình, kiểm tra độ bền từ nhiều góc độ khác nhau để tìm ra phần vật liệu không cần thiết.

Phương pháp phổ biến nhất được dùng trong tối ưu hóa pô tô là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Cụ thể:

• FEM chia mô hình thành các phần nhỏ (phần tử) và kiểm tra từng phần về độ cứng, khả năng chịu lực, và vật liệu dư thừa.
• Sau đó, các phần tử được gộp lại thành mô hình hoàn chỉnh, tối ưu nhất về mặt cấu trúc.

Việc xác nhận thiết kế được thực hiện thông qua trường mật độ vật liệu, với giá trị từ 0 đến 1:

• 0: vùng không cần vật liệu (rỗng).
• 1: vùng cần giữ lại vật liệu (rắn).

Kỹ sư sẽ dựa vào đó để loại bỏ phần vật liệu không cần thiết, hoàn tất quá trình tối ưu hóa.

Trước đây, khi chưa có công nghệ in 3D, nhiều thiết kế tạo ra từ tối ưu hóa pô tô không thể sản xuất được, do hình dạng quá phức tạp. Vì vậy, tiềm năng thực sự của công nghệ này vẫn còn bị giới hạn cho đến khi sản xuất bồi đắp phát triển.

3. Lợi ích của Tối ưu hóa pô tô

Các kỹ sư cần có lý do chính đáng để từ bỏ các phương pháp thiết kế và sản xuất truyền thống. Nếu một thiết kế đổi mới không giúp giảm chi phí, vận hành tốt hơn hoặc tiết kiệm thời gian, các nhà sản xuất sẽ ít có lý do để thay đổi. Dưới đây là những lợi ích nổi bật của tối ưu hóa pô tô.

3.1. Tiết kiệm chi phí

Nhiều hình dạng hình học phức tạp tạo ra từ tối ưu hóa pô tô thường khiến chi phí sản xuất tăng cao nếu sử dụng phương pháp sản xuất truyền thống. Tuy nhiên, khi kết hợp với công nghệ in 3D, sự phức tạp này không làm phát sinh thêm chi phí.

Mặc dù việc in 3D vẫn có thể đắt hơn so với các chi tiết sản xuất theo phương pháp truyền thống, nhưng các thiết kế nhẹ hơn này có thể mang lại lợi ích kinh tế lớn hơn ở các khâu khác, chẳng hạn:

• Tiết kiệm nhiên liệu nhờ giảm ma sát và lực cản (áp dụng cho máy bay, ô tô).
  Giảm chi phí đóng gói và vận chuyển do khối lượng nhẹ hơn.
• Ít cần đến máy móc hạng nặng trong dây chuyền lắp ráp.

3.2. Giải quyết các thách thức thiết kế

Tối ưu hóa pô tô có thể giải quyết nhiều vấn đề phổ biến trong quá trình thiết kế, bao gồm:

• Hiện tượng cộng hưởng (resonance): xảy ra khi lực dao động của một hình dạng vượt quá khả năng chịu tải của hệ thống, dẫn đến biến dạng, hư hỏng cấu trúc và ô nhiễm (do rung động).
• Ứng suất nhiệt (thermal stress): xảy ra khi nhiệt độ vật liệu thay đổi do ma sát hoặc các yếu tố khác, gây ra mỏi nhiệt và biến dạng.

Trong một số trường hợp, tối ưu hóa thiết kế phải cân bằng nhiều mục tiêu xung đột, như giảm kích thước nhưng vẫn phải giữ độ bền. Ví dụ, linh kiện hàng không cần nhẹ nhưng vẫn phải chịu được mô-men xoắn, nhiệt độ và áp lực cao. Thuật toán có thể giúp tìm ra điểm cân bằng tối ưu giữa các yếu tố này.

3.3. Tiết kiệm thời gian

Dù vẫn cần chuyên môn kỹ thuật, các phần mềm tối ưu hóa pô tô hiện đại có thể tạo ra thiết kế hiệu suất cao mà con người khó có thể nghĩ ra thủ công. Điều này giúp:

• Tiết kiệm thời gian thiết kế CAD.
• Giảm số lần thử – sai trong quá trình tinh chỉnh sản phẩm.
• Tăng độ tin cậy của kết quả thiết kế ngay từ những phiên bản đầu tiên.

Trong sản xuất, các quy trình in 3D cũng có thể rút ngắn thời gian chế tạo do không cần chế tạo khuôn – vốn có thể mất vài tuần đến vài tháng với phương pháp truyền thống.

3.4. Giảm tác động đến môi trường

Thiết kế sản phẩm nhỏ gọn và nhẹ hơn giúp giảm lượng nguyên vật liệu sử dụng, từ đó giảm dấu chân carbon của nhà sản xuất. So với phương pháp gia công trừ (subtractive manufacturing), sản xuất bồi đắp (in 3D) cũng tiêu tốn ít nguyên liệu hơn và tạo ra ít chất thải hơn.

Trong nhiều trường hợp, lợi ích môi trường thể hiện rõ rệt trong suốt vòng đời của sản phẩm. Ví dụ: chi tiết máy bay nhẹ hơn giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm phát thải khí nhà kính.

3.5. Loại bỏ sai sót

Thiết kế sản phẩm nhỏ gọn và nhẹ hơn giúp giảm lượng nguyên vật liệu sử dụng, từ đó giảm dấu chân carbon của nhà sản xuất. So với phương pháp gia công trừ (subtractive manufacturing), sản xuất bồi đắp (in 3D) cũng tiêu tốn ít nguyên liệu hơn và tạo ra ít chất thải hơn.

Trong nhiều trường hợp, lợi ích môi trường thể hiện rõ rệt trong suốt vòng đời của sản phẩm. Ví dụ: chi tiết máy bay nhẹ hơn giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm phát thải khí nhà kính.

4. Ứng dụng của Tối ưu hóa pô tô

Các thiết kế có hiệu suất cao, nhẹ và tối ưu hóa có thể được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau:

4.1. Ngành hàng không vũ trụ

Do trọng lượng là yếu tố sống còn trong lĩnh vực này, tối ưu hóa pô tô được xem là sự lựa chọn lý tưởng cho ngành hàng không. TO đã được sử dụng để cải thiện cấu trúc khung máy bay, như gân tăng cứng hay giá đỡ.

Ngoài việc giảm trọng lượng, TO còn giúp khai thác tối đa các công nghệ vật liệu mới như sản xuất bồi đắp hoặc vật liệu composite, đang ngày càng phổ biến trong ngành.

4.2. Ngành ô tô

Trong công nghiệp ô tô, tối ưu hóa pô tô giúp cân bằng giữa hiệu suất nhiên liệu, sức mạnh động cơ, và độ an toàn của thân xe. Ngoài việc giảm khối lượng, TO còn có thể tối ưu hóa vùng hấp thụ lực khi va chạm, giúp tăng độ an toàn cho hành khách.

4.3. Ngành y tế

Công nghệ in 3D rất phù hợp để sản xuất các loại implant (cấy ghép y tế) với hình dạng tự do, bề mặt phức tạp và cấu trúc xốp.

Nhờ tối ưu hóa pô tô, các thiết kế implant có thể:

• Nhẹ hơn,
• Tăng khả năng tích hợp với xương (osseointegration),
• Và có tuổi thọ cao hơn.

TO cũng được dùng để tối ưu hóa các sản phẩm như giá đỡ sinh học phân hủy (biodegradable scaffold), thiết bị chỉnh hình nhẹ (lightweight orthopedics), và trong các ứng dụng công nghệ nano như: thao tác tế bào, vi phẫu, vi dòng chảy và hệ thống quang học.

5. Phần mềm Tối ưu hóa pô tô

Ngày càng nhiều kỹ sư và nhà thiết kế nhận ra tính linh hoạt, tốc độ và khả năng mạnh mẽ của việc ứng dụng tối ưu hóa pô tô trong quy trình thiết kế. Đáp ứng xu hướng đó, các công ty phần mềm đã tích hợp tính năng này vào những bộ công cụ sẵn có hoặc phát triển các giải pháp phần mềm chuyên biệt mới.

Dưới đây là một số phần mềm tối ưu hóa pô tô tiêu biểu:

• nTopology cung cấp bộ công cụ độc đáo kết hợp thiết kế sáng tạo và tự động hóa, giúp tăng tốc quá trình thiết kế nhờ sự kết hợp giữa hình học tiên tiến, mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm. Công cụ hình học của nTopology được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: hàng không, ô tô, y tế (thiết bị cá nhân hóa), và cả thiết kế mũ bảo hiểm bóng bầu dục.

• SOLIDWORKS Simulation Solutions tích hợp tối ưu hóa pô tô trong các công cụ phân tích kết cấu và cho phép chuyển đổi thiết kế tối ưu ngược trở lại môi trường CAD dễ dàng.

• Autodesk Fusion 360 – nền tảng CAD dựa trên điện toán đám mây – hỗ trợ tối ưu hóa hình dạng và các tính năng nâng cao để kiểm chứng thiết kế, phù hợp với cả phương pháp sản xuất truyền thống và kỹ thuật số như in 3D.

• Creo 7.0 sở hữu phần mở rộng Generative Topology Optimization, cho phép người dùng xác định các ràng buộc kỹ thuật và khám phá nhanh chóng nhiều phương án thiết kế sáng tạo, từ đó rút ngắn thời gian và chi phí phát triển sản phẩm.

• Altair OptiStruct kết hợp giữa tối ưu hóa và phân tích kết cấu, chuyên biệt cho các thiết kế nhẹ và hiệu quả kết cấu. Nó sử dụng thuật toán riêng biệt để tối ưu hóa cấu trúc lưới (lattice structure) và hỗ trợ mô phỏng đa vật lý bao gồm: truyền nhiệt, dao động – âm học, độ cứng và ổn định, ứng dụng trong: điện tử tiêu dùng, mô hình khí động học và thiết bị y tế.

• Tosca Structure hoạt động trong môi trường phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA), cung cấp mô phỏng thực tế với khả năng thay đổi hình học nhanh và chính xác. Tính năng morphing cho phép tối ưu hóa hình dạng trực tiếp trên lưới phần tử hiện có, loại bỏ các bước trung gian – đặc biệt hữu ích cho các kỹ sư thiết kế kết cấu cơ khí.

Tạm kết

Với khả năng cải thiện thiết kế, giảm khối lượng và tiết kiệm chi phí, tối ưu hóa pô tô đang trở thành một công cụ thiết yếu trong kỹ thuật hiện đại. Tại Vinnotek, chúng tôi tin rằng ứng dụng công nghệ này không chỉ thúc đẩy hiệu quả sản xuất mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững cho tương lai. Hãy đón đầu xu hướng thiết kế thông minh để tạo lợi thế cạnh tranh ngay từ hôm nay.