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Dec 06, 2023

Generatives Design: nTopology ebnet den Weg durch die Welt des 3D-Drucks

17. Mai 2023 von Abdul Montaqim Hinterlasse einen Kommentar Einer der beeindruckendsten

17. Mai 2023 von Abdul Montaqim Hinterlasse einen Kommentar

Eines der beeindruckendsten Merkmale der Designanwendung nTopology ist, dass sie wesentlich weniger Rechenleistung benötigt. Nach Berechnungen des Unternehmens – und seiner Partner – können die Dateigrößen im Vergleich zu herkömmlicher 3D-Designsoftware um 99 Prozent kleiner sein.

Herkömmliche, seit langem etablierte Software für 3D-Design ist in der Regel sehr speicherhungrig und kann die Prozessoren stark belasten. nTop hingegen kann auf einem Laptop die gleiche Funktionalität bieten wie herkömmliche 3D-Designanwendungen auf einem Supercomputer – denn nTop wurde speziell für die heutigen 3D-Druck- und Designanforderungen entwickelt.

Die Art und Weise, wie nTop dies tut, ist für einen technisch nicht versierten Journalisten schwer zu erklären, aber im Wesentlichen macht die nTop-Software Dinge wie Extrusion überflüssig, die ein grundlegendes Konzept und eine Anforderung in herkömmlichen 3D-Designanwendungen darstellen.

Die Extrusion kann durch Klicken und Ziehen einer Fläche oder Kante einer Zeichnung erfolgen. Wenn Sie beispielsweise in einer herkömmlichen Design-App ein Quadrat auf dem Bildschirm zeichnen, können Sie auf die Fläche klicken und sie ziehen, sodass daraus ein Würfel wird.

Klingt einfach, aber sagen wir, wenn das von Ihnen entworfene Objekt mehrere Formen und Flächen integriert, könnten Sie am Ende eine lange Liste von Teilen und Dutzenden von Extrusionen erhalten, die alle Speicherplatz und Rechenleistung erfordern.

Der Ansatz von nTop ist völlig anders und wurde von Grund auf so entwickelt, dass er den Anforderungen der 3D-Design- und Druckbranche gerecht wird, insbesondere im Hinblick auf generative Designelemente, die einen großen Teil der Software ausmachen.

Und obwohl nTop über alle notwendigen Funktionen verfügt, um komplette End-to-End-Designprojekte zu ermöglichen, lässt es sich auch in alle wichtigen traditionellen und seit langem etablierten CAD-Design-Softwareanwendungen integrieren.

Das ist der Umfang unseres technischen Wissens. Um den Lesern ein tieferes Verständnis zu vermitteln, dachten wir, wir würden jemanden von nTop interviewen und hier einen Auszug veröffentlichen.

Obwohl er nTop inzwischen verlassen hat, war Duann Scott zum Zeitpunkt dieses Interviews Vizepräsident bei nTopology. Er erklärt ausführlich die Software und bietet einen Überblick über den gesamten 3D-Design- und Drucksektor sowie verwandte Branchen .

RoboticsAndAutomationNews.com: Erzählen Sie uns etwas über nTopology selbst für das Unternehmen.

Duann Scott von nTop : nTopology ist eine Design-Engineering-Software. Ich glaube, das Unternehmen wurde 2015 in New York City gegründet. Wir verfolgen einen anderen Ansatz bei der Herstellung von Geometrie. Es handelt sich nicht um herkömmliches CAD, sondern um einen anderen Prozess, bei dem es sich um ein rechnergestütztes Designtool handelt.

Wir helfen Ingenieuren und Designern bei der Lösung von Problemen, die herkömmliches CAD aufgrund von Geometrieproblemen im vorhandenen CAD nicht lösen kann. Wir können sehr, sehr komplexe Dinge sehr einfach erledigen und Prozesse automatisieren. Oft entwerfen Menschen also nicht ein einzelnes Teil, sondern einen Prozess, und das Ergebnis sind am Ende Teile.

RoboticsAndAutomationNews.com: Wie ist Ihr Überblick über die Veränderungen, die im Fertigungssektor durch das Aufkommen des 3D-Drucks stattfinden?

nTop : Die additive Fertigung begann als Rapid Prototyping. Ursprünglich handelte es sich lediglich um Kunststoffteile zur Herstellung von Prototypen, um zu sehen, wie die Dinge aussehen, passen und funktionieren. Dann wandte sich die Branche Dingen wie Vorrichtungen und Vorrichtungen zu. Da sich diese Prozesse nun weiterentwickelt haben, entwerfen die Menschen Teile für den Endverbraucher.

Und insbesondere im Metall-3D-Druck hat sich die Materialpalette in den letzten fünf bis zehn Jahren enorm erweitert. Wir sind jetzt an dem Punkt angelangt, an dem Sie Superlegierungen sowie Kupfer, Edelstahl, Titan und andere sehr hochwertige Materialien herstellen können.

Ein Grund für den Fortschritt liegt zum Teil darin, dass der 3D-Druck von der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Medizinindustrie vorangetrieben wurde. Die Maschinen haben sich also so weit entwickelt, dass man sehr komplexe Komponenten und sehr komplexe Designs mit sehr feinen Details und feinen Merkmalen herstellen kann.

Allerdings war die Software, die für die Konstruktion verwendet wurde, für die traditionelle subtraktive Fertigung, für den Werkzeugbau, für das Formen und für das Stanzen konzipiert, und die Software konnte nicht die Komplexität erzeugen, die die Maschinen erzeugen könnten.

So wurde nTopology wirklich geboren. Ziel war es, das Potenzial der Herstellungsprozesse durch eine andere Herangehensweise an die Geometrie auszuschöpfen. Es ist wirklich wichtig, diese Prozesse neu zu gestalten, da die Kosten für Maschinen und Materialien immer noch recht hoch sind. Um den Wert wirklich zu nutzen, muss man also für den Prozess entwerfen.

Denn wenn Sie ein vorhandenes Bearbeitungsdesign übernehmen und es in einen 3D-Drucker übertragen, ist es nicht kosteneffektiv. Aber wenn man dieses Design nimmt und es für mehrere Anforderungen optimiert – sei es der Herstellungsprozess, der thermische Prozess, die Gewichtsreduzierung oder andere Funktionen rund um die Akustik –, kann man dies gleichzeitig tun und dann auch mehrere Teile zu einer einzigen Komponente zusammenfassen und tatsächlich Antriebswert vom 3 0-Drucker.

Das ist also, wo wir jetzt sind. Die Menschen verstehen, dass dieser multidisziplinäre Designprozess entscheidend ist, um den Wert des 3D-Drucks auszuschöpfen.

RoboticsAndAutomationNews.com: Mit anderen Worten: 3D-Drucker sind so weit fortgeschritten, dass eine neue Design-Softwareanwendung und ein neuer Ansatz erforderlich waren. Ich verstehe. Geben Sie uns ein Beispiel dafür, wie traditionell einfache Teile komplexer gestaltet werden können. Zum Beispiel ein Teil eines Roboterarms – wie auf der Website von nTop abgebildet.

nTop: Wir haben einige gesehen, die wie dieses Roboterarmteil gebaut wurden, aber sie befinden sich hauptsächlich in der Forschung und Entwicklung oder für maßgeschneiderte Roboter.

Was hier in diesem Design passiert, ist, dass das Drahtmodell dieser Komponente der ursprüngliche Körper ist, der im CAD aus der Baugruppe für den Roboter entworfen wurde – im Grunde das traditionelle Design einer solchen Komponente.

Wir haben diese Komponente genommen und Simulationen angewendet – Belastungen und Einschränkungen auf die Komponente. Und dort, wo die Spannung herrscht, führen wir eine Simulation durch, und was sie wirklich zeigt, ist der Belastungspfad der Spannung.

Die Simulation zeigt, wie der Roboter Dinge bewegt und anhebt und sich ausrichtet, und wir können die Belastung sehen, während er sich durch das Bauteil bewegt. Dies hilft uns, die Orte zu entdecken, an denen wir keine Masse brauchen. Wenn wir es nicht benötigen, entfernen wir die Masse, sodass am Ende ein leichteres Teil entsteht.

Anschließend können wir einen sekundären Prozess durchführen und die Simulation erneut ausführen. Anschließend können wir die Teile schälen, um sie hohl zu machen. So reduzieren wir erneut die Masse des Teils und verkürzen auch die Herstellungszeit.

Wir führen erneut eine Simulation durch und ändern dort, wo Spannungen auftreten, die Dicke dieser Schale, sodass das Teil dort dicker ist, wo es sein muss, und dünner, wo es nicht sein muss.

Es fängt also an, den natürlichen Prozess der Knochenbildung im menschlichen Körper nachzuahmen. Ein menschlicher Knochen verändert sich also kontinuierlich aufgrund der Belastungen, denen er ausgesetzt ist.

Dann können wir hineingehen und eine Gitterfüllung machen, um es leichter herstellbar zu machen, da man keine Stützstrukturen im Inneren benötigt.

Das ist also der Ansatz, den wir verfolgen. Es ist wirklich eine Topologieoptimierung. Wenn Sie über generatives Design nachdenken, generieren Sie mehrere Ergebnisse und vergleichen sie miteinander.

Wir würden also ein Skript ausführen, wie Sie es über Nacht ausführen würden, und dann, wenn Sie morgens wieder zur Arbeit kommen, hätten Sie möglicherweise tausend Varianten dieses Entwurfs. Sie können sie anhand der Masse, ihrer Leistung oder anderer Kriterien miteinander vergleichen.

Das ist also so etwas wie der Ansatz.

Wir haben dies in der Praxis am Oak Ridge National Laboratory durchgeführt, wo einige Roboterarme entworfen wurden. Es handelte sich tatsächlich um einen voll beweglichen Roboter, bei dem die gesamte Verkabelung und alle anderen Komponenten ebenfalls im Inneren des Teils eingebaut waren, sodass keine freiliegenden Kabel oder Leitungen vorhanden waren – alles war wirklich in sich geschlossen.

Ich glaube, der Roboter war für eine Unterwasseranwendung gedacht.

Man kann mit diesem Verfahren und mit hochwertigen Materialien also sehr komplexe Dinge realisieren.

Die andere Sache, die wir jetzt auch mit Partnern machen, ist nicht unbedingt das Drucken des endgültigen Teils, sondern das Drucken entweder einer Sandform zum Gießen des Teils oder des Druckens von Opferkomponenten für den Feinguss.

Sie könnten es also in einem kostengünstigeren Polymer drucken, es dann mit einer Keramik beschichten und dann Metall hineingießen, sodass Sie am Ende das gleiche bekannte Verfahren haben, das es schon seit Tausenden von Jahren gibt, aber wir senden nur das Design auf eine andere Art dort.

RoboticsAndAutomationNews.com: Ich könnte mir vorstellen, dass die Herstellung von Metallteilen für 3D-Drucker entweder schwierig oder zeitaufwändig ist. Gibt es alternative Materialien, die genauso stark sind – neue Legierungen und vielleicht andere Kunststoffe und ähnliches, die die gleiche Aufgabe wie Metalle erfüllen können?

nTop : Die Kosten beim Metalldruck liegen in der Amortisierung der Maschinenkosten, die teuer sein können. Aber die tatsächliche Qualität der Materialien ist sehr gut.

Wie ich bereits sagte, fangen wir an, Polymerteile zu drucken und zu gießen oder Sandformen zu drucken. Das ist eine kostengünstige Möglichkeit, und es gibt auch einige Prozesse, bei denen hochwertige Polymere und auch Kohlefaseranordnungen auf Teilen verwendet werden, um sie steif und stark zu machen.

RoboticsAndAutomationNews.com: Wie viel Prozent des potenziellen Marktes hat der 3D-Druck erobert? Ich meine, wie weit verbreitet ist der 3D-Druck jetzt im Vergleich zu wie weit verbreitet er in Zukunft eingesetzt werden könnte?

nTop : Ich würde sagen, dass es im Moment nur ein winziger Prozentsatz ist. Wie ich bereits erwähnt habe, ist die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Medizinbranche führend in der Branche. In der Medizin- und Zahnmedizin ist es also so, dass man ins Hintertreffen gerät, wenn man die additive Fertigung nicht einführt.

Wirbelsäulenimplantate, Knierekonstruktionen, Knochenplatten und andere Aspekte sind allesamt wegweisend, da sie klein, teuer und individuell auf jeden Kunden zugeschnitten sind. Die Anpassung ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass Sie einem achtjährigen Kind nicht das gleiche Implantat einsetzen wie einem vierzigjährigen Mann mit einem Gewicht von 240 Pfund.

Man ändert also immer das Design für diese bestimmte Person, und in der Zahnmedizin ist jeder Zahn anders, sodass für die Herstellung viel gescannt werden muss, und zwar sowohl bei Metall als auch bei Polymer.

Die Medizin und die Zahnmedizin sind also wirklich führend. Die Akzeptanz ist wirklich stark, und wir sehen, dass sie zunimmt, je mehr die Leute mehr über den Prozess erfahren. Und die Kosten für Maschine und Material sind im Laufe der Jahre gesunken.

RoboticsAndAutomationNews.com: Sie haben auch schon die Luft- und Raumfahrt erwähnt. Wie wäre es mit Automobil?

nTop : Auf jeden Fall, ja, wir haben Kunden, die Elektrofahrzeuge bauen. Was den Weltraum und das Fliegen angeht, kann ich deren Namen wohl nicht nennen, aber ja, jedes Gramm Gewicht, das man einspart, reduziert das Gewicht der Struktur, die zum Tragen von Lasten erforderlich ist, und auch die Batterieleistung, um sie zu betreiben. Alles, was Sie tun, um das Gewicht zu reduzieren, erhöht also die Reichweite, und daher ist die Gewichtsreduzierung wirklich entscheidend.

Einer unserer Kunden – Cobra Aero – begann mit der Entwicklung des Motorkopfs für den Einzylindermotor, den sie für die von ihnen hergestellten UAVs (unbemannte Luftfahrzeuge) betreiben.

Cobra begann damit, dass wir einfach versuchten, Teile zusammenzuführen: also drei Teile nehmen und sie zu einem zusammenfügen. Von da an arbeiteten wir auch mit ihnen zusammen, um den Kopf des Motors mithilfe von Gitterstrukturen leichter zu machen. Und auch die Kühlung des Bauteils durch Gitterstrukturen.

Wir haben das alles auf Basis einer Simulation gemacht. Wir können also die Druckkarte des Motors und die Wärme des Motors nutzen und damit die Gitterstrukturen modifizieren, um ihn zu optimieren und ihn viel effizienter und leichter zu machen und weniger Komponenten zu verwenden.

Als würde man drei Komponenten zu einer kombinieren, sodass kein Zusammenbau, keine Befestigungselemente und keine Dichtungen erforderlich sind – das ist auch weniger wartungsintensiv, und wir können auch Dinge wie die Akustik dämpfen, um den Lärm zu reduzieren, was für eine Drohne, die dies versucht, von entscheidender Bedeutung ist gesehen werden.

Mit Gitterstrukturen können Sie das Verhalten eines Materials ändern, ohne das Material zu ändern. Es wird häufig in der additiven Fertigung eingesetzt. Durch die Verwendung von Gitterstrukturen kann man ein Bauteil auf eine bestimmte Weise zerknittern lassen, Energie absorbieren, seine Masse reduzieren oder die Art und Weise ändern, wie es sich biegt.

Wir verwenden es in Polymeren. Das sieht man an Polstern und Sitzen für Autos und auch an einem von uns entworfenen American-Football-Helm.

Der Helm wurde für NFL-Spieler entwickelt. Es gibt mittlerweile eine Reihe von Helmherstellern, die dieses Design verwenden. Aber wir haben von der NFL ein Stipendium für die Entwicklung von Helmen erhalten, die Gehirnerschütterungen stoppen sollen. Dabei nutzen wir Gitterstrukturen, die dabei helfen, Energie zu absorbieren und das Verdrehen des Kopfes beim Aufprall zu verhindern.

Sie können also das Verhalten Ihres Materials mithilfe einer Gitterstruktur wirklich ändern. Wir nennen sie Metamaterialien oder architektonische Materialien.

RoboticsAndAutomationNews.com: Sie bieten also Software und zugehörige Beratung an. Ist Ihre Software über die Cloud verfügbar?

nTop : Wir sind ein reines Softwareunternehmen. Wir haben die Software von Grund auf entwickelt. Bestehende CAD-Systeme basieren auf der Eingabe von Entwürfen oder Zeichnungen in einen Computer und wurden größtenteils in den 1980er Jahren entwickelt.

Der Kernel, der all dem zugrunde liegt, die Art und Weise, wie die Geometrie erstellt wird, ist eine B-Rep (Grenzdarstellung), und weil sie vor so langer Zeit entwickelt wurde, wurde sie für Single-Threaded-Computer entwickelt, und es gibt inhärente Komplexitätsprobleme, die es nie gab Das kann man sich bei der Bearbeitung solch komplexer Geometrien mit einem CAD-System noch nie vorstellen.

Was wir tun, ist anders. Wir haben eine andere Art, Geometrie zu erstellen. Im Grunde handelt es sich um eine mathematische Gleichung und alles, was wir tun, ist, eine Formel zu verwenden, um ein Produkt zu definieren, sodass wir etwas sehr Komplexes tun können, und die Dateigröße dafür in nTop würde wahrscheinlich 160 Kilobyte betragen, wohingegen dies bei dem Versuch, dies zu tun, der Fall wäre in einem herkömmlichen CAD wären es mehrere Gigabyte.

Mit einem herkömmlichen CAD-System wäre so etwas in Echtzeit nicht möglich.

Bei uns handelt es sich um eine rein mathematische Gleichung, die die Geometrie beschreibt. Wir haben auch das, was wir feldgesteuertes Design nennen. Dabei können wir beliebige Daten verwenden, um das Verhalten einer Geometrie zu steuern, seien es Simulationsdaten oder empirische Testdaten oder einfach nur andere Geometrien, um das Verhalten der Geometrie zu definieren.

So haben wir beispielsweise eine Prothese entworfen, bei der wir eine Oberflächenstruktur hinzufügen, um sie stärker zu machen. Sie können es auf unserer Website sehen.

Außerdem können Sie auf unserer Website ein Sneaker-Design sehen. Sie sehen eine Druckkarte von jemandem, der seinen Fuß belastet. Wir ändern die Gitterdichte basierend auf der Kraft, die in die Schuhsohle eindringt, sodass wir sie dichter machen können, um dort mehr Energie zu absorbieren, wo mehr Druck herrscht, und sie spärlicher machen können, wo kein Druck herrscht.

Damit wir es leichter machen können. Wir sehen Menschen, die dies tun, um einen Schuh für jemanden mit Diabetes zu optimieren. Wenn sie Probleme mit ihren Füßen haben, können wir helfen, die Schmerzen zu lindern und einen maßgeschneiderten Schuh speziell für sie herzustellen.

Dies alles ist möglich, da die zugrunde liegende Geometriekomplexität für nTop kein Problem darstellt.

Oft sind die Teile so komplex, dass Sie bei der Verwendung von herkömmlichem CAD möglicherweise andere Software für nachgelagerte Prozesse verwenden müssen, sei es für die Simulation oder für die Fertigung. Die CAD-App kann das nicht alleine bewältigen.

Wir verfügen über eigene interne Funktionalitäten für die Simulation und die Fertigung. Wir senden Fertigungsdaten häufig direkt an die 3D-Druckmaschinen, da jede Software, die sich zwischen uns und der Maschine befindet, die Arbeit verlangsamen kann.

Unsere Software ist vollständig lokal. Wir laufen noch nicht auf der Cloud. Das liegt daran, dass die meisten unserer Kunden in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungs- und Medizinbereich tätig sind – und in den meisten Fällen noch nicht wirklich bereit sind, ihre Entwürfe in der Cloud zu speichern. Es gibt zu viele Sicherheitsprobleme.

Wir können nTop möglicherweise als Cloud-App zur Verfügung stellen, und wir haben Leute, die es auf Servern ausführen. Aber so wie es aussieht, ist die Software lokal und da wir für Multi-Core-CPUs und GPUs optimiert haben, führen die Ingenieure unsere Anwendung einfach auf einem Laptop aus.

Sie betreiben keinen Supercomputer, um diese wirklich komplexen Designs zu erstellen und zu simulieren, weil nTop in der Art und Weise, wie es diese modifizierte Geometrie beschreibt, so effizient ist.

Sehen Sie sich das vollständige Interview auf YouTube oder unten an.

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