A study into the integration of structurally and topologically optimised lattices in the design of additive manufactured components

With the ever growing advancements in production technologies as well as CAD capabilities, comes an opportunity to help optimize a wide range of products made with additive manufacturing techniques. This paper will investigate the use of generative design as a tool to optimize non-uniform lattices, thus creating a twice optimized internal structure for a given 3D printed product; the first optimization approach being one that is based on a static structural analysis performed on the body to create a non-uniform lattice, and the other being a topological optimization approach performed on the above mentioned non-uniform lattice to achieve a certain goal, in this case, to further decrease the mass. The subject of this paper will be a wheel comprised of the outer rim, internal hub, and spokes connecting the former two, and optimization efforts will focus on creating an alternative geometry that could connect the hub and rim at a lower mass, and will be validated by applying regulation procedures as listed by the UN agreement (ECE/324 Addendum 123: Regulation No. 124) Two different configurations are considered, the first being a geometry that covers the entire volume between the rim and the hub, which is then optimized to only a series of trusses that carry the load effectively. The other considered configuration is occupying only the original geometry of the spokes with the non-uniform lattice, which again was optimized to a series of trusses best suited for this specific layout. Upon post-optimization analysis, the resultant geometries were compared to the original solid spokes, their respective uniform lattice counterparts, and the non-uniform lattice on which they were based, which helped understand the behavior of non-uniform lattice generation algorithms that tends to “correct” some perceived issues with the uniform lattice, as for topology optimization efforts, the paper explores the benefits of using generative design to optimize a certain structure while still minding the care that needs to be taken in order to not lose the structural integrity of the body. The other consideration regarding the outcome of this paper was the time needed to generate and then print the optimized non-uniform lattice compared to its uniform counterpart, the discussion chapter also explores both the advantages and disadvantages of such an approach to determine the validity of the solution. Lastly, the paper presents a few ideas for development upon the bases of this methodology.

Con i progressi sempre crescenti nelle tecnologie di produzione e nelle capacità CAD, arriva l'opportunità di aiutare a ottimizzare un'ampia gamma di prodotti realizzati con tecniche di produzione additiva. Questo documento esaminerà l'uso del design generativo come strumento per ottimizzare i reticoli non uniformi, creando così una struttura interna due volte ottimizzata per un dato prodotto stampato in 3D; il primo approccio di ottimizzazione è basato su un'analisi strutturale statica eseguita sul corpo per creare un reticolo non uniforme, e l'altro è un approccio di ottimizzazione topologica eseguito sul reticolo non uniforme sopra menzionato per raggiungere un determinato obiettivo, in questo caso, per diminuire ulteriormente la massa. L'oggetto di questo documento sarà una ruota composta dal cerchio esterno, dal mozzo interno e dai raggi che collegano i primi due, e gli sforzi di ottimizzazione si concentreranno sulla creazione di una geometria alternativa che potrebbe collegare il mozzo e il cerchio con una massa inferiore, e sarà validato applicando le procedure regolamentari elencate dall'accordo ONU (ECE/324 Addendum 123: Regolamento n. 124) Si considerano due diverse configurazioni, la prima è una geometria che copre l'intero volume tra cerchio e mozzo, che viene poi ottimizzata a solo una serie di capriate che trasportano efficacemente il carico. L'altra configurazione considerata occupa solo la geometria originaria delle razze con il reticolo non uniforme, anch'essa ottimizzata per una serie di travature reticolari più adatte a questa specifica disposizione. Dopo l'analisi di post-ottimizzazione, le geometrie risultanti sono state confrontate con i raggi solidi originali, le rispettive controparti a reticolo uniforme e il reticolo non uniforme su cui si basavano, il che ha aiutato a comprendere il comportamento degli algoritmi di generazione di reticoli non uniformi che tendono a "correggere" alcuni problemi percepiti con il reticolo uniforme, per quanto riguarda gli sforzi di ottimizzazione della topologia, il documento esplora i vantaggi dell'utilizzo del design generativo per ottimizzare una determinata struttura, tenendo comunque presente la cura che deve essere prestata per non perdere l'integrità strutturale di il corpo. L'altra considerazione riguardante il risultato di questo lavoro è stato il tempo necessario per generare e quindi stampare il reticolo non uniforme ottimizzato rispetto alla sua controparte uniforme, il capitolo di discussione esplora anche sia i vantaggi che gli svantaggi di un tale approccio per determinare la validità del soluzione. Infine, il documento presenta alcune idee per lo sviluppo sulla base di questa metodologia.