Ottimizzazione topologica per principianti: come usare modelli algoritmici per creare design leggeri

L'unione di funzionalità e design? Mentre la progettazione assistita dal computer (CAD) continua a evolversi e le tecniche di produzione avanzate come la stampa 3D diventano più diffuse, rendendo possibile la creazione di parti complesse in un modo più semplice che mai, progettisti ed ingegneri possono sfruttare i software di ottimizzazione topologica per superare i limiti e trovare nuovi modi per massimizzare l'efficienza del design.

In questa guida sull'ottimizzazione topologica scoprirai concetti di base, benefici e applicazioni, nonché strumenti software utili per iniziare.

L'ottimizzazione topologica (OT) è un metodo di ottimizzazione della forma che si serve di modelli algoritmici per ottimizzare il layout dei materiali in uno spazio definito dall'utente per un dato set di carichi, condizioni e vincoli. L'OT massimizza la prestazione e l'efficienza del design rimuovendo il materiale in eccesso dalle aree che non necessitano di sopportare carichi significativi, allo scopo di ridurre il peso o risolvere le sfide del design, come ridurre la risonanza o lo stress termico.

I design prodotti grazie all'ottimizzazione topologica includono spesso forme libere e intricate, che sono complesse o impossibili da realizzare con i metodi produttivi tradizionali. Tuttavia, i design in OT sono un abbinamento perfetto per i processi di produzione additiva, che hanno regole di progettazione meno stringenti e possono facilmente riprodurre forme complesse senza costi aggiuntivi.

Il design generativo e l'ottimizzazione topologica sono diventati termini inflazionati nell'ambito della progettazione CAD, ma spesso vengono erroneamente scambiati per sinonimi. 

L'ottimizzazione topologica non è un concetto nuovo. È in circolazione da almeno 20 anni ed è disponibile in molti dei più comuni strumenti software CAD. L'avvio di questo processo richiede che una persona (solitamente un ingegnere) crei un modello CAD, applicando molti vincoli che tengano in considerazione i parametri del progetto. Quindi il software rimuove il materiale in eccesso e genera un singolo concetto di modello mesh pronto per la valutazione da parte dell'ingegnere. In altre parole, perché l'ottimizzazione topologica funzioni, c’è bisogno di un modello iniziale progettato da un utente, il che rappresenta un limite per il processo, per i suoi esiti e per le sue applicazioni su larga scala. 

In un certo senso l'ottimizzazione topologica funge da base per il design generativo. Il design generativo porta il processo un passo avanti ed elimina la necessità del modello iniziale progettato dall'utente, assumendosi il ruolo di designer in base a una serie di vincoli prestabiliti.

L'ottimizzazione topologica di solito ha luogo verso la fine del processo di design, quando la parte desiderata deve avere un peso inferiore o deve utilizzare meno materiale. Quindi il progettista si mette al lavoro per scoprire determinati parametri predefiniti, come i carichi applicati, il tipo di materiale, i vincoli e il layout.

In primo luogo, l'ottimizzazione topologica strutturale determina lo spazio minimo ammissibile per il design, necessario per l'ottimizzazione della forma del prodotto. Successivamente, il software di ottimizzazione topologica applica al design una pressione virtuale da angoli differenti, testa la sua integrità strutturale e identifica il materiale non necessario. 

La tecnica più comune e pratica per l'ottimizzazione topologica è il metodo degli elementi finiti (FEM, Finite Element Method, in inglese). Per prima cosa, il FEM tiene conto del design geometrico per lo spazio minimo ammissibile (oltre che di altri fattori) e divide il design in parti. In secondo luogo, testa ogni elemento finito per rigidità, conformità e materiale in eccesso. Infine, il FEM unisce nuovamente le parti per finalizzare il design completo.

La convalida del design comporta la determinazione di un valore compreso tra 0 e 1 per il campo di densità dell'elemento. Un valore pari a 0 fa sì che il materiale sia vuoto in un'area designata della struttura, mentre un valore pari a 1 imposta l'area designata come materiale solido. Il progettista può quindi rimuovere dal modello tutto il materiale non necessario e finalizzare la parte di ottimizzazione topologica del design.

Prima della produzione additiva, i progettisti scartavano molte delle forme complesse create dall'ottimizzazione topologica perché non potevano essere prodotte, perciò il potenziale di questo metodo di lavoro rimaneva inespresso.

Agli ingegneri serve una buona ragione per abbandonare i metodi classici di design per la fabbricazione. Se un design innovativo non costa meno, non funziona meglio o non permette di risparmiare tempo, un produttore non vedrà il motivo di cambiare modalità di lavorazione. Parliamo allora di quali sono i benefici dell'ottimizzazione topologica.

Molte delle complesse geometrie che derivano dall'ottimizzazione topologica renderebbero inaffrontabili i costi di produzione, se si seguissero le tecniche produttive tradizionali. Ma se abbinata alla stampa 3D, questa complessità non comporta costi aggiuntivi.

La produzione di parti stampate in 3D può essere comunque più costosa della sua controparte non ottimizzata prodotta in modo tradizionale, ma questi design leggeri hanno altri modi di offrire risparmi superiori ai produttori:

• Una maggiore efficienza nei consumi di carburante, in quanto le parti richiedono una minore energia per mettersi in movimento, grazie a una minore frizione (settore aeronautico, settore automobilistico)

• Minori costi di imballaggio e trasporto

• La necessità di un minor numero di macchinari pesanti per le linee di assemblaggio

L'ottimizzazione topologica può risolvere le sfide comuni dei processi di design, come per esempio:

• La risonanza si verifica quando la forza permessa da una forma in un sistema supera il sistema stesso. Questo può portare a deformazione meccanica, a una riduzione della struttura meccanica e a emissioni inquinanti.

• Lo sforzo termico è qualsiasi modifica della temperatura di un materiale, dovuta alla frizione o ad altri fattori, che comporta fatica termica e deformazione all'interno di un sistema.

A volte, l'ottimizzazione del design coinvolge funzioni obiettive concorrenti, come l'ottimizzazione delle dimensioni e il peso. Per esempio, le parti usate nel settore aerospaziale traggono beneficio dall'essere leggere, ma devono nel contempo sopportare coppia, sforzo e calore enormi. Un algoritmo può bilanciare un design per tenere conto di ciascuna di queste funzioni oggettive e trovare un punto di equilibrio.

Mentre il lavoro con i software di ottimizzazione topologica richiede ancora un elevato livello di competenze, gli strumenti per l'OT sono in grado di produrre dei design ad alte prestazioni che un ingegnere non può creare manualmente. Questo significa meno tempo ed energie spese nella progettazione CAD e risultati finali affidabili, con minori iterazioni del design stesso. 

Per quanto riguarda la fabbricazione delle parti, i processi di produzione additiva possono inoltre realizzare le parti finali molto più velocemente dei metodi produttivi tradizionali, poiché non richiedono attrezzature specifiche.

La creazione di prodotti più piccoli e leggeri riduce l'impronta di carbonio complessiva di un produttore, richiedendo in primo luogo una minor quantità di materiale. Inoltre, se confrontate con le tradizionali attrezzature di produzione sottrattiva, le parti prodotte tramite processi additivi richiedono in genere meno materiale grezzo e generano meno rifiuti.

Spesso i maggiori risparmi si verificano grazie alla vita utile delle parti. Per esempio, l'uso di parti leggere negli aeroplani permette di ridurre l'impatto ambientale, perché consente di consumare meno carburante.

Fondamentalmente, l'ottimizzazione topologica si occupa di eliminare gli errori. Eseguendo dei test di resistenza alle sollecitazioni, il processo tiene conto di un'ampia gamma di variabili ed evita supposizioni rischiose, che possono portare a prodotti difettosi.

Le elevate prestazioni e i design efficienti e leggeri resi possibili dalle tecniche di ottimizzazione topologica si applicano a un'ampia gamma di settori. 

Vista l'importanza della riduzione del peso, l'ottimizzazione topologica si abbina naturalmente all'ingegneria aerospaziale e al settore aeronautico. L'OT è stata usata, ad esempio, per migliorare il design del layout delle strutture delle cellule, come per le nervature di irrigidimento o le staffe per gli aerei.

Oltre a rendere possibile l'alleggerimento strutturale, l'ottimizzazione topologica può aiutare a sbloccare le potenzialità delle tecnologie di produzione avanzata, come la produzione additiva o i materiali compositi che sono sempre più popolari nel settore. 

Nel settore automobilistico, l'ottimizzazione topologica bilancia la desiderabilità di parti leggere per l'efficienza nel consumo di carburanti e la potenza con la stabilità e la resistenza di un corpo in grado di sostenere le sollecitazioni di coppia e impatti. 

Oltre a risparmi notevoli, l'ottimizzazione topologica è anche in grado di aumentare la sicurezza dei passeggeri, definendo il modo in cui una struttura collassa durante un incidente.

La produzione additiva è l'ideale per la creazione di impianti medici, in quanto permette ai professionisti del settore medico di produrre figure e superfici a forma libera e strutture porose. Grazie all'ottimizzazione topologica, i design possono includere strutture reticolari che sono più leggere, offrono una migliore osteointegrazione e durano più a lungo di altri impianti.

Gli strumenti OT possono inoltre ottimizzare il design delle impalcature biodegradabili per l'ingegneria tissutale, gli impianti porosi e i supporti ortopedici leggeri. Anche le applicazioni della nanotecnologia, come la manipolazione cellulare, i microfluidi e i sistemi ottici, si servono dell'ottimizzazione topologica. 

I progettisti riconoscono sempre di più la versatilità, la velocità e le forti possibilità di sfruttare l'ottimizzazione topologica. Le aziende di software rispondono offrendo gli strumenti necessari, sia all'interno dei loro software preesistenti che attraverso nuove soluzioni.

Di seguito puoi trovare alcuni esempi di software di ottimizzazione topologica:

• nTopology offre un "insieme unico di strumenti di design generativo e di capacità di automazione", velocizzando i processi di design grazie alla combinazione di geometria avanzata, simulazioni e dati sperimentali. Il suo motore di geometrie si adatta a una varietà di utilizzi, dal settore aerospaziale, al settore automobilistico, al design di caschi da football, a dispositivi specifici per i pazienti nel campo medico.

• SOLIDWORKS Simulation Solutions include l'ottimizzazione topologica nei suoi strumenti di analisi strutturale e offre molteplici metodi per riportare questi design ottimizzati in un ambiente CAD.

• La piattaforma CAD su base cloud Fusion 360 di Autodesk offre ottimizzazione delle forme e caratteristiche avanzate per supportare la verifica del design per la produzione su strumenti tradizionali e di produzione digitale come la stampa 3D.

• Il software di design generativo Creo 7.0 include l'estensione Generative Topology Optimization, che permette all'utente di tenere conto di limiti e requisiti del prodotto e di “esplorare rapidamente opzioni innovative di design per ridurre tempi e spese di sviluppo”. 

• Altaire OptiStruct integra ottimizzazione strutturale e analisi. Specializzato nella leggerezza e nell'efficienza strutturale, presenta un metodo proprietario di ottimizzazione topologica nella progettazione di strutture reticolari. Il suo ambiente multifisico integrato, incluso trasferimento di calore, vibrazioni e acustica, dinamica dei rotori, rigidità e stabilità, aiuta il design in aree come l'elettronica di consumo, la modellazione aerea e le tecnologie mediche.

• Tosca Structure lavora all'interno del software FEA e vanta modelli di simulazione realistici con la capacità di modificare la geometria rapidamente e in modo affidabile. La sua abilità di trasformazione permette l'ottimizzazione delle forme nel mesh dell'elemento finito esistente, superando i passaggi intermedi, ed è particolarmente importante per i progettisti di strutture meccaniche.

Gli ingegneri stanno usando sempre più metodi innovativi per progettare prototipi, parti di macchine e beni di consumo. 

Il design tramite algoritmi e la tecnologia di stampa 3D vanno di pari passo, e questo non comporta più dei prezzi esorbitanti per i produttori. Esplora la gamma di stampanti 3D di Formlabs e dai una marcia in più ai tuoi design.

Fonte dell'immagine di copertina: nTopology