White Paper | Additive manufacturing e ottimizzazione topologica

L’ottimizzazione topologica è un processo che sfrutta concetti della fisica per analizzare un componente e comprendere le zone in cui rimuovere il materiale partendo da un blocco pieno, al fine di ottenere geometrie e design più efficienti. Ed è un tassello fondamentale della manifattura additiva.

L’additive manufacturing è una tecnologia innovativa e dirompente che modifica in maniera netta le regole e le tecniche di progettazione adottate per i comuni sistemi di produzione.

I classici metodi di progettazione e produzione si basano infatti su un approccio di tipo sottrattivo che ha influenzato il modo in cui i prodotti sono progettati.

L’idea di partire da un blocco di materiale, che poi viene lavorato mediante la rimozione di materiale in eccesso, introduce automaticamente dei vincoli di design che non possono essere trascurati al fine di garantire la fattibilità produttiva del prodotto.

In questo senso, l’esperienza legata ai processi produttivi tradizionali guida il design, che si basa su operazioni booleane, come la sottrazione e tiene dunque conto delle limitazioni degli utensili e dei processi di attrezzaggio.

Tutto ciò frena e limita tutti i vantaggi che potrebbero essere ottenuti attraverso una progettazione avanzata e tecniche di ottimizzazione.

L’additive manufacturing ha invece il vantaggio di sostituire l’approccio sottrattivo con quello additivo, che abbatte i limiti della progettazione e del design introducendo numerosi miglioramenti e nuove opportunità.

Una di queste è sicuramente l’ottimizzazione topologica che grazie alla produzione additiva trova la massima libertà.

L’ottimizzazione topologica

L’ottimizzazione topologica è un processo che sfrutta concetti della fisica per analizzare un componente e comprendere le zone in cui rimuovere il materiale partendo da un blocco pieno, al fine di ottenere geometrie e design più efficienti sulla base dei vincoli e delle condizioni di carico sotto le quali il componente dovrà lavorare.

Lo studio viene realizzato mediante l’utilizzo di specifici software, capaci di ridefinire le forme dei componenti meccanici e di eliminare il materiale in eccesso senza pregiudicare le proprietà del pezzo.

Ciò consente di ottenere componenti dalle forme organiche, alleggeriti attraverso la riduzione delle masse in gioco e in grado di garantire prestazioni meccaniche più performanti.

L’ottimizzazione topologica è una tecnica nota, di certo non nuova, ma che non era mai stata sfruttata a pieno a causa dei limiti tecnologici dei processi industriali utilizzati.

Tale processo è applicabile a moltissime tecnologie produttive tradizionali, ma grazie all’additive manufacturing trova la sua massima espressione.

Infatti, la produzione additiva introduce il concetto di “forma libera” relativamente al design dei componenti, e consente di spingere al limite tale processo di ottimizzazione.

L’obiettivo, dunque, è quello di ottenere una distribuzione del materiale in grado di conferire al componente la rigidezza ottimale per un dato spazio di progettazione e per determinate condizioni di carico.

Ciò consente di ottenere prodotti più leggeri, dal design ottimizzato e in grado di offrire prestazioni migliori con un significativo risparmio di materiale.

Inoltre, l’ottimizzazione topologica consente di ridurre i costi associati alla produzione in additive manufacturing poiché essi sono direttamente proporzionali al volume di materiale utilizzato per realizzare i componenti.

Dunque, riducendo le masse in gioco è possibile ridurre sia i tempi di produzione sia i costi associati, così da realizzare un progetto vincente non solo dal punto di vista delle performance, ma anche da quello economico.

I software e il workflow di ottimizzazione

Ci sono diversi software che consentono di realizzare ottimizzazione sulla topologia dei componenti, così da creare parti resistenti alle condizioni di carico definite, migliorandone peso e forma affinché rispondano meglio alle esigenze tecnologiche.

Tramite l’utilizzo di questi strumenti il progettista ha fin da subito le indicazioni riguardo la miglior forma da dare al componente, permettendo il massimo risparmio di materiale in relazione alla resistenza che il pezzo deve avere rispetto alle condizioni di carico, ai vincoli iniziali e alla tecnologia con la quale il componente stesso sarà realizzato.

Indipendentemente dal software utilizzato l’ottimizzazione topologica si realizza attraverso una serie di passaggi che possono essere riepilogati come di seguito:

• Input: una volta importato il modello CAD 3D all’interno della piattaforma di progettazione, si procede con il definire i vincoli e le forze in gioco che il componente dovrà sopportare una volta in esercizio;
• Definizione zone funzionali: successivamente si procede con il definire le zone del pezzo che non devono essere modificate o elaborate poiché fondamentali per il funzionamento del componente stesso come, ad esempio, fori o zone di collegamento utili per l’assemblaggio;
• Simulazione: gli strumenti di ottimizzazione topologica sono in grado di effettuare analisi agli elementi finiti (FEM) e pertanto lo step successivo è quello di discretizzare il componente mediante una mesh e definire la distribuzione delle tensioni e delle deformazioni all’interno della geometria. In questo modo è possibile calcolare il comportamento strutturale del sistema.
• Smoothing: sulla base di queste analisi FEM e sulla base della tecnologia di produzione per cui si sta attuando l’ottimizzazione, il software elimina la percentuale di materiale non necessaria al mantenimento dei parametri di sicurezza definiti.
• Output: al termine dell’ottimizzazione il software restituirà una soluzione che avrà una massa inferiore pur mantenendo inalterati i requisiti meccanici desiderati.

L’ottimizzazione topologica nella robotica

L’ottimizzazione topologica può essere applicata a una larga varietà di componenti appartenenti ai settori più disparati come, ad esempio, robotica, automotive e aerospace.

Concentrando l’attenzione sul mondo della robotica, tale tecnica può essere applicata ai componenti che costituiscono un qualsiasi robot e, dunque, attraverso un’ottimizzazione delle masse in gioco è possibile ridurre il peso dei componenti e beneficiare di diversi vantaggi.

Ad esempio, la possibilità di utilizzare motori di minore potenza, ridurre le inerzie aumentando le performance del robot o massimizzare il numero di cicli e la vita utile del sistema prima della fase di manutenzione, riducendo i costi e i tempi di produzione dello stesso.

All’interno dell’industria automobilistica il connubio tra additive manufacturing e ottimizzazione topologica può essere assolutamente dirompente in quanto tale settore è storicamente ostacolato dalle limitazioni imposte dai processi produttivi tradizionali che consentono di realizzare solo componenti caratterizzati da forme semplici.

La possibilità di riprogettare e realizzare componenti nuovi attraverso l’unione queste due tecnologie consente al settore automobilistico di ottenere miglioramenti in grado di rendere i veicoli più economici, più leggeri e più efficienti nei consumi.

Risulta fondamentale individuare i componenti da realizzare con tecniche di produzione additiva sui quali applicare ottimizzazioni di questo tipo al fine di percorrere più chilometri per litro di carburante o aumentare l’autonomia dei veicoli elettrici.

Connubio tra additive e ottimizzazione topologica

L’additive manufacturing e l’ottimizzazione topologica si combinano perfettamente tra di loro poiché consentono di realizzare geometrie complesse che non possono essere prodotte tradizionalmente.

Sono in effetti due facce della stessa medaglia, in quanto l’AM aggiunge materiale e l’ottimizzazione suggerisce di lasciarlo soltanto laddove è necessario.

Pertanto, se vogliamo realizzare qualcosa di innovativo e mai visto prima, con caratteristiche dirompenti e performance più spinte, dobbiamo adottare un diverso approccio nella progettazione, utilizzando tecnologie innovative, in grado di offrire nuove possibilità per lo sviluppo di prodotti evoluti.