Design generativo, una rivoluzione nella progettazione

A cura di Stefano Grulli

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Il design generativo è un approccio programmatico per sintetizzare il progetto a partire dalle specifiche dell’utente. Si tratta di una metodologia in grado di generare, in modo completamente automatizzato, il progetto e il piano costruttivo del componente da produrre. Questo processo, tutt’altro che semplice, permette di accelerare notevolmente le fasi progettuali e quindi in generale l’intera produzione.

L’industria della lamiera è fondamentale nell’economia moderna con un impatto significativo in diversi settori, tra cui l’automotive, l’aerospaziale, l’edilizia e molti altri. La lamiera è un materiale versatile e ampiamente utilizzato, grazie alle sue proprietà di resistenza, duttilità e leggerezza.

Tuttavia, questa industria si trova di fronte a molte sfide, tra cui costi elevati, tempi di produzione ridotti e la necessità di ottimizzare l’efficienza per rimanere competitivi sul mercato globale. Un fattore cruciale da considerare è il costo dei materiali, soggetti ad inflazione e fluttuazioni non controllabili direttamente.

I tempi di produzione sono un altro aspetto chiave per l’industria della lamiera. I clienti richiedono consegne sempre più rapide e i tempi di produzione devono essere ridotti al minimo. Per rimanere competitivi sul mercato globale, le imprese del settore della lamiera devono ottimizzare l’efficienza complessiva. Ciò significa massimizzare l’utilizzo dei materiali, ridurre gli sprechi, migliorare la qualità dei prodotti e ridurre i costi operativi.

Le imprese devono adottare strategie mirate per ridurre i costi e adottare tecnologie avanzate per accelerare la produzione e migliorare la qualità. Attraverso un approccio olistico e grazie all’innovazione continua, le imprese del settore possono prosperare in un mercato sempre più competitivo.

Progettazione di lamiera

La fabbricazione di lamiera è una tecnica piuttosto diffusa e solitamente si basa su una serie di operazioni di taglio e formatura a partire da una lamiera piana, offrendo così costi e scarti ridotti rispetto ad altre lavorazioni. Nonostante la diffusione di questi processi rimangono tuttavia limitate le possibilità dal punto di vista progettuale.

Le nuove tecnologie digitali sono in grado di supportare il progettista grazie ad interazioni ed analisi specifiche, ma non esistono soluzioni in grado di proporre un design a partire dai requisiti di progetto. L’attività di progettazione è attualmente particolarmente laboriosa, richiedendo diverse ore ad un ingegnere specializzato anche per progetti relativamente semplici.

Questo comporta un inevitabile collo di bottiglia nella produzione dei componenti di lamiera dato che spesso la forza lavoro è limitata e i progetti rischiano di andare in coda. Emerge quindi naturalmente l’importanza di efficientare anche la fase progettuale per offrire immediati vantaggi anche dal punto di vista produttivo.

Design generativo

I moderni ed evoluti sistemi CAD offrono diversi strumenti a supporto dei progettisti di lamiera. Sono infatti disponibili interfacce 3D o 2D per la progettazione di lamiere e sistemi di analisi. Tuttavia è ancora necessario un intervento manuale intensivo per la realizzazione di geometrie rispondenti ai requisiti. L’innovativa alternativa proposta dagli autori è quella di offrire una soluzione in grado di generare il completo piano di fabbricazione della lamiera a partire dai requisiti.

Il design generativo è infatti un approccio programmatico per sintetizzare il progetto a partire dalle specifiche dell’utente. Si tratta di una metodologia in grado di generare, in modo completamente automatizzato, il progetto e il piano costruttivo del componente da produrre. Questo processo è tutt’altro che semplice, dato l’elevato numero di requisiti e la loro diversità, ma permette di accelerare notevolmente le fasi progettuali e quindi in generale l’intera produzione.

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Questo processo (schematizzato in Figura 1) riceve in ingresso la definizione dello spazio circostante e i carichi. Il risultato è un piano costruttivo per un componente di lamiera ottimizzato e rispondente ai requisiti. La parte così prodotta è derivata da una singola lamiera, senza saldature e unita tramite rivetti alle interfacce.

Il processo

Progettare componenti in lamiera può essere particolarmente complesso anche per ingegneri con esperienza. Il motivo è dovuto al fatto che bisogna tenere conto di diversi requisiti, spesso anche in conflitto tra di loro, per riuscire ad ottenere un componente ottimale.

Gli autori identificano quattro categorie di requisiti da considerare in fase di design: requisiti di contorno per connettere il componente con le sue interfacce, obiettivi produttivi per ridurre materiale e lavorazioni necessarie, requisiti produttivi per evitare collisioni durante le lavorazioni o angoli di piegatura estremi e requisiti strutturali per assicurare l’integrità del componente e la resistenza alle sollecitazioni. La soluzione proposta riesce a gestire questa complessità esplorando le soluzioni in grado di soddisfare tutte queste necessità. La generazione del componente è quindi una sfida nel trovare il design in grado di soddisfare tutti i requisiti, ma anche nella maniera ottimale.

L’algoritmo di generazione del design si basa sulla composizione di “segmenti” connessi tra di loro. Lo schema di esplorazione utilizza due fasi: la prima è quella di “scoperta” di nuovi segmenti in grado di soddisfare i requisiti e viene eseguita alternando fasi stocastiche a fasi di ottimizzazione locale. La seconda fase è quella di composizione dei segmenti per trovare la miglior soluzione in grado di soddisfare tutte le richieste. Il risultato finale di diverse iterazioni (Figura 2) è un componente ottimizzato in grado di garantire il pieno rispetto di tutti i requisiti definiti.

I risultati

Il procedimento proposto dagli autori dello studio è stato testato su diversi contesti a complessità crescente. Il materiale utilizzato è Alluminio 2024T3 con uno spessore di 1.6 mm, spesso utilizzato in ambito aerospaziale. I risultati sono particolarmente interessanti, anche in situazioni complesse gli ostacoli sono stati efficacemente superati.

Ogni generazione automatizzata impiega circa 10-20 minuti.  È anche stato effettuato un confronto con i progetti sviluppati da un esperto e la riduzione, sia di peso che di tempo di progettazione, è stata notevole. Alcuni componenti così progettati sono stati realizzati fisicamente (Figura 3) per dare un riscontro pratico delle potenzialità della metodologia.

Questo interessante studio mostra il primo esempio di design generativo completo per lamiere. Partendo da specifiche funzionali di alto livello è infatti possibile ottenere un progetto completo ed ottimizzato di componente. Il processo proposto sembra essere efficace e funzionale in numerose situazioni, adattandosi bene a diverse situazioni.

Sebbene l’algoritmo non garantisce di trovare il design ottimale in assoluto, è in grado di fornire ottimi compromessi anche superando l’esperienza umana e, soprattutto, riducendo i tempi necessari. Risulterebbe infatti uno strumento prezioso in ambito industriale per permettere di abbattere i tempi progettuali, sorpassando così alcuni colli di bottiglia del processo attuale. Gli autori si mostrano interessati a valutare la scalabilità della soluzione e a migliorare l’intelligenza dell’algoritmo.

Interessante notare che, analogamente alle recenti innovazioni di intelligenze artificiali in grado di generare testo, è possibile intravedere novità anche sul lato industriale e produttivo. Stanno infatti nascendo nuove soluzioni in grado di generare progetti e componenti partendo da richieste ad alto livello. L’impatto potenziale di queste soluzioni è notevole e rivoluzionario. Sarà interessante esplorare l’evoluzione di questo ambito di ricerca nei prossimi mesi ed anni prima di un’introduzione su larga scala.

Fonte: Amir, B., Gur, T., Adriana, S., & Amit H, B. (n.d.). Generative Design of Sheet Metal Structures. ACM Trans. Graph, 42(4).

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