I vantaggi della topology optimization

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L’ottimizzazione topologica (o topology optimization) è un processo di ottimizzazione della massa di materiale di un componente, riducendone il peso (e quindi il costo), ma mantenendo la stessa rigidezza.

L’aumento dei costi dell’energia e delle materie prime genera un forte impatto economico sulla produzione di componenti meccanici. Al fine di contenere i costi, i produttori negli ultimi tempi hanno puntato sempre più alla realizzazione di componenti ottimizzati, evitando dunque costosi sovradimensionamenti.
Questo si traduce, oltre a un risparmio per il cliente, anche in un vantaggio a livello di sostenibilità. Infatti, prendendo ad esempio una macchina industriale pick and place, tramite ottimizzazioni come la riduzione della massa è possibile diminuirne il consumo energetico richiesto per la movimentazione, comportando benefici ambientali.

Grazie al metodo FEA, e in particolare alla procedura di Topology Optimization, siamo in grado di realizzare componenti per un utilizzo specifico, dal design accattivante, ma allo stesso tempo ottimizzato e resistente, senza spreco di materiale.

Cos’è la topology optimization e a cosa serve?

Analizzando il significato del termine, che in italiano diviene “ottimizzazione topologica”, viene indicata una procedura che, partendo da un volume di materiale noto, permette di rimuovere materiale in eccesso e creare strutture ottimizzate a seconda di un obiettivo predefinito.
L’algoritmo, partendo da un determinato volume 3D, tramite un processo iterativo è in grado di generare diversi scenari, rimuovendo il materiale superfluo.

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Componente ottimizzato (fonte ANSYS)

L’obiettivo di questa procedura non è esclusivamente quello di ridurre la massa dei componenti, ma anche di rispettare alcuni obiettivi in termini di:

  • Rigidezza
  • Frequenze proprie
  • Dispersione termica
  • Momenti di inerzia
  • Resistenza a fatica

A seconda delle esigenze, inoltre, è possibile definire anche altri obiettivi su misura grazie a funzioni matematiche ad-hoc. A seguito del calcolo matematico viene estratto il design ottimizzato, il quale fungerà da linea guida per la costruzione di un modello 3D tradizionale.

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Esempio di riduzione di massa di un componente (fonte ANSYS)

Topology optimization non solo per additive manufacturing (AM)

La stampa 3D potrebbe apparire come la soluzione migliore per concretizzare la metodologia dell’ottimizzazione topologica. In realtà, tramite opportuni accorgimenti è possibile sfruttare la potenzialità del metodo anche per componenti fabbricati con le tecnologie tradizionali, quali:

  • CNC
  • Elettroerosione
  • Laser
  • Stampo
  • Iniezione plastica
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Profilo ottimizzato fabbricabile tramite processo di estrusione (fonte ANSYS)

Come si realizza l’ottimizzazione topologica: il workflow in SAECON

Per applicare la metodologia dell’ottimizzazione topologica possiamo partire tanto da un componente già esistente, quanto da un disegno di concetto fornito dal cliente. Grazie all’utilizzo dei più avanzati tool di ottimizzazione, possiamo fornire supporto alla progettazione o riprogettazione in qualsiasi fase della fabbricazione.

GLI STEP SEGUITI IN SAECON:

1. Obiettivo e necessità del cliente
In questa fase preliminare SAECON investiga con il cliente quali sono le sue esigenze e qual è il componente oggetto di studio. In base a queste informazioni, viene valutata l’applicabilità del metodo e pianificate le fasi successive.

2. Definizione del campo di applicazione
Al fine di effettuare le valutazioni corrette è necessario definire i carichi e i vincoli a cui sarà sottoposto il componente e infine il processo di fabbricazione desiderato.

3. Valutazione del margine di miglioramento
Tramite dei tool di ottimizzazione topologica rapidi, sulla base delle informazioni precedentemente citate, viene valutato il margine di miglioramento indicativo, dunque fornita una stima qualitativa.

4. Lavoro di ottimizzazione topologica
Il lavoro di ottimizzazione topologica vero e proprio avviene in questa fase. Unendo le combinazioni di carichi a cui sarà sottoposto un componente, definendone il materiale, il metodo di fabbricazione e gli obiettivi richiesti, si dà inizio al processo iterativo ingegnere-software al fine di estrapolare il modello definitivo.

5. Validazione del design
Una volta ottenuto il design ottimizzato, vengono effettuate ulteriori simulazioni dedicate al fine di validarne l’ottimizzazione. Ad esempio, analisi statiche, transienti, modali oppure valutazioni più mirate come le analisi sulla durata di vita del componente.

6. Consegna del modello 3D ottimizzato
Nell’incontro finale con il cliente vengono presentati i risultati ottenuti e discussi i metodi di fabbricazione.

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Ottimizzazione di una scala (fonte ANSYS)

Quali sono i vantaggi della topology optimization?

Applicando una politica di ottimizzazione dei componenti già esistenti, alcuni clienti hanno ridotto di oltre il 50% le masse su produzioni in serie da 20’000 pezzi. Questo si è tradotto in un notevole risparmio in termini di materie prime, trasporti e energia.

I vantaggi di questa metodologia di ottimizzazione hanno riscontri positivi nelle 3 fasi del ciclo di vita di un prodotto:

Progettazione
I tempi di progettazione sono molto più rapidi, risultando in componenti ottimizzati per il campo di applicazione e mantenendo comunque i fattori di sicurezza richiesti dalle normative. L’ausilio di software permette inoltre un’ottimizzazione oggettiva. Di conseguenza i design non sono influenzati dal progettista, ma esclusivamente dai carichi applicati. Il componente viene già ottimizzato con l’obiettivo di essere prodotto secondo determinati metodi di fabbricazione.

Produzione
Una minore esigenza di materiale si traduce in un risparmio considerevole soprattutto per produzioni in grandi serie, in termini di costi di fabbricazione, materie prime, energia e trasporto.

Utilizzo
Il componente ottimizzato, grazie alla sua massa ridotta, permetterà di raggiungere prestazioni più elevate, oltre ad avere un fabbisogno energetico inferiore.

Esempio di sospensione sviluppata con l’ausilio di tool di topology optimization. Da notare le forme che possono essere produtte tramite tecnologie tradizionali (fonte ANSYS)

Perché è utile la topology optimization?

Per ricapitolare, quando potrebbe essere utile ricorrere all’ottimizzazione topologica?

    • Per ridurre il costo di produzione di un macchinario, pur mantenendo i vincoli di sicurezza imposti dalle normative.
    • Per migliorare il design di un componente: i design creati con la topology optimization possono essere bio inspired, cioè molto simili alle forme naturali come conchiglie, alberi, ecc. Non sono quindi solo estremamente funzionali, ma anche esteticamente di impatto e ricercati.
    • Nelle fasi di riprogettazione di una macchina o di un elemento.
    • Per ottenere un minor impatto ambientale in termini di consumo di materia prima e di energia.
    • Per migliorare le performance di un componente o un assieme di componenti.

A quali settore può essere applicata?
Possiamo dire che non ci sono limiti di applicazione. L’ottimizzazione topologica può trovare una grande utilità in tutti i settori: automotive, industriale, robotica, aerospaziale e medicale.

Autore: Josef Bellea

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