Ottimizzazione topologica per la stampa 3D

La produzione additiva, a differenza delle tecniche di lavorazione tradizionali, permette di produrre di pezzi con geometrie complesse il cui peso totale può essere ottimizzato con uno strumento digitale chiamato “ottimizzazione topologica”. Questo strumento permette anche di massimizzare la resistenza meccanica del pezzo creato. L’ottimizzazione topologica è infatti un metodo di progettazione digitale che permette di trovare, mediante formule matematiche, la distribuzione ottimale del materiale in un dato volume soggetto a vincoli meccanici più o meno importanti.

L’ottimizzazione della topologia, dunque, consiste nel rimuovere materiale nei punti non soggetti a stress impiegando software dedicato. Tra le soluzioni più rinomate ci sono Ansys Discovery, Tosca di Dassault Systèmes, Within Labs di Autodesk, Inspire di SolidThinking, Netfabb e Simufact Additive.

Come funziona?

I processi tradizionali di progettazione digitale implicano l’applicazione di carichi a un pezzo già prodotto per valutarne i punti deboli. I tecnici devono quindi modificare il design fino a quando il pezzo non soddisfa i vincoli meccanici dati. Con l’ottimizzazione della topologia, la logica applicata è diversa: i carichi meccanici rappresentano dati da inserire che consentiranno al software di proporre una nuova geometria per il pezzo. Quindi, ci dovrebbero essere meno iterazioni applicate al design del pezzo, riducendo notevolmente i tempi di progettazione e produzione.

In concreto, l’ottimizzazione della topologia inizia con un modello 3D grezzo di un pezzo nuovo o esistente, cui vengono applicati diversi carichi e forze (una pressione sulle alette di fissaggio, ad esempio). Il software quindi calcola tutte le forze applicate.

Durante questa fase di progettazione il software rimuoverà materiale là dove calcola che il pezzo non è soggetto a stress. Una bozza del futuro pezzo ottimizzato è quindi già visibile. La geometria finale, che soddisfa requisiti meccanici e di design, può quindi essere ottenuta dopo aver rifinito il pezzo. L’ottimizzazione della topologia soddisfa l’esigenza di dover ridurre o aumentare la resistenza meccanica del pezzo.

Software di ottimizzazione topologica

Non tutti i software CAD offrono la funzione di ottimizzazione topologica: anche se non è necessariamente utilizzata nel processo di progettazione e di produzione, può essere preferibile optare per una soluzione che la includa, per essere sicuri di progettare un pezzo ottimale. Alcuni sviluppatori hanno quindi creato software dedicati. Uno dei pionieri in questo ambito è Altair con la sua primissima soluzione OptiStruct, seguita più tardi da Altair Inspire. Possiamo anche menzionare Ansys, Dassault Systèmes, Autodesk e nTopology. Numerosi software CAD includono funzioni extra per ottimizzare i pezzi come Solidworks, Creo e Fusion 360.

Scegliere il giusto software di ottimizzazione della topologia è un passaggio fondamentale perché lo strumento ti permetterà di definire dei limiti sul pezzo che stai creando in base al materiale, alle proprietà geometriche e ai carichi meccanici. Il software analizzerà i diversi carichi in casi diversi, sia che il pezzo sia utilizzato in condizioni normali o in condizioni estreme, ma anche lo spazio disponibile per il design e le parti del pezzo che non desideri modificare.

Chi utilizza l’ottimizzazione della topologia e a quale scopo?

L’industria automobilistica ha prontamente affrontato questo problema per ridurre i costi diretti attraverso il risparmio di materie prime, soprattutto nelle produzioni in serie. Infatti un risparmio di pochi grammi per veicolo, su una produzione di diversi milioni di unità, rappresenta tonnellate di materiale risparmiato. Possiamo fare l’esempio del telaio stampato in 3D della Light Rider, un pezzo che pesa appena 6 chili grazie a una distribuzione ottimale del materiale. Un esempio più recente sono le sospensioni per Fiat Chrysler Automobiles, che combinano più di 12 componenti diversi in un unico pezzo. I designer hanno dichiarato di averne ridotto il peso del 36%.

Il settore aerospaziale è senza dubbio un altro settore molto interessato all’ottimizzazione della topologia per ridurre i costi indiretti. Un velivolo più leggero consuma meno carburante e questo, a lungo termine, porta a un risparmio significativo per una compagnia aerea. Questo è ciò che ha dimostrato l’ingegnere Andreas Bastian con i suoi sedili: ha immaginato un design di sedili che risulta il 54% più leggero, una riduzione di peso significativa per un velivolo. Oltre all’aspetto legato al peso, l’ottimizzazione della topologia consente al settore aerospaziale di immaginare forme molto più complesse poiché il settore si sta liberando dai limiti imposti da uno stampo.

Infine, il settore medico sta scoprendo questo metodo di progettazione, soprattutto per la produzione di impianti su misura: l’ottimizzazione topologica permette di imitare la densità ossea, riducendo il peso totale. Infatti, numerosi impianti hanno introdotto strutture in lattice, pur restando solidi quanto quelli progettati in maniera tradizionale o perfino di più, in alcuni casi.

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