I software di ottimizzazione topologica per la stampa 3D disponibili sul mercato

L’ottimizzazione topologica è un processo di ottimizzazione strutturale il cui scopo è ottenere la forma più efficiente di un componente riducendone il materiale superfluo, senza comprometterne le prestazioni. Grazie a sofisticati calcoli computazionali, questo metodo consente di distribuire il peso e il materiale in modo ottimale, migliorando resistenza e leggerezza. Il risparmio di materiale porta anche a una riduzione dei costi. L’adozione dell’ottimizzazione topologica sta crescendo rapidamente in diversi settori industriali, alimentando la domanda di software specializzati. Secondo un rapporto di Market Research Intellect, il mercato del software di ottimizzazione topologica strutturale dovrebbe raggiungere i 21,02 miliardi di dollari entro il 2031, con una crescita annuale dell’11,09% tra il 2024 e il 2031. Questi dati spiegano perchè vengano sviluppate sempre più soluzioni di ottimizzazione topologica. Ma quali sono le offerte presenti sul mercato? In questo articolo daremo un’occhiata alle soluzioni software per l’ottimizzazione topologica utilizzate nella produzione additiva.

3DXpert

3DXpert è un software all-in-one, originariamente di proprietà di 3D Systems, passato sotto il brand Oqton nel 2022. 3D Systems ha acquistato Oqton nel 2021 che è ora una filiale software indipendente. 3DXpert è un software 3D di produzione additiva integrato e completo che ottimizza l’intero flusso di lavoro, dalla progettazione alla stampa. Il software è pesato per evitate errori costosi, unendo tutti i processi AM in un unico ambiente software, compresi DfAM, preparazione della stampa, simulazione e ispezione. Inoltre, 3DXpert fornisce un set di strumenti di progettazione dedicato, necessario per le modifiche di leggerezza, texturing e stampabilità. Tra questi: ottimizzazione topologica, reticoli, texturing, modellazione implicita e altri. Il software è ideale per progetti industriali in una varietà di settori ed è particolarmente noto per apportare automazione e velocità nei processi.

Altair Engineering

Altair Engineering è un’azienda dedicata allo sviluppo di software e soluzioni in cloud. La sua offerta di software comprende diverse soluzioni di modellazione 3D, alcune delle quali progettate specificamente per la produzione additiva. Altair® HyperWorks®, ad esempio, è una piattaforma completa di progettazione e simulazione che integra l’ottimizzazione topologica attraverso l’analisi dell’integrità strutturale dei progetti, della durata, della dinamica, del peso, della resistenza e dell’efficienza dei materiali. All’interno di questa piattaforma esistono strumenti specifici di ottimizzazione topologica, come OptiStruct. Questo offre una varietà di metodi di ottimizzazione strutturale e una serie di funzioni utili nei processi di produzione tradizionali, compositi e additivi. Inoltre, l’azienda ha sviluppato Altair Inspire, una suite di software che accelera la progettazione basata sulla simulazione. Uno strumento degno di nota è Altair® Inspire™ Print3D, che offre funzioni specifiche per ridurre l’uso di materiale in processi specifici come PBF e Binder Jetting. Inoltre, sono disponibili strumenti per la costruzione di stampi, l’estrusione di metalli, l’estrusione di polimeri e altro ancora.

Ansys Additive Suite

Ansys Additive Suite è una soluzione completa e potente per la produzione additiva di metalli, che previene gli errori di produzione e garantisce la conformità delle parti alle specifiche di progetto. Fornisce a progettisti, ingegneri e analisti informazioni essenziali coprendo l’intero flusso di lavoro, dall’ottimizzazione topologica alla convalida del progetto. Le sue funzionalità avanzate comprendono la manipolazione di file STL, l’analisi strutturale e termica e la simulazione di processi additivi, tra cui DMLS, DED e sinterizzazione dei metalli. Inoltre, Ansys Discovery, il primo strumento di progettazione basato sulla simulazione che combina simulazione fisica istantanea e modellazione avanzata, è ancora disponibile per supportare i progetti di produzione additiva.

(Crediti fotografici: Ansys)

Netfabb

Acquisito da Autodesk nel 2015, Netfabb è una soluzione software finalizzata alla preparazione del processo produttivo. Tra le sue caratteristiche principali si trovano la conversione e l’importazione di modelli provenienti da diverse applicazioni CAD, la massimizzazione del numero di parti in grado di essere stampate e, come previsto, l’ottimizzazione della progettazione per la produzione additiva. Data la grande libertà di progettazione offerta da questa tecnologia, Netfabb ha dovuto integrare l’ottimizzazione topologica nella sua soluzione software. Oltre a ottimizzare il processo di stampa, il software aiuta a ridurre gli errori prevedendo in anticipo come le diverse parti potrebbero essere influenzate durante la produzione. Netfabb è disponibile in 4 versioni diverse: Standard, Premium, ultimate e Simulation, quindi il suo prezzo varia a seconda della versione scelta.

nTop

Con sede a New York, nTop è un’azienda dedicata allo sviluppo di soluzioni di ottimizzazione topologica per la risoluzione di problemi ingegneristici complessi nella produzione additiva. Il suo software, nTop, mette a disposizione una suite di funzionalità avanzate per rivoluzionare la progettazione, l’ottimizzazione e la scalabilità dello sviluppo prodotto. Oltre alla versione base, l’azienda propone due varianti che ampliano le capacità di modellazione. Ad esempio, nTop Core consente di collegare le applicazioni con file impliciti, evitando le conversioni in mesh B-rep o STL. In questo modo si ottiene un processo senza soluzione di continuità che si traduce in progetti di maggiore fedeltà e in parti più performanti. È sicuramente un’opzione conveniente per l’esigente industria 3D, che cerca costantemente di alleggerire i pezzi riducendo i costi di produzione.

Siemens NX

Siemens ha sviluppato una soluzione software integrata chiamata NX. Questa soluzione consente a qualsiasi utente di beneficiare di tutti i vantaggi della produzione additiva, semplificando le fasi di modellazione. Concretamente, lo strumento consente agli utenti di progettare per la stampa 3D, preparare il pezzo, visualizzarlo, moltiplicare le iterazioni, ecc. Tra le funzionalità offerte, l’ottimizzazione topologica è parte integrante di ciò che Siemens definisce Convergent Modeling. Questa tecnologia consente di integrare geometrie tradizionali e modelli mesh all’interno dello stesso ambiente di progettazione, eliminando la necessità di conversioni o esportazioni in altri formati per ottimizzare un componente. In altre parole, tutto il processo si svolge direttamente sulla stessa piattaforma. Pur non essendo un software dedicato esclusivamente all’ottimizzazione topologica, NX si distingue come una soluzione all-in-one che include questa funzionalità, rendendola particolarmente utile per la produzione additiva.

Tosca

Tosca è una suite di ottimizzazione di Dassault Systèmes. È una potente soluzione di ottimizzazione strutturale e dei flussi basata su simulazioni FEA e CFD. L’azienda offre due soluzioni di prodotto a questo proposito: Tosca Structure e Tosca Fluid. Tosca Structure può essere utilizzata per l’ottimizzazione della progettazione di parti leggere, rigide e durevoli. Grazie all’ottimizzazione topologica è possibile ridurre il processo di sviluppo e il time-to-market. Si tratta di un vantaggio che i produttori di automobili, tra gli altri, sanno come utilizzare. La versione attuale di Tosca viene fornita insieme a Python 3.7.1 ed è stata migliorata per includere la creazione automatica delle condizioni di arresto. Il secondo prodotto, Tosca Fluid, è utilizzato per la progettazione e la topologia non parametrica del flusso di fluidi per componenti e sistemi.

(Crediti fotografici: Dassault Systèmes)

OpenPicso

OpenPicso è un software open-source modulare per l’ottimizzazione topologica, progettato per supportare griglie, mesh non strutturate e mesh adattate al corpo nel processo di progettazione strutturale. Offre un’interfaccia grafica intuitiva, un’applicazione a riga di comando e una libreria Python, garantendo un’elevata flessibilità d’uso. Il software è progettato con un forte focus su modularità, estensibilità e interoperabilità: gli utenti possono integrare facilmente routine personalizzate, come algoritmi di ottimizzazione o elaborazione della mesh, senza dover modificare il codice sorgente. L’ottimizzazione topologica in OpenPicso si basa su un motore di modellazione implicito. Attualmente, il software è in fase di sviluppo presso IRT SystemX e Safran Tech, il centro di ricerca e tecnologia di Safran.

(Crediti fotografici: OpenPisco)

COMSOL Multiphysics®

Il COMSOL Multiphysics® è un software completo per la topologia ottimizzata che permette di massimizzare i design delle parti che dovranno essere stampate in 3D. Questo software utilizza metodi numerici avanzati e offre strumenti per la modellazione sia multifasica che a fisica singola, completamente integrate tra loro. Inoltre, grazie alla sua interfaccia intuitiva, permette di gestire l’intero flusso di lavoro in modo efficiente e semplice. L’integrazione dell’add-on di COMSOL Multiphysics®, chiamato The Optimization Module, permette inoltre di disporre di ulteriori strumenti sia per effettuare una stima dei parametri, che per ottimizzarli per forme e per topologia. Nel sito web sono disponibili alcuni esempi pratici delle capacità The Optimization Module. Tra questi, viene mostrata l’ottimizzazione topologica di un gancio per una migliore distribuzione di materiale e peso e la progettazione di una bobina per massimizzare la densità del flusso magnetico. Infine, il software offre due interfacce utente differenti per l’ottimizzazione della forma e dei parametri.

Un modello di bobina ottimizzato per ottenere un campo magnetico uniforme in asse. (Crediti fotografici: COSMOL Multiphysics®).

Cognitive Design

Il software Cognitive Design è stato sviluppato dalla società francese Cognitive Design Systems. Offre molteplici funzionalità e mira a ottimizzare i progetti, indipendentemente dalla loro complessità. Grazie a un approccio basato sulla simulazione, i progettisti CAD possono individuare le strategie migliori per ridurre il peso dei loro modelli 3D e creare nuove forme. Il software può, ad esempio, integrare nervature e strutture reticolari o giocare con i riempimenti. Gli utenti possono implementare queste ottimizzazioni geometriche in modo semi-automatico, offrendo una maggiore flessibilità e tempi di progettazione ridotti. Inoltre, Cognitive Design non solo genera modelli ottimizzati per la stampa 3D, ma aiuta anche a identificare eventuali difetti di produzione già in fase di progettazione. Ad esempio, il software analizza aspetti critici come lo spessore delle nervature e il posizionamento del pezzo sul piatto di stampa, prevenendo potenziali problemi prima della produzione. In definitiva, si tratta di una soluzione che va oltre la semplice ottimizzazione topologica, contribuendo a rendere il processo di produzione più efficiente e affidabile.

Ameba

Ameba, il software di XIE Technologies, nasce come uno strumento di ottimizzazione topologica avanzato, facile e intuitivo da usare. Basato sulla tecnologia Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO), sviluppata dal Prof. Yi-Min (Mike) Xie, Ameba integra Rhino-Grasshopper per la modellazione e il post-processing dei modelli. Con Ameba possono essere analizzati dei modelli finiti in brevissimo tempo e ne può essere ottimizzata la topologia grazie al cloud computing. Il software è dotato inoltre di numerose librerie di calcolo e di file open source con i quali è possibile manipolare i dati sia in fase di preelaborazione che di post-processing. Infine, Ameba possiede un’alta capacità di estensione e si integra facilmente con software esterni, rendendolo uno strumento versatile per la progettazione avanzata.

TopOpt

TopOpt è uno strumento integrato in Grasshopper, l’ambiente di programmazione visiva di Rhinoceros 3D, progettato per esplorare nuovi metodi di ottimizzazione topologica nei campi dell’architettura e dell’ingegneria strutturale. Attualmente in fase alfa, TopOpt offre diverse strategie di ottimizzazione, tra cui un approccio 2D derivato da un’applicazione mobile interattiva, un metodo basato su strutture continue ottimizzate per la tensione e la compressione e un modello bimateriale per strutture composite. Lo sviluppo futuro del software includerà funzioni avanzate come l’ottimizzazione 3D e un’ulteriore visualizzazione interattiva. Compatibile con Grasshopper per Rhino 4 e 5, TopOpt rappresenta un importante passo avanti per i progettisti che desiderano integrare soluzioni di ottimizzazione ad alte prestazioni nei loro progetti.

Z88OS

Nel 1985, il Prof. Dr. Frank Rieg sviluppò la prima versione del software per parti finite Z88 in FORTRAN presso l’Università di Bayreuth. Oggi, il software comprende diverse varianti, tra cui Z88OS come kernel di calcolo open source per una comprensione di base della FEA, la versione GUI di facile utilizzo Z88Aurora®, che elabora anche dati CAD, e Z88Arion® per l’ottimizzazione topologica. Inoltre, le applicazioni mobili Z88Tina e Z88Mobile consentono una rapida visualizzazione dei risultati della simulazione. L’intera rosa di prodotti Z88 è gratuita e viene utilizzata principalmente per l’insegnamento dell’ingegneria nelle università e negli istituti tecnici. Z88Arion offre un’interfaccia intuitiva con potenti motori di calcolo ed è suddiviso in tre aree: preprocessore, solver e postprocessore, facilitando un rapido apprendimento e calcoli efficienti.

Z88Arion® per il picking e la gestione dei set (Crediti Fotografici: Z88)

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