Ottimizzazione topologica

Verso il cambiamento della Stampa 3D

Cos’è e perché cambierà il mondo dell’Additive Manufacturing

Riduzione dei costi, possibilità di ottenere geometrie un tempo impossibili grazie all’utilizzo di software CAD di ultima generazione. Ecco come cambia la manifattura additiva e come le aziende possono trarre vantaggio da queste tecnologie.


Cos’è l’ottimizzazione topologica?

Con il termine “ottimizzazione topologica” si definisce lo studio, effettuato con software di nuova generazione, in grado di ridefinire la forma di un componente meccanico, permettendo di alleggerire il particolare tramite la sottrazione di materiale inutile ai fini del mantenimento delle proprietà del pezzo. Attraverso questo metodo è possibile ottenere componenti dalle forme organiche, rispettando i vincoli di producibilità, riducendo i pesi in gioco e garantendo le prestazioni meccaniche iniziali.

Il processo di ottimizzazione topologica, oltre all’additive manufacturing, è in realtà applicabile anche ad altre tecnologie tradizionali di produzione. La massima espressione del processo viene però declinata nel concetto di “forma libera” permesso dalla tecnologia di stampa 3D.


Perché l’ottimizzazione topologica è utile alle aziende?

Il motivo principale per il quale è molto conveniente utilizzare l’ottimizzazione topologica per definire un particolare risiede nella possibilità di riuscire a sfruttare al massimo la tecnologia 3D.

Così facendo è possibile:
  • Ridurre costi e tempi di produzione, posizionando il materiale solo dove veramente serve;
  • Sviluppare idee inattuabili prima dell’avvento di queste tecnologie;
  • Progettare in modo completamente diverso particolari che prima erano disegnati rigidamente a causa di vincoli e limiti dettati dalle tecnologie di produzione tradizionali.

In cosa consiste il processo di ottimizzazione topologica?

Topology Optimization Generative DesignTopology Optimization | 3D printing

Il processo di ottimizzazione topologica si divide in diversi passaggi:

  • Input: sul modello CAD 3D vengono imposte le forze e i vincoli che un particolare dovrà sopportare una volta in esercizio;
  • Si definiscono le zone del pezzo che non devono essere modificate e rielaborate, quali gli attacchi e i fori utili per l’assemblaggio o le parti vitali per il funzionamento stesso del pezzo (ad esempio: se il particolare contiene al suo interno un foro utile per l’assemblaggio , si esclude quella zona dal progetto di ottimizzazione);
  • Si effettuano analisi FEM (metodo a elementi finiti) reiterate sul particolare che permettono di calcolare il comportamento strutturale del sistema;
  • 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: il particolare ottimizzato che si ottiene a seguito dei diversi passaggi avrà un peso inferiore rispetto a quello iniziale pur mantenendo inalterati i requisiti meccanici desiderati.

Una volta terminate queste operazioni, il processo di ottimizzazione può essere eseguito anche più di una volta, in modo tale da ottenere il miglior risultato possibile.


SolidThinking Inspire, il software per l’ottimizzazione topologica

SolidThinking Inspire è una suite che consente di ridurre i tempi di progettazione, permettendo di realizzare componenti resistenti alle condizioni di carico definite, ottimizzandone peso e forma perché rispondano meglio alle esigenze tecnologiche. Indipendentemente dal CAD utilizzato, con Inspire è possibile affiancare i tradizionali strumenti di progettazione, intervenendo sin dalla prima fase del progetto. In questo modo il progettista ha fin da subito indicazioni riguardo la miglior forma da dare al componente permettendo il massimo risparmio di materiale, tenendo in considerazione la resistenza che il pezzo deve avere alle condizioni iniziali (carichi e vincoli) e la tecnologia con la quale lo stesso dovrà essere prodotto.

Le principali caratteristiche di questo software sono:
  • Simulazione delle performance del sistema meccanico per carichi statici, oscillazioni e punti di cedimento;
  • Simulazione dinamica di sistemi meccanici e definizione dei carichi per l’ottimizzazione topologica;
  • Generazione di design dal peso ridotto in relazione al processo di produzione prescelto (anche tecnologie additive);
  • Generazione di strutture lattice ottimizzate per i carichi che deve reggere il componente;
  • Esportazione della geometria prodotta nei formati utili per la stampa in 3D.
Ottimizzazione Topologica | Elmec.com

Ottimizzazione topologica: un caso concreto

Abbiamo sviluppato internamente un nostro progetto R&D mediante l’utilizzo della tecnologia HP Multi Jet Fusion. Si tratta di un braccio robotico a 6 assi, con massima estensione di circa 60 cm, composto da 6 parti massive. Tutte le parti massive sono state prodotte in tecnologia HP MJF e poi assemblate. Anche le stesse pulegge e cinghie utili per la movimentazione e rotazione del braccio sono state prodotte mediante tecnologia HP MJF.

La Multi Jet Fusion permette di produrre particolari:
  • Molto complessi;
  • Senza il bisogno di supporti (permettendo di impilare i particolari lungo l’asse Z);
  • In numero relativamente elevato e in poco tempo (le diverse parti che compongono il braccio sono state prodotte in un’unica build unit);
  • Partendo dal materiale Nylon 12;

Abbiamo inoltre provato a disegnare e produrre queste ultime mediante tecnologia FFF (Fused Filament Fabrication), utilizzando la stampante 3D Roboze One +400. Il progetto risulta essere un ottimo esempio di coesistenza di diverse tecnologie 3D in quanto funziona al meglio anche con l’unione di alcune parti prodotte con la Multi Jet Fusion Hp e altre con la FFF Roboze, sebbene le due mostrino attitudini e caratteristiche differenti.

La FFF Roboze One +400 permette di produrre particolari:
  • Per applicazioni estreme;
  • Con resistenze chimiche e meccaniche molto elevate (fino a 138 MPa);
  • Con resistenze in temperatura molto elevate (fino a HDT di 280°C);
  • Con ampia varietà di materiali, dal PLA al PEEK, passando per il Carbon PA.
Braccio Robotico | Ottimizzazione topologica

La funzione del braccio robotico è quella di movimentare particolari di diversa forma. Per questo motivo, è possibile dotare il braccio di varie mani di presa progettate in modo da riuscire a movimentare oggetti di forma diversa. Grazie alla tecnologia 3D è infatti possibile produrre le mani di presa necessarie e idonee all’oggetto da spostare, senza aspettare la definizione di stampi, ma semplicemente variandone la forma e la struttura tramite il file CAD 3D.

Dopo aver prodotto il primo braccio robotico, il nostro obiettivo per il futuro è quello di procedere con una ulteriore ottimizzazione topologica per poter arrivare a definire un secondo braccio, riducendo il peso del 50% e mantenendo le stesse resistenze meccaniche definite per il primo prototipo.

Questa riduzione di peso sarà fondamentale per consentire:
  • L’utilizzo di un motore di minore potenza;
  • La massimizzazione del numero di cicli e del tempo di vita del braccio prima di dover fare manutenzione;
  • La diminuzione di costi e tempi di produzione dello stesso braccio.

Nel Laboratorio Elmec 3D, insieme ai nostri partner, abbiamo realizzato diversi progetti di ottimizzazione topologica. Se vuoi saperne di più, i nostri specialisti di stampa 3D sono a tua disposizione per informarti sulle tecnologie più innovative e per raccontarti tutte le novità legate all’additive manufacturing.

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