A cura di Matteo Vettori
Il compito per oggi è quello di alleggerire la staffa di supporto in lamiera piegata illustrata nell’immagine seguente.
Bene! Ha lanciato la sfida al tuo team di progettisti, che si sono cimentati nel disegno della staffa alleggerita e ti hanno proposto le due soluzioni che seguono..
Quale staffa sceglieresti?
Credo la mia prima scelta sia ragionevolmente anche la tua … decisamente la staffa A è quella che “paga di più l’occhio”..
Perché questa scelta.. perchè il nostro cervello è programmato per prendere decisioni da un punto di vista prima di tutto emozionale e quindi visivo, solo in un secondo momento subentra la parte razionale, quella più riflessiva che pondera le decisioni in base ad una serie di fattori dei quali tenere conto.
La soluzione B è decisamente più leggera della soluzione A, il materiale impiegato è nettamente inferiore, per questo motivo e per come il materiale stesso è distribuito , la soluzione B ci sembra molto meno resistente della soluzione A.
Da un punto di vista generale, questo fatto è vero, ma tuttavia, per valutare l’adeguatezza di una soluzione rispetto all’altra, è necessario (e indispensabile) considerare l’applicazione del componente, il suo montaggio e soprattutto i carichi a cui questo è assoggettato.
In questo caso specifico la soluzione B è invece quella ottimale, ironia dell’ingegneria addirittura più rigida per il suo specifico caso d’uso.
La staffa A è il frutto del solo intuito del progettista, un design basato su una intuizione progettuale sicuramente brillante, nulla da criticare, ma pur sempre una soluzione che definirei “penalizzata” dai limiti propri dell’intuito del progettista, qualsiasi sia la sua esperienza e la sua genialità.
La staffa B è invece il frutto del lavoro collaborativo tra ottimizzazione topologica e ingegno del progettista, tra lo strumento software, qui midas NFX, ed il progettista, che a partire dalle indicazioni che l’ottimizzazione topologica gli ha dato, ha disegnato una staffa ottimizzata, facilmente producibile e, nonostante un’apparenza ingannevole, pienamente idonea allo scopo di progettazione.
Progettare tramite l’ottimizzazione topologica è un lavoro collaborativo tra lo strumento software e il progettista, il primo mette in evidenza quanto occhio nudo, esperienza e intuito non vedono, mentre il secondo ha il compito di ingegnerizzare il componente, ovvero renderlo lavorabile, producibile ed economicamente conveniente.
L’ottimizzazione topologica è un metodo di progettazione strutturale per trovare la “migliore” distribuzione del materiale all’interno di un dato dominio spaziale, all’interno del quale disegnare il componente oggetto di progettazione. Questo processo è spesso utilizzato per minimizzare la massa di una struttura, mantenendo al contempo il corretto/necessario livello di rigidezza o resistenza.
All’interno di un solutore FEM, l’ottimizzazione topologica funziona iterativamente attraverso questi semplici passaggi:
Definizione del problema:
Discretizzazione:
Ottimizzazione iterativa tramite analisi agli elementi finiti:
Il processo di ottimizzazione topologica è schematizzabile con un diagramma a blocchi.
Il diagramma a sinistra è rappresentativo dell’intero processo descritto, mentre il diagramma a destra è relativo al processo iterativo di ottimizzazione topologica vero e proprio.
Il processo descritto è completamente automatizzabile e buona parte delle soluzioni commerciali software di ottimizzazione topologica lo implementano. In midas NFX ed in midas MESHFREE l’ottimizzazione topologica è implementata in modo totalmente integrato sia a livello di solutore che di interfaccia grafica.
Tra i risultati di una ottimizzazione, oltre a visualizzare la geometria ottimizzata e poterne esportare una mesh stl per la sua progettazione e/o direttamente la produzione tramite processi di additive manufacturing, è spesso interessante – oltre che affascinante – visualizzare il processo evolutivo dell’ottimizzazione che mostra come il materiale, a partire dal dominio di progetto, venga addensato attorno alla geometria finale ottimizzata del componente.
In midas NFX ed in midas MESHFREE l’ottimizzazione topologica è implementata in modo totalmente integrato sia a livello di solutore, dove le iterazioni sono gestite in modo del tutto automatico, sia a livello di interfaccia grafica, attraverso la quale – senza bisogno di tool esterni – è possibile definire il dominio di ottimizzazione, le condizioni al contorno, impostare ad esempio le regioni di non ottimizzazione e/o i vincoli geometrici (cosiddetti vincoli di processo) dell’ottimizzazione ed ovviamente impostare l’obiettivo dell’ottimizzazione stessa in termini di cedeviolezza, di resistenza e di volume occupato dal progetto.
Ottimizzazione topologica in midas NFX.