La simulazione real time al tempo della topology optimization

Progettare un oggetto significa anche ragionare bene su come fare a realizzarlo, da quando la progettazione è supportata dalla tecnologia CAD questo legame è diventato ancora più forte. Viene naturale, infatti, associare ad una tecnologia di produzione sottrattiva la sua rispettiva operazione booleana, lo stesso discorso vale per le tecniche di forgiatura, di colata, stampaggio a iniezione.

Nel corso degli ultimi anni la gamma delle tecnologie produttive si è ampliata notevolmente e continua a migliorarsi di giorno in giorno. Per restare davvero al passo con la nuova industria occorre innovarsi altrettanto velocemente, quindi è necessario progettare secondo nuove regole.

Le regole e gli strumenti di cui c’è bisogno oggi devono di rispecchiare le possibilità aperte dalle nuove tecnologie. Esempio quasi ovvio è quello della stampa 3d, che ha rivoluzionato il mondo della prototipazione quanto quello della produzione su larga scala.

Tuttavia non è sufficiente un nuovo macchinario, per innovare, occorre adeguare l’intero processo di progettazione e un passo avanti in questa direzione è dato dall’ottimizzazione topologica. Scopriamo come in questo articolo.

L’ottimizzazione topologica (topology optimization): cosa è e quali sono i suoi vantaggi?

L’ottimizzazione topologica consiste nella ricerca della distribuzione ottimale del materiale all’interno di uno spazio di progetto vincolato, le condizioni a contorno che possono essere presenti sono:

• Vincoli geometrici
• Vincoli funzionali
• Vincoli sulla resistenza
• Vincoli sulla rigidezza
• Vincoli sulle frequenze proprie

Il progettista, partendo da queste condizioni va ad agire sulla topologia dell’oggetto in considerazione. E’ fondamentale precisare che topologia non è un sinonimo di forma: la forma è una geometria parametrica che viene determinata da posizioni e misure, mentre, la topologia è l’insieme delle proprietà geometriche delle figure che non dipendono dal concetto di misura. La topology optimization di una figura raccoglie ed ottimizza tutte le proprietà invarianti nei confronti delle deformazioni, ad esempio un cerchio e un’ellisse hanno forma diversa ma la medesima topologia.

Cosa rende così vantaggioso adottare questo approccio? Sicuramente i vantaggi sono notevoli sia in termini di tempi che di costi, nello specifico si ottiene:

• Minore utilizzo di materie prime (abbassamento dei costi di produzione)
• Migliore valorizzazione delle caratteristiche meccaniche e fisiche dei componenti
• Riduzione dei tempi di assemblaggio dei sistemi
• Riduzione dei componenti dei sistemi
• Maggiore velocità di produzione ed immissione sul mercato dei prodotti

Cerchiamo di capire meglio in cosa consiste questo processo: per ottimizzare la topologia nel campo del calcolo strutturale si può fare riferimento principalmente a due approcci, quello microgeometrico (metodologia SIMP) e l’approccio macrogeometrico (metodologia Level set).

Approccio microgeometrico: la metodologia SIMP

Il primo metodo, il SIMP, discretizza tutto il volume ed associa ad ogni elemento un coefficiente di densità che varia tra 0 ed 1. Dopo l’analisi (quindi dopo che il coefficiente è stato assegnato) si lavora sulla topologia rimuovendo tutti gli elementi associati a dei valori sotto una certa soglia. Le operazioni che vengono seguite si possono schematizzare così:

Questo metodo di progettazione è ormai consolidato e largamente utilizzato da oltre 30 anni tuttavia ha difficoltà nella gestione dei vincoli. Un metodo più recente (soprattutto nella sua integrazione in ambito computazionale) è quello del Level Set.

Approccio macrogeometrico: la metodologia Level Set

Questo tipo di formulazione gestisce la topologia in maniera molto differente rispetto alla precedente, in particolare lavora sul bordo del dominio geometrico. A partire dalle superfici esterne e muovendosi verso l’interno, opera una serie di operazioni del tipo rimozione/ripristino del materiale fino al raggiungimento dell’obiettivo entro i vincoli imposti in principio.

I vantaggi di questa tecnica sono numerosi, a partire dalla maggiore semplicità di gestione dei carichi sull’oggetto da ottimizzare fino alla gestione migliorata dei vincoli di produzione. 
Inoltre, la sua formulazione si relaziona molto bene ad alcuni nuovi approcci di simulazione, in particolare quello real time.

L’ottimizzazione topologica nei software di simulazione real time

Le esigenze dei processi di produzione sono in continuo mutamento, si adattano allo sviluppo di nuove tecnologie e alle richieste del mercato. Anche la progettazione di conseguenza necessita di nuove tecnologie che le permettano di restare al passo e di poter rispondere alle nuove esigenze di innovazione.

I software di simulazione e in particolare i software di simulazione real time rappresentano la risposta moderna a queste esigenze. Questi ultimi pongono l’ingegnere progettista nella posizione di modellare la geometria tenendo immediatamente conto della risposta fisica dell’oggetto.

Integrare nella simulazione real time un tool di ottimizzazione topologica significa quindi abbattere anche l’ultima barriera e consentire una reale esplorazione a 360° delle possibilità progettuale.

Cosa rende così importante  le informazioni che questa tipologia di strumenti offrono ai progettisti?

La risposta a questa domanda non è costituita solo dai vantaggi offerti da questa specifica tecnica ma  si poggia su 2 aspetti fondamentali:

• Essere sempre al passo con il cambiamento
• Essere sempre nella condizione di fare la scelta migliore

In parole povere, oggi l’industria si muove nella direzione delle nuove tecnologie e strumenti, in questo la progettazione non può e non deve restare indietro. Acquisire i giusti supporti, come la simulazione in real time, è un passo decisivo per fare avere maggiore consapevolezza delle scelte progettuali e fare le migliori.

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