ottimizzazione della topologia

L'ottimizzazione della topologia risolve il problema ingegneristico fondamentale della distribuzione di una quantità limitata di materiale in uno spazio di progettazione.

In generale, i programmi di ottimizzazione della topologia consentono ai progettisti di creare un design robusto e leggero e ridurre al minimo l'utilizzo di materiale. Spesso il risultato è una forma organica, come qualcosa che si troverebbe in natura. Il miglior strumento di produzione per costruire un design con queste forme organiche è una macchina per la produzione additiva (stampante 3D)  

# Cos'è l'ottimizzazione della topologia?

L'ottimizzazione della topologia è un processo che ottimizza il layout e la struttura del materiale all'interno di un dato spazio di progettazione geometrica 3D per un insieme definito di regole impostate dall'utente. L'obiettivo è massimizzare le prestazioni del sistema modellando e ottimizzando matematicamente le forze esterne, le condizioni al contorno e i vincoli.

L'ottimizzazione della topologia utilizza il metodo degli elementi finiti per valutare le prestazioni di progettazione rispetto a criteri definiti.

Sebbene l'ottimizzazione della topologia abbia un'ampia gamma di applicazioni nella progettazione di prodotti ingegneristici, è attualmente utilizzata principalmente in fase di progettazione per ottimizzarne le dimensioni e la forma. Ciò accade principalmente perché le forme libere che si verificano naturalmente attraverso l'ottimizzazione della topologia (TO) sono spesso complicate da produrre utilizzando i metodi di produzione tradizionali.

Ma a causa della crescita e del progresso tecnologico nella produzione additiva o nella cosiddetta stampa 3D, l'output di progettazione di TO può essere alimentato direttamente in una stampante 3D.

Invece di dedicare tempo alla creazione di un modello, è possibile utilizzare il modello ottimizzato per la topologia come punto di partenza o di riferimento, risparmiando tempo e contemporaneamente migliorando le prestazioni. È inoltre possibile utilizzare gli studi di topologia per esplorare nuove idee e diverse opzioni di progettazione e aiutare a perfezionare i progetti facendoti sapere dove aggiungere materiale e dove portarlo via.


#Vantaggi dell'ottimizzazione della topologia

  • Riduzione del materiale

Ogni parte o componente meccanico pesa potenzialmente più del necessario, a meno che non sia stato ottimizzato topologicamente. Le strutture leggere non solo riducono i costi dei materiali, ma limitano anche il consumo di risorse di produzione. In generale, le parti mobili più leggere generano meno attrito e richiedono meno energia per essere messe in movimento. Inoltre, anche la catena di approvvigionamento ne beneficia, poiché le parti più leggere sono più facili ed economiche da trasportare.

I metodi di ottimizzazione della topologia riducono drasticamente i costi di progettazione associati alle nuove parti e allo sviluppo del prodotto. Il processo automatizzato può produrre parti con prestazioni notevolmente migliori in una frazione del tempo che un team di progettazione esperto sarebbe in grado di fare. Detto questo, un TO è solo uno strumento numerico che richiede ancora una quantità significativa di esperienza umana da utilizzare.

  • Parti più leggere e resistenti

    Forse il vantaggio più significativo dell'utilizzo dell'ottimizzazione della topologia è la capacità di migliorare le prestazioni delle parti riducendone il peso e ottimizzandone la forza. 

    Aggiungendo o rimuovendo il materiale in punti definiti da una serie di parametri, gli strumenti TO consentono agli ingegneri di esplorare infinite opzioni di progettazione e trovare la struttura migliore possibile, leggera, ma resistente, di una data parte.

    Le parti più leggere sono ricercate da molte industrie. Ad esempio, nel settore aerospaziale, i componenti leggeri possono ridurre significativamente il consumo di carburante degli aerei, mentre negli sport motoristici possono migliorare radicalmente le prestazioni delle auto da corsa.

    Inoltre, più leggera è la parte, meno materiale è stato utilizzato per produrla, il che riduce i costi di produzione.

  • Massime prestazioni

Il design ottimale di una data parte spesso non è intuitivo e di solito coinvolge forme complesse e organiche. Gli algoritmi TO non considerano aspetti come l'estetica e violano le regole di progettazione standard (come lo spessore uniforme) a favore delle prestazioni. TO fa anche uso di nuovi processi di produzione come la produzione additiva e stampa 3D.

In verità, l'ottimizzazione della topologia va di pari passo con la stampa 3D. Le geometrie complesse risultanti dai metodi di ottimizzazione della topologia possono essere prodotte solo attraverso processi di produzione additiva. Mentre le pratiche di progettazione tradizionali non sono in grado di sfruttare al meglio la libertà di progettazione fornita da questi nuovi processi. Ne consegue che con i progressi nei processi di produzione additiva industriale, l'ottimizzazione della topologia ha ricevuto maggiore attenzione.