Il valore per il progettista risiede nella possibilità di esplorare soluzioni interne al componente che sarebbe difficile individuare modificando manualmente un gran numero di elementi strutturali.
Un componente delicato serrato in un’attrezzatura, un oggetto movimentato da una pinza, un inserto che protegge una superficie durante il trasporto. Sono situazioni diverse, ma hanno un problema in comune: una forza deve essere trasmessa da una zona di contatto senza danneggiare ciò che si trova dall’altra parte. Non conta soltanto il valore della forza ma anche in che modo questa viene applicata. Se la pressione è concentrata in una zona ristretta, solo una parte della superficie viene sollecitata mentre la parte restante rimane quasi inutilizzata, con il rischio di danneggiare la superficie stessa. Per ovviare a questi inconvenienti, un progettista oltre a scegliere il materiale più appropriato, può anche modificare la struttura interna dello strumento, in modo che le forze si distribuiscano su di una zona più ampia possibile della superficie di appoggio.
Dalla funzione alla geometria
Abbiamo affrontato questo problema con un algoritmo capace di progettare la struttura interna di un componente in funzione del comportamento desiderato. Una volta definito il problema, l’algoritmo identifica la configurazione che risponde alla richiesta. La stampa 3D permette poi di realizzare le geometrie selezionate e di verificarle con prove meccaniche. Il nostro studio, recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista internazionale Advanced Functional Materials, utilizza questa strategia per ottimizzare la distribuzione del carico in risposta ad uno sforzo localizzato, con applicazioni dirette per i dispositivi di protezione dagli urti [1]. La tecnologia brevettata dall’Università degli Studi di Milano [2] che abbiamo utilizzato per questo studio ha però un interesse più ampio poiché fornisce uno strumento utile a progettare architetture meccaniche a partire dalla loro funzione. Il valore per il progettista risiede nella possibilità di esplorare soluzioni interne al componente che sarebbe difficile individuare modificando manualmente un gran numero di elementi strutturali. Nel nostro esempio la struttura è stata ottenuta partendo da un reticolo di connessioni la cui risposta meccanica dipende dal materiale con cui viene prodotto, ma anche da come sono organizzati gli elementi. Cambiando la struttura del reticolo si possono modificare i percorsi delle forze, la deformabilità e il comportamento complessivo. In questo modo si ottiene un “metamateriale meccanico” che sfrutta la struttura interna come variabile di progetto.
Quando la struttura diventa una variabile di progetto
Il vantaggio dei metamateriali è particolarmente interessante quando la forma esterna del componente è fissata: un inserto deve entrare in una sede, un supporto deve rispettare uno spessore disponibile, una superficie di presa deve adattarsi allo spazio della macchina. Una volta soddisfatti questi vincoli però all’interno della struttura esiste ancora un margine di progettazione che l’algoritmo può esplorare calcolando come cambiano le prestazioni ad ogni modifica. Nel nostro studio siamo partiti da un reticolo regolare che veniva poi man mano modificato con l’obiettivo di distribuire il carico applicato su di una regione sempre più ampia della base. Eliminare alcuni elementi del reticolo può aiutare a distribuire meglio le forze, modificando opportunamente i percorsi su cui vengono trasmesse. Bisogna evitare i collegamenti che trasmettono il carico direttamente verso zone già molto sollecitate.
Dal requisito al prototipo
Grazie al supporto del progetto Archibiofoam, finanziato dall’European Innovation Council (vedi Box), il nostro algoritmo è stato implementato in un software di facile utilizzo con un’interfaccia grafica che permette anche ad utenti non esperti di progettare strutture con prestazioni meccaniche definite dall’utente. La Figura 1 mette a confronto il risultato ottenuto dal software con il campione stampato in 3D, rendendo visibile il passaggio dalla geometria al componente reale.
Il punto di partenza è la prestazione meccanica che si intende ottenere. Nell’esempio studiato, abbiamo richiesto al software di distribuire le forze trasmesse alla base su di un’area più larga possibile, evitando di concentrare tutto il carico su pochi punti. L’algoritmo valuta la risposta meccanica del reticolo, propone una modifica e controlla se il risultato migliora. Il ciclo viene poi ripetuto in modo da esplorare un gran numero di configurazioni. Il progettista non deve disegnare e controllare manualmente, una per una, tutte le alternative e può invece affidarsi al software. Il ruolo del progettista si riduce ad impostare il problema, scegliendo i carichi applicati e decidendo quali siano le caratteristiche del componente che devono essere rispettate. La scelta del criterio di ottimizzazione è molto importante. Per questo abbiamo studiato attentamente la variabilità delle condizioni di utilizzo, confrontando una struttura ottimizzata per un solo punto di carico con una progettata considerando cinque posizioni di carico alternative. Abbiamo poi verificato che la seconda struttura fornisce una risposta efficace anche quando viene spostato dalle condizioni iniziali.
La Figura 2 riassume il percorso completo dalla programmazione alla verifica sperimentale del campione stampato in 3D. Per verificare il metodo abbiamo realizzato tre tipi di campione: il reticolo iniziale, quello ottimizzato per il carico centrale e quello ottimizzato su più posizioni. Tutti avevano lo stesso ingombro (126 × 126 × 18 mm3), partendo da una struttura iniziale che comprendeva oltre diecimila connessioni, organizzate in celle tridimensionali. È una scala di complessità la cui gestione richiede necessariamente il supporto del software. I campioni sono stati prodotti in stereolitografia, con una Formlabs Form 4L e una resina elastomerica, Elastic 50A Resin V2. La scelta consente di realizzare reticoli deformabili e di osservarne il comportamento sotto carico. Il processo comprende anche lavaggio, rimozione dei supporti e trattamento UV. Sono stati controllati i diametri delle aste e la planarità delle superfici di contatto, perché differenze nella preparazione avrebbero reso meno significativo il confronto.
Mettere alla prova la geometria
La prima serie di prove ha misurato come si distribuisce un carico globale nominale di 100 newton. Un indentatore cilindrico di 30 millimetri di diametro preme sulla superficie superiore mentre una rete di sensori, collocata sotto il campione, registra le forze trasmesse nelle diverse zone (Figura 3). Le tre strutture sono state provate al centro, vicino a un lato e vicino a un angolo.
Questa misura permette di andare oltre il dato complessivo della macchina di prova. Due reticoli possono sostenere lo stesso carico totale, ma trasmetterlo in modo diverso alla superficie sottostante. Per un’interfaccia destinata a proteggere un componente delicato, conoscere questa differenza è fondamentale: è proprio nella distribuzione locale che può emergere il vantaggio della nuova geometria.
Il risultato più evidente è l’aumento della superficie coinvolta nel trasferimento del carico. Sotto carico centrale, l’area attiva passa da 1.360 a 2.320 mm², con un incremento di circa il 71%. Nel progetto ottimizzato su più posizioni l’aumento rimane significativo anche fuori centro: circa il 44% nel caso laterale e il 35% in quello diagonale. Cambiano anche le concentrazioni locali. Nella struttura multi-obiettivo la forza locale massima diminuisce di circa il 44% sotto carico centrale e del 27% sotto carico diagonale, mentre nel caso laterale rimane sostanzialmente invariata. L’ottimizzazione modifica quindi non soltanto l’area coinvolta, ma anche il modo in cui le forze si distribuiscono sulla superficie di appoggio. Il confronto mostra anche che una struttura ottimizzata per una sola condizione non è necessariamente la migliore quando cambia il punto di applicazione del carico. Nel caso laterale, per esempio, il reticolo ottimizzato soltanto al centro coinvolge una superficie maggiore, ma mantiene una concentrazione locale più pronunciata. La scelta della geometria dipende quindi dalla prestazione richiesta e dalle condizioni nelle quali il componente dovrà lavorare.
Abbiamo infine eseguito delle prove d’urto, con tre ripetizioni per ciascuna combinazione di struttura e posizione. Anche nelle prove dinamiche le strutture ottimizzate hanno mostrato una risposta più ripetibile, soprattutto negli impatti fuori centro, mentre i picchi di forza globali rimangono comparabili tra le configurazioni. Il risultato è interessante per le applicazioni protettive, anche se un dispositivo reale richiederebbe naturalmente prove specifiche aggiuntive riferite alle condizioni d’impiego.
Dai reticoli alle applicazioni
Altre possibili applicazioni che possono essere studiate con il nostro software sono quelle nelle quali una forza concentrata incontra una superficie sensibile. Un esempio è un inserto di appoggio o di serraggio per un componente delicato. Il software può aiutare ad identificare una struttura che ripartisca meglio le reazioni, pur conservando l’ingombro disponibile. Il confronto va poi fatto con un eventuale inserto già utilizzato, misurando impronte, deformazioni e stabilità del pezzo durante la lavorazione. Un altro ambito di interesse è rappresentato da una presa robotica in cui superficie di contatto deve trattenere l’oggetto senza danneggiarlo, anche quando forma e posizione variano. Progettare la risposta della struttura può offrire un margine di adattamento; per valutarlo occorre considerare anche attrito, rischio di scorrimento e numero di cicli. La distribuzione delle forze è una parte della prestazione complessiva della pinza e deve essere verificata insieme agli altri requisiti.
Negli imballaggi tecnici e nei supporti per il trasporto, il problema riguarda invece la protezione di componenti che possono ricevere urti in posizioni diverse. Un reticolo studiato per utilizzare una superficie di appoggio più ampia potrebbe essere un candidato per inserti dedicati. La scelta dovrebbe tenere conto dell’energia degli impatti, dello spazio disponibile e della risposta dopo sollecitazioni ripetute. La personalizzazione ha senso soprattutto quando il contenuto da proteggere giustifica un progetto specifico. Ulteriori prospettive riguardano supporti ergonomici e interfacce ortesiche o protesiche, nei quali evitare concentrazioni locali è un’esigenza importante. Si aggiungono però requisiti su comfort, igiene, durata e compatibilità dei materiali. Si tratta ovviamente di sviluppi possibili del nostro metodo e non di dispositivi già validati.
Un esempio di geometria più complessa è riportato nella Figura 4 che mostra una struttura reticolare a forma di casco, nella quale il software ha modificato le connessioni mantenendo invariati la forma esterna e la quantità di materiale. Nel caso studiato, l’ottimizzazione riduce le concentrazioni di tensione statiche all’interno della rete. Il dimostratore serve ad illustrare come il metodo possa essere impiegato per un ampio spettro di applicazioni, benché la valutazione della protezione dagli urti richieda comunque ulteriori simulazioni e prove dedicate.
Progettare pensando alla fabbricazione
Grazie alla stampa 3D è ormai possibile progettare strutture interne e distribuzioni di materiale che sarebbero difficili, o in alcuni casi impossibili, da produrre con lavorazioni convenzionali. Questa libertà geometrica, però, ha valore solo se il risultato può essere effettivamente realizzato. Dimensione minima degli elementi, orientamento di stampa, presenza di supporti, risoluzione della macchina, strategia di deposizione e caratteristiche del materiale impongono vincoli che devono entrare già nella fase di progettazione. Il nostro software integra algoritmi capaci di adattare la soluzione al processo produttivo e al materiale scelti dal progettista. Parametri come tecnologia di fabbricazione, orientamento degli strati, direzione di deposizione, rinforzi e comportamento isotropo o anisotropo possono così entrare direttamente nel problema di ottimizzazione. Una stessa funzione può quindi portare a geometrie differenti in funzione del processo con cui il componente dovrà essere realmente prodotto.
Nel caso di studio riportato nell’articolo di Advanced Functional Materials [1] abbiamo utilizzato una resina elastomerica e la stereolitografia; i risultati quantitativi restano quindi legati a quelle specifiche condizioni, ma il metodo è completamente trasferibile ad altri contesti seguendo la stessa logica: definire la funzione, introdurre i vincoli del materiale e della produzione, ottimizzare la struttura e verificarne il comportamento reale. Una geometria ottimale dal punto di vista algoritmico non rappresenta necessariamente la migliore soluzione industriale. Prestazione, producibilità, tempi e costi devono essere valutati insieme: la forza del software non è quindi solo quella di produrre geometrie ottimizzate generiche, ma anche di fornire soluzioni realmente fabbricabili con il processo e il materiale a disposizione dell’utente.
Verso la progettazione industriale
Il passo successivo che ci proponiamo di intraprendere è trasformare il framework in uno strumento utilizzabile direttamente nella progettazione industriale anche grazie al supporto dell’European Innovation Council. Il progetto Archibiofoam infatti è il risultato di una linea di ricerca sviluppata nell’ultimo decennio dal nostro gruppo sulla progettazione computazionale dei metamateriali, che ha già portato allo sviluppo di strutture per attuazione meccanica [3], alla tecnologia brevettata dall’Università degli Studi di Milano [4]. Questo nuovo lavoro sulla distribuzione dei carichi rappresenta una nuova dimostrazione dello stesso principio generale: partire dalla funzione e utilizzare il calcolo per progettare l’architettura capace di realizzarla. Il confronto con i bisogni delle imprese sarà essenziale per individuare casi applicativi concreti, misurando eventuali vantaggi del nostro software rispetto alle soluzioni esistenti e definendo le funzioni necessarie per trasformare un progetto di ricerca in un prodotto utilizzabile a livello industriale.
