Il Design for Additive Manufacturing (DfAM) è una metodologia di progettazione che utilizza strumenti quali il generative design, la biomimetica, le strutture lattice e l’ottimizzazione topologica per progettare componenti e sfruttare a pieno le potenzialità della produzione in additive manufacturing.
di Sara Gonizzi
Con l’additive manufacturing (AM) è possibile progettare parti e prodotti più leggeri, più performanti e potenzialmente più economici da produrre rispetto alle loro controparti fabbricate tradizionalmente. I prodotti in additive possono anche essere personalizzati in massa per adattarsi alla fisiologia o alle preferenze dell’utente finale, ottimizzati per le prestazioni, possono ridurre lo spreco di materiale, semplificare la catena di fornitura e (quasi come un sottoprodotto) avere un aspetto organico esteticamente piacevole.
Il Design for Additive Manufacturing (DfAM) è la metodologia per creare, ottimizzare o adattare la forma e la funzione di una parte, di un gruppo o di un prodotto per sfruttare appieno i vantaggi dei processi di produzione additiva. Le tecnologie di produzione additiva offrono un’enorme libertà di progettazione. Applicando regole di progettazione adeguate, è possibile ridurre al minimo il rischio di errori.
Alla base del DfAM
La DfAM si basa essenzialmente sullo sfruttamento di alcune caratteristiche chiave uniche della stampa 3D.
1. Progettazione per il corretto processo di fabbricazione additiva (AM)
Il primo dei quattro principi chiave della DfAM è la progettazione per il corretto processo AM.
Uno degli elementi più importanti della DfAM è la conoscenza dei limiti geometrici dei processi. La chiave per sfruttare la progettazione per il corretto processo AM è l’applicazione di questa conoscenza dei vincoli di progettazione per massimizzare le prestazioni dei componenti.
2. Progettare per un uso minimo
Il secondo dei quattro principi della DfAM è la progettazione per un utilizzo minimo del materiale. Spesso nell’AM si pensa che l’uso minimo di materiale sia utile solo nei settori che richiedono componenti leggeri. Tuttavia, l’uso del materiale nell’AM è anche correlato al tempo di costruzione e al costo della stampa. Se si progetta un pezzo da produrre con la tecnologia AM, si deve cercare di utilizzare la quantità minima di materiale necessaria per stampare con successo quel pezzo. È importante ricordare che il materiale utilizzato in una stampa è una combinazione del materiale funzionale richiesto e di qualsiasi altro materiale di supporto necessario per la riuscita della costruzione. Pertanto, per progettare con successo per un utilizzo minimo di materiale, è necessario padroneggiare i metodi che consentono di ridurre al minimo l’utilizzo di materiale nella parte finale. Esempi di tecniche di questo tipo sono l’ottimizzazione della topologia e la progettazione di strutture reticolari.
Le strutture a reticolo possono essere un ottimo modo per ridurre l’uso di materiale in un pezzo. Tuttavia, i reticoli possono anche essere utilizzati per personalizzare le proprietà funzionali dei pezzi e migliorarne le prestazioni complessive. È inoltre necessario conoscere le tecniche per ridurre al minimo il materiale di supporto. Nel corso ne vengono trattate quattro:
• Cambiare l’orientamento di costruzione
• Creare una geometria autoportante
• Aggiungere smussi a 45 gradi
• Dividere il pezzo in diversi componenti che possono essere riassemblati.
3. Progettare per migliorare la funzionalità
In terzo luogo, è necessario massimizzare le opportunità che l’AM offre. Alcuni modi per farlo includono l’uso di opzioni come la personalizzazione dei pezzi, i canali interni di fluidi per il riscaldamento o il raffreddamento, l’aggiunta di texture superficiali ai pezzi. Tutti questi metodi estendono l’AM da un metodo alternativo di produzione di un pezzo all’unico metodo di produzione di un pezzo. Le strutture interne, come i canali elicoidali di uno scambiatore di calore, sfruttano davvero i vantaggi dell’AM. Un pezzo come questo sarebbe praticamente impossibile da produrre con qualsiasi altro metodo di produzione. Il vantaggio di migliorare la funzionalità del pezzo significa che i costi iniziali più elevati della produzione di un pezzo con l’AM, in particolare con i processi a letto di polvere metallica, possono essere ammortizzati nel corso della vita del prodotto.
4. Progettazione per il consolidamento dei pezzi
L’ultimo principio è la progettazione per il consolidamento delle parti. In generale, uno dei principali vantaggi dell’AM è la capacità di consolidare gli assiemi in un numero minore di parti, o in alcuni casi in un’unica parte monolitica. Tra i motivi per cui si desidera consolidare i pezzi vi sono la riduzione del numero di fissaggi, la riduzione delle scorte, la riduzione del rischio di consegna o di obsolescenza dei pezzi e, infine, la riduzione dei tempi e dei costi di assemblaggio. L’aumento della complessità non comporta un aumento dei costi, offrendo un notevole vantaggio rispetto alle tecnologie di produzione tradizionali per l’ottimizzazione della progettazione. Il costo totale di produzione non cambia in modo significativo per i grandi volumi. Le tecnologie di produzione additiva offrono un’enorme libertà di progettazione rispetto ad altri metodi di produzione come lo stampaggio a iniezione o la lavorazione CNC.
Gli strumenti del DfAM
Gli strumenti utilizzati per la DfAM comprendono una serie di prodotti software, molti dei quali forse già noti, come Fusion 360 o Siemens NX, che prendono un file digitale di progettazione assistita dal computer (CAD) e ne ottimizzano le caratteristiche per la produzione additiva. Questi programmi consentono agli ingegneri di creare iterazioni di pezzi, simulare le sollecitazioni sulle parti, generare le strutture di supporto necessarie per il processo di stampa 3D e persino stimare il costo e il tempo di stampa del pezzo in base ai materiali e alla stampante disponibile.
L’ottimizzazione topologica è un processo di progettazione computazionale che cerca di produrre una distribuzione efficiente dei materiali per risolvere un particolare problema in base a un insieme di casi di carico, proprietà dei materiali e condizioni al contorno. È un tipo di progettazione generativa che viene spesso utilizzata per produrre componenti altamente efficienti nel resistere alle forze meccaniche, pur rimanendo il più leggeri possibile. La produzione additiva è adatta a produrre questi risultati, che spesso hanno un aspetto organico e sono difficili da realizzare con altri metodi di produzione. I software di ottimizzazione topologica e di progettazione generativa (spesso integrati nei software CAD e DfAM) consentono di ottimizzare un componente per ridurre la quantità di materiale necessaria e massimizzarne la resistenza e le prestazioni. In sostanza, l’ottimizzazione topologica è il processo algoritmico di ottimizzazione di un componente meccanico o di una parte, di solito attraverso la riduzione del materiale. Questo viene calcolato in base alle sollecitazioni meccaniche a cui il pezzo sarà sottoposto durante il suo regolare funzionamento. Può essere classificata come un sottocampo dell’ottimizzazione strutturale e fa anche parte della pratica più ampia della progettazione generativa. L’ottimizzazione topologica si avvale di simulazioni di analisi a elementi finiti (FEA) per valutare quali aree di un oggetto non sono strutturalmente cruciali. La FEA iniziale simula la distribuzione delle sollecitazioni di un oggetto sottoposto alle forze esterne e ad altri perimetri inseriti dall’utente. Con questi risultati, gli algoritmi possono verificare quali sezioni dell’oggetto sono meno soggette a sollecitazioni interne e, quindi, potenzialmente in grado di essere rimosse. L’algoritmo valuta costantemente la distribuzione delle sollecitazioni strutturali mentre rimuove il materiale, per valutare gli effetti risultanti.
L’ottimizzazione topologica nei diversi settori industriali
Il design ottimale di un determinato pezzo spesso non è intuitivo e di solito comporta forme complesse e organiche. Gli algoritmi di ottimizzazione topologica non tengono conto di aspetti come l’estetica e possono violare le comuni regole di progettazione (come lo spessore uniforme) a favore delle prestazioni. Oltre alle sollecitazioni, il pezzo può avere più condizioni o obiettivi di cui tenere conto. Gli ingegneri sfruttano le loro competenze per mettere a punto e modificare il pezzo strutturalmente ottimizzato in base al suo utilizzo effettivo e alla sua producibilità. L’ottimizzazione topologica è utilizzata in tutti i settori industriali, ma soprattutto nell’industria aerospaziale, dove la riduzione del peso è essenziale. Lo si vede anche nei settori dell’architettura, della sanità e dell’automobile, dove la riduzione della quantità di materiale utilizzato produce ulteriori vantaggi per i pezzi e i prodotti. 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 fornitura ne trae vantaggio, poiché i componenti più leggeri sono più facili ed economici da trasportare. Uno dei vantaggi dell’ottimizzazione della topologia è che il processo di progettazione generativa può essere intrapreso utilizzando tecniche di simulazione prima che abbiano luogo i processi di produzione fisica. Questo processo di ottimizzazione, rispetto ai tradizionali processi di prototipazione e test, riduce sia gli sprechi di materiale che i costi in termini di tempo e risorse necessarie per produrre e testare le parti. Le tecnologie di produzione additiva e di ottimizzazione della topologia si sono sviluppate insieme per creare una felice partnership. A seconda delle esigenze della forma topologicamente ottimizzata, la lavorazione CNC e il taglio laser possono, in alcuni casi, produrre il componente finito; quindi, la stampa 3D non è l’unico servizio di produzione praticabile che si abbina bene con l’ottimizzazione della topologia, ma spesso è l’ovvia scelta per forme più complesse. Le tecniche di analisi avanzate sviluppate per l’ottimizzazione della topologia utilizzano modelli matematici per produrre questi progetti efficienti, spesso dall’aspetto organico, per componenti meccanici. Questo processo semplicemente non era possibile finché i pacchetti software non fossero stati sviluppati abbastanza da fornire soluzioni avanzate di simulazione e processo di progettazione.
Il Generative design e la biomimetica
Il design generativo è una tecnica di progettazione assistita da computer che utilizza l’intelligenza artificiale per ottimizzare il processo di progettazione. La tecnica, a volte definita processo di esplorazione del design, viene utilizzata in molti campi, tra cui l’architettura, l’aerospaziale e l’edilizia. Aiuta gli ingegneri in questi campi a generare più idee, a generare idee più velocemente e a portare i prodotti sul mercato più rapidamente.
Ogni modello di progettazione generativa ha tre componenti chiave: generazione della geometria, valutazione del progetto e cicli di iterazione automatizzati. Il design generativo è solo una variante dell’intelligenza artificiale generativa. Il termine progettazione generativa viene spesso utilizzato in modo intercambiabile con ottimizzazione della topologia. Tuttavia, i due concetti sono diversi.
L’ottimizzazione della topologia è una tecnica che utilizza un modello CAD progettato dall’uomo per generare un unico modello ottimizzato. L’ingegnere fornisce carichi e vincoli specifici e il software genera un modello ottimizzando la disposizione del materiale in base ai carichi e ai vincoli. La progettazione generativa non ha bisogno di una progettazione generata dall’uomo per iniziare. L’ingegnere deve solo fornire al software una serie di vincoli e il software di progettazione generativa presenterà molti progetti possibili.
La progettazione generativa può imitare il modo in cui la natura progetta sistemi e strutture. Questo concetto è noto come biomimetica. Programmi più recenti come Paramatters e Live Parts di Desktop Metal utilizzano un approccio biomimetico. Ciò aggiunge materiale o “accresce” le caratteristiche che collegano la geometria di input in grado di sopportare i carichi specificati. È un po’ come osservare la crescita delle alghe al microscopio. Ciò si traduce in un modello molto più organico che sarebbe difficile da concettualizzare per un designer umano, soprattutto nello stesso lasso di tempo. L’analisi degli elementi finiti (FEA) è integrata per aiutare a perfezionare la geometria e visualizzerà i risultati prima di esportare il modello finito come file mesh o, nella maggior parte dei casi, come file B-spline solido (NURBS) che può essere importato nel computer programma di progettazione assistita (CAD) di scelta. Ciò può ovviamente essere convalidato applicando gli stessi carichi in un programma secondario. Alcuni programmi CAD dispongono di una progettazione generativa integrata per semplificare ulteriormente il flusso di lavoro.
La biomimetica tenta di osservare e studiare i modelli di risoluzione dei problemi collaudati nel tempo della natura e di applicare queste soluzioni strategiche al nostro modo di vivere. Emulando queste soluzioni, possiamo adattare i nostri progetti per modellare quelli che si trovano in natura e potenzialmente creare soluzioni sostenibili. Il modo più semplice per descrivere il design biomimetico è quello che imita la vita. Considerata una miscela di scienza e arte, la biomimetica è l’innovazione ispirata alla natura. La biomimetica è un approccio innovativo alla risoluzione dei problemi che ha prodotto numerosi risultati positivi. Se applicate nel giusto contesto, le soluzioni biomimetiche possono essere rivoluzionarie. Come molti altri approcci progettuali, la biomimetica non è comunque priva di limiti. Per ogni grande successo della biomimetica che cambia il mondo, come il Velcro, ci sono altrettante idee innovative che non possono essere implementate con successo. Sebbene l’ispirazione o le idee non manchino, molte soluzioni non sono pratiche da sviluppare e distribuire.
Il generative design applicato all’industria
Grazie alla progettazione assistita dal computer, negli ultimi decenni l’uso della biomimetica in architettura ha fatto rapidi progressi e le applicazioni e le possibilità si sono ampliate. Ciò ha contribuito ad aprire maggiormente la porta all’idea di processi di progettazione morfogenici ed evolutivi e quindi ottimizzare la progettazione biomimetica utilizzando l’ottimizzazione della topologia strutturale.
Gli ingegneri possono utilizzare il software di progettazione generativa per eseguire le seguenti operazioni:
• Creare nuovi progetti di parti.
• Creare parti più efficienti.
• Creare parti più rapidamente.
• Creare parti a un costo inferiore.
La progettazione generativa ha una varietà di casi d’uso in tutti i settori. Alcuni esempi includono quanto segue:
• Produzione. Nel settore manifatturiero, la progettazione generativa può essere utilizzata per trovare nuovi modi per ridurre il peso dei componenti. Può anche essere utilizzato insieme alla stampa 3D e alla produzione additiva, ovvero il nome industriale della stampa 3D.
• Settore automobilistico. Nel settore automobilistico, la progettazione generativa può essere utilizzata per esplorare nuove geometrie e forme per i ricambi auto.
• Aerospaziale. La progettazione generativa può essere utilizzata per creare nuovi progetti di aeromobili con l’obiettivo di migliorare l’impatto ambientale, la sicurezza e la riduzione del peso.
• Architettura. La progettazione generativa può essere utilizzata per creare edifici più sostenibili e resilienti, nonché progetti di elementi civili.
• Beni di consumo. I prodotti di consumo quotidiano, come le attrezzature sportive, possono essere progettati e realizzati per migliorare le prestazioni e ridurre i costi.
Alcuni progetti di esempio del mondo reale che hanno utilizzato il design generativo includono quanto segue:
• Lander sulla Luna. La NASA ha utilizzato il software di progettazione generativa di Autodesk per creare un lander lunare di prossima generazione. Il lander è più leggero dei lander tradizionali.
• Sedia efficiente in termini di risorse. Philippe Starck ha progettato una sedia di produzione utilizzando il design generativo. Il suo obiettivo era creare una sedia che utilizzasse il minor numero di materiali possibile; il risultato è stata la prima sedia progettata da AI.
• Scarpa efficiente in termini di risorse. New Balance ha utilizzato il design generativo per creare un reticolo interno della suola di una scarpa con un design più organico.
• Nuova progettazione dell’edificio. Zaha Hadid Architects ha utilizzato il design generativo per creare l’Heydar Aliyev Centre. L’edificio ricorda una forma fluida che emerge dalla topografia naturale del paesaggio.
Differenze tra ottimizzazione topologica e progettazione generativa
La differenza principale tra l’ottimizzazione della topologia e la progettazione generativa è la seguente: l’ottimizzazione della topologia avviene nelle fasi di progettazione mature, in cui è già impostata una geometria iniziale. Pertanto, l’ottimizzazione della topologia, mentre si creano nuove forme, crea uno spazio di progettazione più controllato. La progettazione generativa viene utilizzata nella fase iniziale della progettazione, fornendo agli ingegneri un feedback prezioso per le possibilità di progettazione iniziali. Il design generativo può vedere uno spazio progettuale molto più ampio e innovativo. L’ottimizzazione della topologia viene applicata per ottenere una distribuzione ottimale dei materiali per un progetto in condizioni di funzionalità o “vincoli”. L’algoritmo di ottimizzazione della topologia riduce il materiale su un dato oggetto, consentendogli di mantenere più o meno la stessa forma e funzione come originariamente previsto. Il processo di progettazione generativa considera molteplici alternative e le fa convergere su una soluzione basata sui requisiti funzionali dell’ingegneria e su altri requisiti. È più adatto per i metodi di produzione additiva.
Il processo di progettazione generativa per un componente inizia con i criteri di accoppiamento con il resto del progetto e quali parti dello spazio di progettazione sono disponibili dopo aver considerato i vincoli basati su ostacoli geometrici e altre caratteristiche come i fori per il fissaggio. Soprattutto con progetti leggeri basati su strutture reticolari, l’ideazione automatizzata del design generativo può produrre una geometria valida anche per l’integrità strutturale. Questo può essere verificato con l’analisi agli elementi finiti.
La progettazione generativa potenziata dai metodi neurali dell’intelligenza artificiale può coprire lo spazio di tutte le possibili soluzioni progettuali dati i vincoli del metodo di produzione e la disposizione dei materiali e fornire una forma finale progettata senza il pregiudizio dell’elemento umano ma allo stesso tempo con una considerazione realistica del processo di produzione. La simulazione e l’ottimizzazione ingegneristica interattiva sono rese possibili sfruttando la potenza dei dati. I modelli di intelligenza artificiale predittiva generano simulazioni fisiche utilizzando un modello CAD grezzo come unico input. L’intelligenza artificiale può imparare dai dati che gli ingegneri producono quotidianamente. Questi modelli predittivi semplificano i processi ed emulano le competenze degli ingegneri di simulazione trasferendole ai progettisti o agli algoritmi di progettazione generativa nelle prime fasi dello sviluppo del prodotto. Il processo di intelligenza artificiale consente di ridurre il numero di iterazioni tra i team e di ottimizzare i progetti.
