La progettazione generativa consente una maggiore libertà nella produzione perché automatizza i processi di progettazione. Sebbene l’ottimizzazione topologica possa essere considerata una forma di progettazione generativa, la sua natura peculiare permette di incorporarla in un approccio ibrido che combina i due processi e che può essere utilizzato per migliorare i prodotti, soprattutto in termini di prestazioni.
La principale somiglianza tra la progettazione generativa e l’ottimizzazione topologica sta nel fatto che entrambe prevedono l’uso di software computazionali per generare modelli basati su criteri definiti dal progettista, sostituendo la creazione manuale di ogni iterazione da parte dell’utente. Tuttavia, la progettazione generativa differisce dall’ottimizzazione topologica in quanto pone maggiore enfasi sui requisiti posti dal progettista per la presentazione del prodotto finale. Per questo motivo, viene spesso definito un processo rule-based: il progettista stabilisce i parametri per il progetto e il software li rispetta. L’ottimizzazione topologica, invece, viene utilizzata più spesso quando l’attenzione è rivolta alle prestazioni del prodotto piuttosto che alla presentazione. Inoltre è basata più sulla fisica che sulle regole, il che significa che l’ottimizzazione lavora sulla fisica del problema invece di seguire principalmente i vincoli dati dal progettista.
Con un processo che privilegia la presentazione e l’altro che privilegia le prestazioni, l’adozione di un approccio ibrido che combini il design generativo e l’ottimizzazione topologica consente di ottenere un risultato finale con prestazioni buone ma non ancora ottimali e una presentazione ottimale. Inoltre, l’integrazione dell’ottimizzazione topologica invece di un approccio puramente generativo può portare a un prodotto finale più sostenibile, poiché i progetti creati con l’ottimizzazione topologica si basano su criteri oggettivi e tendono quindi a essere più duraturi.
Un approccio ibrido potrebbe consistere nell’utilizzo della progettazione generativa e dell’ottimizzazione topologica per diversi componenti di un prodotto più grande. Nella maggior parte dei casi, quasi tutti i componenti verrebbero prodotti in modo tradizionale, mentre la progettazione generativa e l’ottimizzazione topologica verrebbero aggiunte solo per alcuni componenti specifici. Spetterebbe al progettista decidere come bilanciare le esigenze dei diversi componenti, ad esempio determinando quali parti potrebbero sacrificare la presentazione a favore di prestazioni più elevate e viceversa.
Osservare più da vicino l’ottimizzazione topologica
Quando utilizzano l’ottimizzazione topologica, i progettisti creano uno spazio virtuale geometrico pieno (spesso una struttura simile a una scatola) per il loro progetto e inseriscono alcuni parametri richiesti dal software. Il software completa quindi il progetto rimuovendo e aggiungendo materiale in modo iterativo, elaborando un progetto ottimizzato che si adatta a questo spazio geometrico. L’ottimizzazione topologica viene abitualmente impiegata nelle prime fasi del processo di progettazione, perché in questa fase c’è maggiore flessibilità e quindi un maggiore potenziale di miglioramento delle prestazioni legate alle modifiche topologiche del layout. Più un progetto si avvicina alla fase di produzione, meno modifiche progettuali è possibile apportare, a meno che il progettista non sia disposto a investire ulteriori risorse per rivisitare il progetto. Con l’ottimizzazione topologica, il progettista può optare per un progetto ottimale con buone prestazioni e poi, man mano che si avvicina alla fase di produzione, spostare la sua attenzione sull’accuratezza della simulazione. Sebbene l’accuratezza sia sempre importante, essa è particolarmente rilevante nella seconda metà del processo di progettazione, quando i tecnici utilizzano la simulazione per prevedere come funzionerà il dispositivo una volta che sarà diventato un prototipo fisico.
Per comprendere meglio la libertà di progettazione offerta dall’ottimizzazione topologica, consideriamo per esempio la creazione della struttura di un drone. Per questo modello abbiamo inserito due casi di carico, la frazione di volume e una scala di lunghezza minima.
In questo caso, il nostro obiettivo è massimizzare la rigidità strutturale data una determinata quantità di materiale. I casi di carico sono simmetrici: questo ci consente di risparmiare tempo e risorse computazionali modellando solo un quarto del dominio anziché l’intero drone. Il modello viene quindi replicato durante la fase di visualizzazione dei risultati, in modo da poter ottenere il progetto completo e ottimizzato alla fine del processo. (Figura 1)
In questo esempio di ottimizzazione topologica, il calcolo inizia semplicemente con la batteria del drone al centro e i quattro motori agli angoli. La parte originariamente modellata viene replicata per costituire il resto del progetto e il software aggiunge materiale per collegare i motori tra loro e la batteria al centro. Il rapporto rigidità/peso del materiale viene quindi regolato fino a quando il risultato finale ha una chiara interpretazione fisica.
Pronto per la produzione
Quando arriva il momento di costruire l’oggetto progettato, la sua complessità è un fattore chiave nella scelta del processo di produzione da utilizzare. I risultati unici della progettazione generativa e dell’ottimizzazione topologica di solito non sono adatti alla produzione tradizionale e alla produzione su larga scala. Per questo motivo, i progetti creati con questi metodi, o con una tecnica ibrida, sono spesso associati all’additive manufacturing. Ad esempio, il nostro modello di drone è particolarmente adatto all’additive manufacturing.
Tuttavia, questa compatibilità non significa che l’additive manufacturing sia l’unica opzione per dare vita ai progetti generati dal software. Molti progettisti potrebbero voler utilizzare l’ottimizzazione topologica per migliorare le loro idee progettuali, ma hanno anche bisogno di fabbricare prodotti a un costo inferiore o su scala più ampia rispetto a quanto normalmente consentito dall’additive manufacturing. Preparare un progetto di questo tipo per la produzione tradizionale può comportare, ad esempio, che nel processo di ottimizzazione sia necessario tenere conto dei vincoli di fresatura. Le funzionalità specializzate per l’ottimizzazione topologica disponibili nel software di simulazione COMSOL® possono essere utilizzate per tenere conto di tali vincoli.
Consideriamo uno scenario in cui sia necessario realizzare un cerchione progettato tramite ottimizzazione topologica utilizzando la produzione sottrattiva. La figura 2 mostra un esempio modellato con il software COMSOL®: viene generato un cerchione con rigidità ottimale e sono aggiunti vincoli di fresatura lungo il suo asse. Tuttavia, l’aggiunta di vincoli di fresatura riduce la libertà di progettazione e quindi la rigidità per un dato vincolo di massa. In questo caso, l’aggiunta di vincoli di fresatura porta a un design con una rigidità inferiore del 30% rispetto a quello che si sarebbe ottenuto con l’ottimizzazione topologica convenzionale. Questo compromesso è necessario per soddisfare i requisiti di produzione.
Se fosse consentita una completa libertà di progettazione, il progetto ottimale avrebbe generalmente le stesse proprietà di simmetria dei casi di carico. Tuttavia, per ottenere la simmetria possono essere necessari molti casi di carico e un numero elevato di casi di carico può comportare un costo computazionale elevato. In questo esempio, ci si aspetta una simmetria di progettazione perché la nostra ruota deve essere in grado di girare, ma ci troviamo di fronte alla sfida di non avere casi di carico simmetrici. Per questo motivo, l’intera ruota deve essere modellata in ogni iterazione di ottimizzazione per vedere come i casi di carico influenzano il progetto.
Per ottenere la simmetria, in questo caso, possiamo applicare esplicitamente la simmetria settoriale del progetto ottimizzando uno dei settori e poi replicare il progetto sugli altri settori durante l’ottimizzazione. Così come l’uso delle funzioni di simmetria ha aiutato nella progettazione del modello di drone, questa soluzione rende il processo meno oneroso dal punto di vista computazionale e più efficiente.
In conclusione, otteniamo un progetto ottimizzato che offre buone prestazioni e soddisfa comunque i requisiti di produzione.
Conclusioni
Come la progettazione generativa, l’ottimizzazione topologica automatizza il processo di progettazione, consentendo ai tecnici di esplorare le opzioni in modo più efficiente rispetto all’iterazione manuale. Con COMSOL® si possono utilizzare sia la progettazione generativa che l’ottimizzazione topologica, e il software fornisce anche funzionalità per personalizzare i progetti automatizzati in modo che siano adatti a specifici metodi di produzione. Queste funzionalità sono applicabili a molti campi dell’ingegneria, della ricerca scientifica e della fisica, come meccanica strutturale, fluidodinamica, trasferimento di calore e acustica. Ad esempio, le funzionalità di ottimizzazione topologica del software vengono utilizzate attivamente nell’industria automobilistica per la progettazione di motori elettrici.
