I principali problemi che caratterizzano l’introduzione di nuovi prodotti sul mercato riguardano:
- la necessità di ridurre i tempi di entrata sul mercato
- il bisogno sempre più impellente di contenere i costi già in fase progettuale
- la necessità di differenziare il prodotto per renderlo più competitivo
Come trovare la geometria ottimale di un progetto in tempi brevi?
Abbiamo già affrontato, da un punto di vista più generico, tutti i benefici, gli step e le affinità del generative design con il mondo della stampa 3D (leggi qui per approfondire). Entriamo adesso nel dettaglio di tutto ciò che potrai fare con la piattaforma CogniCAD di Paramatters:
- trovare la geometria ottimale di un progetto, definendo alcuni parametri come le proprietà del materiale, requisiti di portata, vincoli, carichi, etc. e gli obiettivi
- ottimizzare la rigidezza di un componente oppure minimizzare la massa.
La piattaforma CogniCAD semplifica e riduce il tempo del processo “dalla progettazione alla produzione” in quanto sarà il software a ricostruire automaticamente la geometria e restituire un file STEP o STL. Dopo di che, si potrà produrre il modello ad esempio con una stampante 3D.
Caso di studio: ottimizzazione di design
Consideriamo una staffa per il montaggio in alluminio AlSi10Mg con le seguenti proprietà:
- densità = 2670 kg/m3
- modulo di elasticità = 60 GPa
- coefficiente di Poisson = 0.33
- tensione di snervamento = 230 MPa
La staffa è fissata alla base mentre vengono applicate tre tipologie di carico:
- Caso # 1 – forza totale di 45250 N applicata sul lato destro
- Caso # 2 – forza totale di 45250 N applicata sul lato sinistro
- Caso # 4 – 45250 N applicati su ogni lato simultaneamente
Il nostro obiettivo è progettare la staffa più leggera possibile, cosicché lo stress massimo non superi il limite dato di 170 MPa.
a: ottimizzazione del modello in funzione della sollecitazione massima
Utilizzando la piattaforma di progettazione generativa di CogniCAD by ParaMatters, eseguiamo una sequenza di casi volti ad esplorare la geometria ottimale per esplorare se è possibile realizzare un progetto che non superi i 170 MPa.
CogniCAD discretizzerà un modello con circa 2.5M di elementi.
Il primo tentativo prende in considerazione una frazione del volume del 30%. Ecco il risultato dell’ottimizzazione topologica:
Come si può notare, le sollecitazioni sono superiori al limite di 170Mpa, quindi occorre aumentare la frazione del volume al 50%. Ecco il risultato:
La nuova struttura soddisfa il vincolo dello stress nel Caso #3, ma non nei Casi #1 e #2. Aumentiamo di nuovo la frazione del volume al 70%.
Utilizzando il 70% del materiale, che corrisponde ad un peso 5Kg, la struttura soddisfa i limiti di stress di 170 MPa.
Riassumiamo lo studio nella seguente tabella:
Visti i risultati, è il momento di chiedersi: il design con il 70% della frazione del volume (5 kg) è ottimale?
Per rispondere a questa domanda, riformuliamo il setup di ottimizzazione di cedevolezza alla massa minima secondo i vincoli di sollecitazione.
b: ottimizzazione del modello minimizzando la massa in funzione delle sollecitazioni critiche
Utilizzando il design generativo di CogniCAD e una risoluzione ad elementi finiti con circa 2.5M elementi, viene generato un progetto basato sull’ottimizzazione della massa minima dipendente dalle sollecitazioni critiche.
Immagine 6. Progetto con vincoli di stress, 3.6 kg
Come evidente dal grafico, il progetto soddisfa i limiti di stress per tutte le tipologie di carico e la massa del progetto ottimizzato è di 3,6 kg.
Con la formulazione di massa minima, può essere generato un progetto che soddisfa i vincoli di stress, pronto per la stampa 3D, e che non richiede una ricostruzione o un adeguamento manuale delle geometrie, perché tutto il lavoro viene svolto autonomamente dalla piattaforma CogniCAD.
c. Confronto dei risultati
Riassumiamo entrambi gli studi, precedentemente analizzati, nel seguente grafico:
Analizzando la geometria in esame, possiamo notare come nel progetto in cui abbiamo settato come obiettivo il criterio di sollecitazione massima, la staffa è più pesante del 20% rispetto al progetto in cui abbiamo impostato come obiettivo la riduzione della massa al minimo vincolata alle sollecitazioni critiche.
Guardando entrambi i progetti, notiamo differenze significative nella topologia.
Conclusioni
In questo studio, abbiamo dimostrato come la formulazione della massa minima vincolata alle sollecitazioni critiche da parte di ParaMatters, generi un design ottimale pronto per la produzione. A questo punto è possibile creare il modello direttamente con una stampante 3D senza pensare al metodo di produzione. Se non hai una stampante 3D informati sul nostro sito:
Il progetto è più leggero del 20% rispetto ad una formulazione standard di ottimizzazione. Inoltre, la capacità di progettazione sviluppata da ParaMatters elimina il lavoro manuale e iterativo degli ingegneri, risparmiando risorse computazionali.
Articolo originale a cura di Michael Bogomolny, Ph.D. Co-Founder and CTO, ParaMatters
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