Sigma Ingegneria

Due metodi di progettazione a confronto: studio di un componente di un gimbal

Si intitola “Ottimizzazione Topologica e design generativo: Il caso studio del braccio di un gimbal a due assi” la tesi di Angelica Dianda, laureata pochi giorni fa in Ingegneria per il Design Industriale, presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale dell’Università di Pisa. Il suo elaborato esplora due tecniche di progettazione, l’ottimizzazione topologica e il generative design, applicate a un componente di un gimbal a due assi, destinato ad essere installato su un drone con funzione di stabilizzatore.

Ottimizzazione topologica e generative design nella progettazione industriale

L’ottimizzazione topologica e il design generativo sono due metodologie di progettazione intelligente sempre più
applicate in ambito industriale. Esse offrono infatti la possibilità di progettare e realizzare prodotti ad elevate prestazioni, accelerando il processo di design concettuale e, di conseguenza, riducendo il time to market, ovvero il tempo necessario dall’ideazione e sviluppo di un prodotto o servizio fino ad arrivare alla sua commercializzazione.

OTTIMIZZAZIONE TOPOLOGICA

L’ottimizzazione topologica è un processo che permette l’individuazione della distribuzione ottimale del materiale in una struttura o in un componente, rimuovendolo nei punti non soggetti a stress. Partendo da un modello 3D, il progettista imposta vincoli e carichi e, definite le informazioni relative al progetto sul software di modellazione CAD, un algoritmo iterativo esegue il cosiddetto ciclo di ottimizzazione.
Grazie all’ottimizzazione topologica, è possibile eseguire simulazioni avanzate di varie configurazioni del prodotto in breve tempo, potendo confrontare, oltre alle diverse condizioni di carico, anche differenti materiali, fornendo risultati immediati sulle condizioni costruttive ottimali. Inoltre, le nuove tecnologie di ottimizzazione hanno una forte sinergia con i metodi di produzione additiva consentendo la produzione di geometrie anche molto complesse per soddisfare i requisiti di progettazione.

DESIGN GENERATIVO

La progettazione generativa può essere definita come la sintetizzazione di progetti tramite l’utilizzo di programmi
avanzati di intelligenza artificiale
. Si avvia un vero e proprio processo di “esplorazione del design” che si serve di un software a intelligenza artificiale in grado di generare una gamma di soluzioni che soddisfano una serie di parametri (come materiali e costo). Il progettista imposta dei vincoli e carichi all’interno del software, il quale successivamente genera rapidamente le alternative progettuali.

Le due metodologie applicate al caso studio: il componente del gimbal

Il gimbal, oggetto di studio dell’elaborato, è un supporto cardanico che permette la stabilizzazione di un’antenna su due assi per compensare le oscillazioni dovute turbolenze, vento e spostamenti del drone Horus sul quale viene montato.
Nella configurazione senza gimbal, l’antenna sarebbe collegata in maniera solidale al corpo del drone e ne seguirebbe quindi tutti i movimenti e le oscillazioni. Con il gimbal a due assi, l’antenna risulta invece stabilizzata in direzione x e y e sono compensate le oscillazioni indesiderate dovute sia a turbolenze e al vento, ma anche alle rotazioni che si generano durante lo spostamento del drone.

gimbal_due_assi
Braccio del gimbal a due assi nella configurazione attuale.
componente_gimbal_due_assi
Componente del braccio del gimbal, oggetto di studio, nella configurazione attuale.

L’obiettivo principale del lavoro di analisi è stato pertanto quello di massimizzare la rigidezza del componente minimizzando il peso. Una volta individuate le forze agenti sul sistema, si è utilizzato un software per la modellazione, Fusion 360, sviluppato da Autodesk nel 2013. Esso integra design industriale, design strutturale, simulazione meccanica e CAM. Contiene numerose funzionalità, tra cui l’ottimizzazione topologica e il design generativo, che sono state utilizzate per la modellazione del componente.

Risultato del confronto tra le metodologie di progettazione

La procedura di ottimizzazione topologica per componenti meccanici di piccole dimensioni ,come il gimbal, è veloce, semplice e intuitiva. Tuttavia, è necessario disporre del componente già modellato ed effettuare numerosi studi per confrontare i diversi risultati proposti: può infatti essere modificata la percentuale di riduzione del materiale.

Talvolta inoltre, il software non prende in considerazione valutazioni di carattere estetico e realizzativo, fornendo soluzioni che non possono essere prodotte con i principali processi produttivi: resta quindi compito del progettista implementare il modello a seguito dell’ottimizzazione per fornire un risultato “ottimale” che prenda in considerazione anche questi aspetti.

Il risultato ottenuto grazie all’ottimizzazione ha un peso ridotto del 58% rispetto al modello originale. Nell’ambito dello studio non sono stati considerati differenti materiali con proprietà meccaniche più elevate, che potrebbero ulteriormente ottimizzare la geometria del componente.

forma di partenza o matrice
risultato riduzione dell’80% della massa
rimodellazione e riduzione della massa del 58%

D’altra parte, lo studio generativo richiede molto più tempo , a maggior ragione se sono selezionati diversi materiali e varie tecnologie produttive. Tuttavia, oltre a non avere necessità del componente originale, permette di esaminare facilmente i compromessi tra prestazioni, costi ed estetica tra progettazioni che possono essere concretamente realizzate (utilizzando i metodi di produzione di cui si dispone, nel caso studio tecniche additive).

Il software completa numerosi risultati ma le geometrie di cui viene completata la convergenza sono un numero minore: alcuni materiali infatti non riescono a soddisfare i vincoli progettuali e il software non riesce a concludere correttamente lo studio. Selezionando uno dei risultati, è possibile vedere il numero di iterazioni software che hanno permesso la generazione della geometria, nel nostro caso 30. Esse sono selezionabili e ispezionabili, in modo da poter esportare anche un risultato intermedio.

Individuazione dei parametri: ostacoli – geometrie di mantenimento – forma inziale
Iterazione 1
Iterazione 34

Inoltre, questo processo fornisce un prodotto direttamente realizzabile, che non richiede una modellazione ulteriore da parte del progettista. Proprio da questo punto di vista, la critica che viene maggiormente mossa nei confronti dei software che utilizzano l’intelligenza artificiale è la mutevolezza dei ruoli di “designer” e “computer: il rischio è che i progettisti non utilizzino più la propria creatività per realizzare il prodotto, ma diventino passivamente dei “supervisori” del processo di progettazione.

Conclusioni

Nonostante l’ottimizzazione topologica non si possa considerare attualmente una metodologia “autosufficiente”, poiché richiede un’ulteriore fase di riprogettazione, in cui devono essere considerate analisi strutturali più complesse e valutazioni di tipo estetico e realizzativo (che invece vengono implementate nella progettazione generativa), è tuttavia la metodologia di progettazione preferita nell’ambito del caso studio preso in esame.

gimbal_configurazione1
Configurazione attuale del componente del gimbal
gimbal_ottimizzato
Risultato dell’ ottimizzazione topologica
design_generativo_gimbal
Risultato del design generativo

Uno sviluppo futuro di questo lavoro potrebbe essere la riprogettazione e stampa del risultato ottenuto con lo
studio generativo, in modo da effettuare un confronto con il componente ottimizzato. Anche l’applicazione del metodo di ottimizzazione agli altri componenti del gimbal in modo da ridurre il payload del drone, rappresenta una strada da poter percorrere in futuro.

Complimenti Angelica e buon lavoro!