Utilizzo dell'ottimizzazione topologica per la produzione di stampi per la laminazione dei materiali compositi = Use of topological optimization to produce molds for the lamination of composite materials

L’additive manufacturing è una tecnologia che si è diffusa notevolmente nell’ultimo decennio e che si sta utilizzando sempre più anche nel settore aerospaziale; la sua finalità è la realizzazione di veri e propri pezzi finiti, senza limitazioni date dal metodo di produzione. In virtù di questo, il modo di progettare si sta modificando, lasciando molta più libertà di design ai progettisti che possono concentrarsi solo sullo scopo di utilizzo del pezzo. La libertà di progettazione ha portato ad un vero e proprio studio sull’ottimizzazione della forma. L’ottimizzazione topologica permette, infatti, di mantenere le funzionalità del componente andando a ridurre il materiale, i costi e i tempi necessari per produrlo. Si può quindi dire che, sia la fabbricazione additiva, sia l’ottimizzazione topologica siano usate solitamente per ottimizzare e produrre il componente finale; in questo progetto invece, si è pensato di utilizzare queste due tecnologie, strettamente collegate, non per la produzione dei pezzi, ma per la costruzione di stampi. Gli stampi sono delle parti fondamentali per la laminazione dei materiali compositi, il cui utilizzo, ormai largamente diffuso, è avvenuto anche nel Team S55 per la realizzazione di un aeromodello ed è stato fonte di ispirazione per questo progetto di tesi. Considerati i numerosi stampi prodotti, associati a lunghi tempi di stampa, si è pensato quindi di agire sull’ottimizzazione degli stampi. La fase iniziale consisteva nella ricerca di materiali adatti alla costruzione degli stampi e alla loro successiva laminazione. In seguito, si sono considerati i diversi tipi di ottimizzazione, per poi procedere alla fase sperimentale. Lo scopo era quello di individuare i parametri di riempimento ottimali (per una specifica condizione di carico) da inserire all’interno dei software di stampa 3D (i cosiddetti slicer, come ad esempio Ultimaker Cura o Simplify 3D). Per fare ciò si è realizzato un modello CAD di uno stampo tramite il software Solidworks, il cui design non troppo complesso e le cui dimensioni non richiedevano lunghi tempi di calcolo. Il processo di ottimizzazione sul software Inspire è stato di tipo iterativo, variando le condizioni di carico (due diversi tipi di laminazione), i materiali (Pla e Ultem 1010), l’obiettivo e i vincoli dell’ottimizzazione (minimizzando la massa o massimizzando la rigidezza) e i parametri dimensionali del reticolo di riempimento (diametro e lunghezza dell’elemento). Si sono poi messi a confronto i risultati simulando la stampa dei vari tipi di ottimizzazione, comparando il materiale e il tempo necessari.