L'ottimizzazione è la ricerca di una o più soluzioni migliori relativamente ad un certo problema. All’interno di questo settore un ottimizzatore è un software in grado di identificare, suggerire ed eventualmente verificare l'insieme ideale di variabili di input che fornisce le migliori soluzioni progettuali tra tutte quelle possibili. Nella maggior parte dei casi le relazioni sottostanti tra i parametri di controllo (detti input) e le performance misurate (detti output) sono sconosciute o difficili da risolvere. A volte, inoltre, per poter ottenere la risposta del sistema è necessario avvalersi di complessi modelli numerici che richiedono molto tempo per poter produrre l’output desiderato: esempio tipico è quello dell’utilizzo di simulatori di processo di fonderia, nei quali il risultato della simulazione, in funzione dei parametri scelti, è frutto di un lungo e complesso calcolo di termofluidodinamica 3D. Figura 1 - Schematizzazione del processo di ottimizzazione Il software di ottimizzazione IMPROVEit è in grado di interfacciarsi con molteplici applicativi, tra cui il simulatore di processo FLOW-3D® CAST (Flow Science inc.), e connetterli tra loro per poter definire in maniera completa un flusso di lavoro da poter essere eseguito ripetutamente e in modo automatizzato con lo scopo di ottenere la miglior soluzione nel minor tempo possibile, riuscendo a comprendere la natura e la complessità del problema. Caso studio: Ottimizzazione della fase di iniezione In questo caso studio, mostrato per gentile concessione di FORM S.r.l., durante la progettazione della stampata di coperture di batterie in ambito automotive mediante pressocolata sono state riscontrate molte zone in cui è presente un elevato quantitativo di porosità da gas. Si è scelto quindi di utilizzare l’ottimizzazione con lo scopo di ridurre i difetti agendo sul design dei canali di colata e ottimizzando la velocità del pistone. Visti i nostri scopi gli input del flusso di lavoro scelti sono stati i valori della curva di velocità del pistone in prima fase e una vasta gamma di parametri geometrici dei canali gestiti tramite interazione tra ottimizzatore e software CAD parametrico, mentre gli obiettivi sono la miglior calibrazione dell’arrivo del metallo agli attacchi di colata e la riduzione della quantità di aria intrappolata nella lega durante questa prima fase del riempimento. Il flusso è così strutturato: l’ottimizzatore interagisce direttamente con un software CAD parametrico per variare automaticamente la forma dei canali di colata e successivamente esporta le geometrie in formato STL; questi ultimi file vengono poi utilizzati dal software di processo per simulare il riempimento, a valle del quale vengono estratti ed elaborati gli output Figura 2 - Parametri dell'ottimizzazione della fase di iniezione, per gentile concessione di Form S.r.l. Dovendo valutare due obiettivi contemporaneamente è possibile trovare una serie di differenti risultati ottimali di compromesso tra i due output ricercati, che compongono l’insieme dette fronte di Pareto. A fronte del fatto che un ciclo di flusso di lavoro richiede mediamente all’incirca 20 minuti si è deciso di eseguire l’ottimizzazione su 20 chiamate totali. Sulla base di esse la configurazione scelta è posizionata al centro del fronte di Pareto e presenta quindi un buon compromesso per avere un basso e più uniforme possibile tempo di arrivo agli attacchi di colata, migliore del 10% rispetto al setup iniziale, ed al contempo ottenere una minima quantità di aria intrappolata, il 13% inferiore rispetto ai dati iniziali. Figura 3 - Confronto tra soluzione iniziale et ottimizzata, per gentile concessione di FORM S.r.L. Questo caso studio mostra quindi come l'automazione e l’ottimizzazione numerica della progettazione di un prodotto, intesa come design, simulazione, interpretazione dei risultati e modifiche, aiuti a risparmiare molto tempo e come sia possibile ottenere dei miglioramenti importanti anche a fronte di un numero limitato di chiamate. … [Leggi di più...]
Ottimizzare il design per la produzione di massa
Introduzione La fase di sviluppo di un prodotto prevede varie fasi di calcolo e di design che prevedono una serie di passi predefiniti atti al raggiungimento della fase di produzione di massa. In vista di questo obiettivo, tenendo conto dell'elevato numero di pezzi da produrre, ogni risparmio di materiale è vantaggioso e rilevante dal punto di vista economico. Le parti coinvolte nella produzione hanno infatti la necessità di ridurre il materiale di scarto (rilevante per la fonderia) e di ridurre del peso dei componenti (rilevante per il cliente finale). Il processo di ottimizzazione della forma del prodotto aiuta entrambe le parti (fonderia e cliente) ad avere il giusto compromesso per avere un adeguato risparmio ottenendo la massima qualità dei pezzi prodotti. In questo articolo mostreremo il processo di ottimizzazione del design per la produzione di massa di un prodotto di fonderia, utilizzando un software di ottimizzazione e un simulatore di processo. Il fine è di analizzare la solidificazione del metallo presente nel sistema d’interesse e di valutare come l’ottimazione aiuti entrambe le parti coinvolte a trarne profitto. Sviluppo del progetto Figura 1 - Componente da produrre Il componente che si vuole ottimizzare in questo studio è prodotto mediante una colata di metallo in sabbia, una delle tecniche più antiche, semplici ed economiche. La fase preliminare di design ha fornito un prototipo in formato stereolitografia (STL) già potenzialmente buono per la produzione (il modello è stato fornito in gentile concessione da Flow Science Deutschland). Nell’immagine [Figura 1] si notano il sistema di alimentazione del sistema (in giallo) e la geometria del pezzo da produrre (in rosso). Il peso del solo pezzo di questa configurazione di partenza è di 2.197kg, quello dell’intero sistema è di 3.126kg. L’obiettivo principale è quello di ottenere un peso complessivo del sistema il minore possibile senza avere porosità significative nel pezzo, agendo su alcuni particolari delle geometrie stesse. I parametri scelti per esser modificati, al fine di ottenere il miglior risultato possibile, sono le dimensioni dell’alimentatore [Figura 2], lo spessore della parete verticale più vicina all’alimentazione e lo spessore della zona di transizione tra le due pareti [Figura 3.]. Figura 2 - Promi parametro dell'ottimizzazione Figura 3 - Secondo e terzo parametro dell'ottimizzazione Le variabili in gioco sono quindi potenzialmente molteplici ed esplorarne manualmente tutte le possibili combinazioni può essere un lavoro molto lungo e complesso. Per questo motivo si è scelto di avvalersi di un ottimizzatore numerico, in grado di esplorare le soluzioni in modo autonomo. In particolare, è stato scelto IMPROVEit, che grazie alla sua interfaccia semplice permette di svolgere agevolmente sia la fase di setup che l’elaborazione dei risultati. Come simulatore di processo, invece, si è scelto FLOW-3D® CAST per la precisione, l’affidabilità e la semplicità di utilizzo nell’ambito di simulazioni di fonderia. Per modificare la forma geometrica il software di ottimizzazione consente sia di interfacciarsi direttamente a CAD parametrici, qualora si disponesse del file in formato originale, sia di modificare direttamente all’interno di IMPROVEit un file STL, nel caso in cui, come in questo test, si disponesse solo di quest’ultimo. Una volta scelti i parametri da modificare, il software è in grado di modificare internamente la forma delle geometrie, lanciare le simulazioni di solidificazione interfacciandosi con il software di processo FLOW-3D® CAST utilizzando le geometrie modificate, estrarre i risultati delle analisi ed elaborarli con opportuni nodi matematici per ottenere la quantità da ottimizzare. La [Figura 4] mostra il foglio di lavoro del nostro caso Figura 4 - Rete di ottimizzazione La simulazione della solidificazione è stata impostata per rilevare la dimensione delle porosità da ritiro presente a fine simulazione in quattro volumi di controllo che dividono altrettante quattro zone distinte la geometria del pezzo ([Figura 5]), blu scuro la parte superiore, giallo la parte centrale, ciano la parte sinistra e magenta la parte destra. Di questi, solo tre sono rilevanti ai fini dell’ottimizzazione, in accordo con il committente: la porosità presente nella parte superiore (blu scuro) non è stata presa in considerazione. Nella configurazione iniziale il volume di porosità totale da ritiro nei tre volumi di controllo considerati è di 581mm3 Figura 5 - Volumi di controllo Esecuzione Ai fini del processo di ottimizzazione si è scelto di avere due obiettivi ed un vincolo, rispettivamente minimizzare il peso del sistema di alimentazione, minimizzare il peso del pezzo e avere un volume di porosità nei tre volumi di controllo scelti sotto una soglia sufficientemente bassa da poter considerare il pezzo esente da difetti visibili. Impostare un’ottimizzazione con due obiettivi ed un vincolo … [Leggi di più...]
Ottimizzazione della forma di un sanitario
La progettazione dei sanitari non segue solo criteri estetici ma deve sottostare anche a delle rigide normative che ne regolano il buon funzionamento. Tra queste, un sanitario deve garantire una buona ed efficace pulizia delle superfici interne, facendo sì che in fase di scarico l’acqua rimuova adeguatamente la maggior parte dello sporco. Il presente studio è volto ad analizzare possibili forme alternative sia per l’inlet dell’acqua di scarico sia per la tazza stessa, che massimizzino la superficie dell’interno del sanitario bagnata dall’acqua. Le variabili in gioco sono potenzialmente molteplici ed interconnesse tra loro: esplorarne manualmente tutti i possibili valori può essere un lavoro molto lungo e complesso, così come comprenderne gli effetti sull’obiettivo fissato. Per questo motivo si è scelto di utilizzare un software di ottimizzazione che rispondesse a questa esigenza: interfacciandosi con i più disparati software si è infatti in grado di automatizzare il lavoro, analizzare l’influenza di molteplici parametri e di comprendere il legame tra essi e le performance che si vogliono migliorare. Il software scelto è IMPROVEit, che grazie alla sua interfaccia semplice permette di svolgere agevolmente sia la fase di setup che l’elaborazione dei risultati. https://www.youtube.com/watch?v=7KoQHw1VQfk&feature=youtu.be Il software è in grado di modificare internamente la forma di geometrie STL sulla base di parametri fissati dall’utente, lanciare delle simulazioni fluidodinamiche interfacciandosi con il software CFD FLOW-3D® utilizzando le geometrie modificate, estrarre i risultati del software ed elaborarli con opportuni nodi matematici o invocando Excel per ottenere la quantità da ottimizzare. FLOW-3D® è stato scelto per le sue ottime capacità, in termini di velocità e accuratezza, nel calcolo di flussi transitori e a superficie libera. Sono stati scelti tre parametri geometrici da variare, per non complicare eccessivamente il problema: la direzione dell’inlet, la sezione di uscita dell’inlet e la pendenza della parte anteriore del sanitario, giocando con la curvatura qui presente. L’ottimizzazione può essere certamente complicata con più tempo a disposizione. L’obiettivo invece è di massimizzare la superficie bagnata dell’interno del sanitario, calcolata come l’integrale dell’area coperta da liquido durante tutto il tempo di scarico suddivisa per il tempo di scarico stesso. Inoltre, è stato imposto il vincolo che l’acqua non debba fuoriuscire dalla parte superiore del sanitario, nemmeno in piccole quantità, per scartare quelle soluzioni che pur lavando bene la superficie provocano spruzzi indesiderati. La simulazione fluidodinamica è stata impostata inizializzando l’acqua nella vaschetta a monte del sanitario e impostando come condizioni al contorno l’uscita dal tubo di scarico e la pressione atmosferica dell’aria. Così facendo il flusso d’acqua è libero di entrare liberamente e naturalmente all’interno del sanitario. La simulazione è arrestata quando la vaschetta è completamente vuota. IMPROVEit ha il vantaggio di non necessitare di conoscenze nel campo dell’ottimizzazione per essere utilizzato, in quanto è in grado di scegliere autonomamente la strategia migliore per raggiungere l’obiettivo. Richiede soltanto di definire un budget, ovvero il tempo che si vuole dedicare all’ottimizzazione, poiché la strategia scelta è tale da cercare le soluzioni ottimali intorno alla fine di questo periodo. Poiché ogni ciclo di calcolo (variazione delle geometrie, simulazione fluidodinamica ed elaborazione degli output) dura all’incirca 40 minuti, si è scelto un budget di 25 cicli, in modo da avere il risultato in poco più di un giorno. Considerando che ci sono 3 variabili in gioco e che il problema è di natura complessa, si può ritenere un caso piuttosto impegnativo per il software di ottimizzazione. Nonostante ciò, IMPROVEit è stato già in grado di proporre soluzioni che aumentino la superficie del wc bagnata dall’acqua fino al 35%. Inoltre, analizzando il panorama delle soluzioni trovate, si può comprendere meglio l’influenza dei vari fattori. Si nota, infatti, come diametri di uscita più larghi premino poiché permettono una fuoriuscita maggiore di massa nell’unità di tempo, nonostante una strozzatura ridotta comporti velocità maggiori. La direzione dell’inlet che dà i migliori risultati, invece, è quella allineata con il piano orizzontale, mentre la forma del sanitario ha effetti più vari, senza evidenziare una tendenza così netta. … [Leggi di più...]
