Free-form topology optimization for additive layer manufacturing

Data di pubblicazione

01-02-2018

Codice

MA.16.073.A

Stato

Licenziato

Data di priorità

22-11-2016

Fase

Domanda di brevetto internazionale PCT; domanda di brevetto in US e Italia

Titolare

Politecnico di Milano, Thales Alenia Space - Italia

Dipartimento

DIPARTIMENTO DI MATEMATICA

Autori

Simona Perotto, Stefano Micheletti, Luca Soli

Descrizione

L'invenzione consiste in un algoritmo matematico, implementato in ambiente di progettazione assistito dal calcolatore (CAD), per l'ottimizzazione topologica di strutture. Applicazioni tipiche sono la stampa 3D e l’Additive Layer Manufacturing (ALM), che possono trarre enormi vantaggi da tale algoritmo. Infatti, queste tecnologie permettono di superare i limiti delle tradizionali tecniche di manifattura, basate sulla sottrazione di materiale, portando così alla realizzazione di oggetti e manufatti fino ad ora inimmaginabili. L’algoritmo proposto aiuta il progettista nel realizzare strutture free-form, grazie ad una sofisticata procedura agli elementi finiti, appositamente sviluppata per fornire oggetti intrinsecamenti lisci. In particolare, in vista delle applicazioni aerospaziali di interesse, si vuole ottenere una struttura leggera ma sufficientemente rigida. A tal fine, la tecnica standard SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) per l’ottimizzazione topologica, basata sull'approssimazione mediante elementi finiti dell'equazione della elasticità lineare, viene migliorata per mezzo di un’opportuna scelta della griglia computazionale. La procedura risultante permette, da un lato, di ridurre i costi computazionali; dall'altro produce delle strutture intrinsecamente lisce che, come tali, riducono la necessità di post-processing. Il valore aggiunto di questo algoritmo è quello di guidare la scelta della griglia di calcolo con uno strumento matematico sofisticato, cioè uno stimatore a posteriori dell'errore di discretizzazione. Questa scelta rende ancora più efficiente la procedura di ottimizzazione globale che denominiamo SIMPATY, come acronimo di SIMP with Anisotropic adaptiviTY. L'algoritmo SIMPATY è stato validato con successo sia su configurazioni 2D che 3D. -ENGLISH - The invention consists of a mathematical algorithm, implemented in a computer-aided design (CAD) environment, for the topology optimization of structures. Typical applications are 3D printing and Additive Layer Manufacturing (ALM), which may greatly benefit from such an algorithm. Actually, these technologies allows one to overcome the limits of standard manufacturing techniques, based on material subtraction, designing objects and structures which could not even be figured out so far. The present algorithm helps the designer in realizing free-form structures, thanks to a sophisticated finite element procedure, suitably devised to yield intrinsically smooth structures. In particular, with a view to the aerospace applications of interest, a light but sufficiently rigid free-form structure is desirable. To this end, the standard SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) technique for topology optimization, based on the finite element approximation of the linear elasticity equation, is improved by means of a suitable choice of the computational grid. The resulting procedure allows, on the one hand, to reduce the computational costs, on the other hand, it produces intrinsically smooth structures that lead to a reduction of additional post-processing. The added value of this algorithm is to guide the choice of the computational grid with a sophisticated mathematical tool, i.e., an a posteriori estimator for the discretization error. This choice makes the global optimization procedure even more efficient. We name such an algorithm as SIMPATY, which stands for SIMP with Anisotropic adaptiviTY. The SIMPATY algorithm has been successfully validated on both 2D and 3D configurations.

Campo di applicazione

Progettazione di strutture meccaniche con proprietà di leggerezza combinate con una buona resistenza ai carichi stazionari. Questa procedura può essere di interesse per diversi settori del design industriale, oltre quello spaziale, quali biomedicale, automobilistico e aerospaziale. -ENGLISH - Design of mechanical structures with lightweight properties combined with good resistance to stationary loads. This procedure may be of interest to different sectors of industrial design, as well as space, such as biomedical, automotive and aerospace.

Vantaggi

Costi computazionali ridotti; Strutture molto lisce; Ridotta fase di post-processing. -ENGLISH - Reduced computational costs; Very smooth structures; Limited post-processing.

Stadio di sviluppo

Algoritmo funzionante, implementato in FreeFem++ e validato su casi test 2D e 3D. -ENGLISH - Algorithm implemented using FreeFem++, validated on 2D and 3D test cases.

Contatto

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