Come la progettazione generativa in NX sta trasformando l’ingegneria

Di Drew Wilson

Alla Hannover Messe 2023, il CEO di Siemens Roland Busch ha accolto calorosamente il Cancelliere tedesco Olaf Scholz nel nostro stand per una discussione sui valori fondamentali dell’azienda. Sottolineando l’impegno duraturo di Siemens nell’innovazione per un futuro più luminoso, i riflettori sono stati puntati su un pezzo di tecnologia notevole: una pinza per batteria robotica progettata in modo generativo e prodotta in modo additivo, esposta in basso a sinistra nella foto. Questo componente all’avanguardia esemplifica la dedizione di Siemens alle soluzioni pionieristiche che hanno un impatto positivo sul nostro mondo.

Piccole riduzioni – grandi risparmi

Perché un componente apparentemente basilare come una pinza robotica è degno di essere presentato al Cancelliere della Germania? È una questione di numeri. Un design migliore della pinza può far risparmiare fino a 3 tonnellate di emissioni di CO2 per robot all’anno. Il settore della robotica industriale sta vivendo una rapida crescita, con un aumento medio annuo dell’11%. A partire dal 2021, verranno distribuiti oltre 500.000 nuovi robot all’anno, che contribuiranno a circa 3,5 milioni di robot in tutto il mondo entro il 2022. Per capire la portata, consideri questo: il braccio robotico medio pesa circa 1 tonnellata, mentre la pinza che lo accompagna pesa circa 21 kg. Questa pinza, responsabile del sollevamento di batterie con un peso medio di 12 kg, può sembrare insignificante di per sé. Tuttavia, quando il braccio robotico funziona ininterrottamente per un anno, produce circa 5,6 tonnellate di emissioni di CO2. Le implicazioni diventano sconcertanti se si considerano l’intera popolazione di robot esistenti. E se potessimo ridurre in modo significativo la massa della sola pinza del robot, che costituisce solo il 2% dell’intero robot?

Immaginiamo per un momento di poter progettare una pinza robotica che non solo sia funzionale come l’originale, ma anche sostanzialmente meno complessa. Questa pinza sarebbe composta da soli 5 pezzi in PA 12 (Nylon 12) a riduzione di carbonio, con una riduzione dell’84% rispetto ai 30 pezzi in alluminio o acciaio utilizzati di solito. Non solo, ma sarebbe anche più leggera del 90%. E indovini un po’: invece di un lungo tempo di consegna di oltre un mese, questa pinza avanzata può essere prodotta in soli 2 giorni. Può sembrare una fantasia, ma le assicuro che non è così. Con l’Ingegneria Generativa nel software NX™, questa possibilità è oggi a portata di mano.

Via il vecchio – progettare, costruire e testare

Facciamo un passo indietro fino alle radici del processo di progettazione. Per la maggior parte della storia dell’umanità, e anche fino a poco tempo fa, la convalida di un progetto era possibile solo dopo la produzione, spesso attraverso test diretti in condizioni reali. Il trittico di producibilità, estetica e funzionalità è sempre stato fondamentale per un design di successo e tutti e tre gli aspetti dovevano essere soddisfatti.

Naturalmente, garantire la producibilità di un componente era la preoccupazione iniziale per assicurare la fattibilità. Tuttavia, questo ha spesso portato alla spiacevole constatazione, dopo la costruzione, che il progetto mancava di funzionalità, rendendo necessarie modifiche al progetto prima di poter ricominciare la costruzione. Per poi rendersi conto che, anche dopo aver risolto i problemi di funzionalità, il progetto non soddisfa i requisiti estetici, e il ciclo si ripete. Che spreco di risorse e di tempo!

Con il nuovo – simulazione-guidan design

In risposta a queste sfide, sono emerse nuove tecniche di progettazione basate sulla simulazione per aiutare i progettisti e gli ingegneri a innovare e a soddisfare i requisiti funzionali in modo più efficace. Uno dei progressi più importanti è l’ottimizzazione della topologia, una tecnica che, in base alle condizioni al contorno in ingresso e a un determinato spazio di progettazione, restituisce la distribuzione ottimale dei materiali. Per quanto potenti, queste nuove soluzioni sono spesso complesse e richiedono una profonda comprensione della teoria dell’ottimizzazione. Di conseguenza, si rivolgevano soprattutto agli ingegneri che si occupano di stress e non erano adatte alla fase iniziale di progettazione da parte dei designer. Inoltre, questi strumenti potevano essere utilizzati solo per fornire una guida alla progettazione, in quanto il formato risultante era incompatibile con il processo di progettazione e occorreva un notevole sforzo manuale per ricostruire i risultati in formato CAD.

I tradizionali designer e gli emergenti Maker hanno molto da guadagnare da una soluzione integrata con un sistema CAD incentrata sul designer. Tale strumento dovrebbe essere intuitivo e facile da usare, soprattutto nelle prime fasi di progettazione, consentendo agli utenti di prendere le decisioni giuste senza richiedere una conoscenza approfondita dell’ottimizzazione e dell’analisi strutturale. NX Topology Optimizer colma questa lacuna come soluzione di ingegneria generativa nativa NX, perfettamente integrata nella piattaforma NX.

Ottimizzatore di Topologia NX

Uno dei vantaggi principali di NX Topology Optimizer è l’associatività a monte e a valle. Ciò significa due cose: qualsiasi modifica apportata ai requisiti di input non interferirà con i risultati esistenti, che verranno semplicemente aggiornati di conseguenza. Allo stesso modo, le modifiche ai risultati dell’ottimizzazione della topologia non interferiranno con le operazioni a valle esistenti: anche queste si aggiorneranno con un clic. Inoltre, la soluzione è accelerata dalle GPU e offre una velocità senza precedenti rispetto alle soluzioni di ottimizzazione topologica tradizionali basate su CAE.

Il formato risultante prodotto da NX Topology Optimizer è un corpo liscio, facilmente modificabile all’interno dell’ambiente NX, rendendolo compatibile per l’uso in qualsiasi operazione a valle all’interno dell’ecosistema NX. Utilizzando il Generative Design in NX, le sfide e le limitazioni associate al processo di progettazione tradizionale vengono effettivamente eliminate, aprendo la strada a una maggiore efficienza e innovazione.

Progettazione generativa per ottimizzare sviluppo

Allora, cosa ci guadagna? Dennis Nier, specialista dello sviluppo del business nell’Additive Manufacturing di Siemens Digital Industry Software, offre una risposta precisa alla domanda sul perché i progettisti e i responsabili dell’ingegneria dovrebbero investire in una soluzione di Generative Design. “Per i progettisti, il Generative Design genera semplicemente interi componenti leggeri entro un fattore di sicurezza, eliminando la necessità di progettare e calcolare ogni dettaglio nella fase iniziale”.

Il Generative Design snellisce il processo di iterazione del progetto, consentendo una rapida esplorazione delle alternative progettuali e potenziando la creatività. Dennis Nier spiega ancora: “Per i responsabili dell’ingegneria, investire nel Generative Design si traduce in vantaggi tangibili, come la riduzione dei cicli di sviluppo del prodotto, l’utilizzo di materiali più bassi, la diminuzione dei costi di produzione e il rispetto delle direttive aziendali, come l’obiettivo net zero”.

E la complessità del pezzo finale? Dovrebbe essere una preoccupazione per i progettisti? Dennis è chiaro: “Non parlerei di complessità in questo caso. I componenti avranno un aspetto diverso con il design generativo. Le geometrie saranno più organiche e non conterranno più i tipici angoli retti e blocchi”. NX Topology Optimizer è una soluzione consapevole della produzione: includendo i cosiddetti vincoli di forma nell’ottimizzazione, la soluzione restituisce progetti producibili con il metodo previsto, che si tratti di produzione sottrattiva o additiva.

“Tutto è anche associativo”, continua. “Quando si apportano modifiche al progetto, la modifica si estende automaticamente alle geometrie del Design Generativo. In questo modo, le iterazioni di progettazione sono molto più veloci”. Per quanto riguarda i vantaggi del formato risultante, Dennis afferma: “Grazie a NX Convergent Bodies, le strutture organiche possono anche essere ulteriormente elaborate direttamente e inviate alla stampante 3D, senza dover rimodellare tutto manualmente come avviene con altre soluzioni”. Quindi, ciò che inizialmente sembra complesso, rende la nostra vita molto più semplice ed efficace.

Un’altra preoccupazione comune dei designer è la curva di apprendimento di una soluzione di Design Generativo. “Se consideriamo tutti i vantaggi, è chiaro che è tempo ben speso imparare la funzionalità di progettazione generativa in Siemens NX. Bisogna solo imparare la sua metodologia, che di solito funziona bene dopo mezza giornata”, ha detto Dennis. “NX Topology Optimizer è facile da apprendere perché la soluzione è completamente integrata in NX e quindi può essere utilizzata anche con l’interfaccia utente familiare”, ha proseguito. “Si comporta come le funzioni più conosciute, come Sketch o Edge Blend, ed è un elemento del Part Navigator di NX. La invitiamo a provarla, perché è anche divertente osservare la crescita delle geometrie organiche”.

Infine, gli chiedo cosa ne pensa dell’integrazione completa in NX. “È un vantaggio assoluto”, afferma. “Le fasi del processo prima e dopo il Generative Design offrono un utilizzo ottimale ed efficiente. Dalla determinazione dei giusti casi di carico in NX Motion per l’ottimizzazione alla semplice convalida finale del progetto con NX Performance Predictor. Trovare la posizione ottimale per la configurazione con NX Design Space Explorer, preparare le geometrie per la produzione con NX CAM o la preparazione alla costruzione di NX Additive Manufacturing”.

Sommario

In conclusione, NX Topology Optimizer, uno dei tanti pezzi del puzzle che compongono l’intero portafoglio end-to-end di Siemens Xcelerator, sposta l’attenzione dai vincoli di progettazione tradizionali ai risultati orientati alle prestazioni. Come ha detto giustamente Dennis Nier, “la progettazione generativa con NX Topology Optimizer semplifica la complessità, rendendo la nostra vita lavorativa più facile ed efficace”.

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