Algoritmo MIT: l’ottimizzazione topologica che integra i limiti reali della stampa
Il 26 settembre 2025 un team del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha presentato un approccio che integra direttamente nel design i vincoli fisici del processo di stampa 3D—come diametro dell’ugello, dimensione del cordone di materiale, resistenza dei legami tra layer e traiettoria dell’estrusore—per ridurre lo scostamento tra modello numerico e pezzo reale. Il lavoro è guidato da Hajin Kim-Tackowiak (prima e corresponding author) e dall’associate professor Josephine V. Carstensen (MIT CEE).
Che cosa cambia rispetto alla “TO” classica
Nel flusso classico di topology optimization (TO) si ottimizza la forma trascurando spesso le imperfezioni di deposizione proprie dei processi material extrusion/DIW/FFF; questo porta a sovra- o sotto-estrusione e a proprietà meccaniche non allineate alle attese. Il nuovo metodo inserisce tali vincoli a monte, progettando geometrie e percorsi utensile coerenti con la realtà di macchina.
Il cuore tecnico: dall’NCTO alla generazione diretta del toolpath
Lo studio amplia l’algoritmo Nozzle-Constrained Topology Optimization (NCTO) e propone una generazione diretta del toolpath a partire dal risultato dell’ottimizzazione, includendo un metodo sperimentale per misurare le proprietà del materiale nella zona di legame tra cordoni. In prove comparative, a densità relative ≤ 70% i progetti con vincoli di ugello hanno mostrato una migliore corrispondenza tra simulazione e test (prestazioni e fedeltà di densità), mentre gli schemi TO convenzionali tendevano a sovra-depositare materiale e a prevedere in modo incoerente le prestazioni.
Validazione e risultati
Gli autori documentano una serie di stampe di materiali cellulari con percorso di estrusione controllato dall’algoritmo; la correlazione numerico-sperimentale migliora su più livelli di densità, riducendo “sorprese” in prova meccanica. L’approccio punta anche ad abilitare materiali finora evitati per problemi di processo, trasformando vincoli e “quirk” in parametri con cui progettare.
Perché è rilevante per l’industria
Integrare i limiti di processo nella TO significa: minori iterazioni prototipali, parametri di slicing più prevedibili, stime di massa/proprietà più affidabili e un passo verso design-for-AM realmente legato alla macchina. L’uscita su Materials & Design (Elsevier) sancisce la maturità accademica del tema e rende il paper open-access tramite DOI.
Contesto: la linea di ricerca del gruppo Carstensen
Il lavoro si inserisce in un filone che, dal 2020, studia vincoli di ugello e manifatturabilità dentro la TO (in particolare per material extrusion), con pubblicazioni su Structural and Multidisciplinary Optimization e risorse open-access del MIT. Questo percorso include estensioni MILP alla TO per componenti con restrizioni di materiale e contributi su microstrutture e “human-informed TO”.
Chi sono le realtà coinvolte
L’attività è firmata dal Department of Civil and Environmental Engineering del MIT (Carstensen Group). La pagina istituzionale e i profili di gruppo riportano missione, pubblicazioni e membri del team.
Prospettive operative
Per i team AM, l’approccio suggerisce workflow in cui materiale, ugello, layer bonding e path planning entrano tra le variabili di progetto. È coerente con le linee ISO/IEC e i formati dati (es. 3MF con estensioni “Materials and Properties/Production”) che già descrivono parametri di produzione e proprietà del materiale—utile per collegare TO → toolpath → macchina.
