L’ottimizzazione topologica e i carrelli per skateboard sono una sferzata per il futuro della progettazione
Fare flip e grab con lo skateboard è il massimo, ma farlo durante una discesa con un longboard è davvero da pazzi. Raggiungendo velocità di oltre 140 chilometri all’ora, i longboarder discesisti combinano le tecniche di skateboard e surf in un’esplosione di adrenalina a tutta velocità. Ovviamente, essere sicuri che le ruote restino attaccate alla tavola è di importanza vitale per questi spericolati discesisti.
Il “carrello” di uno skateboard è quella parte che si trova al di sotto della tavola e a cui sono attaccate le ruote. Costituito da assi, perni e cuscinetti, il carrello è l’interfaccia tra le ruote e la tavola e fornisce al rider il controllo necessario per fronteggiare variazioni di peso e curvatura e per reagire ai movimenti della tavola. Senza esagerare è una parte davvero importante.
Oggi, come i componenti aeronautici, gli elettrodomestici e molti altri oggetti moderni, i carrelli per skateboard sono destinati a cambiare, grazie all’ottimizzazione topologica e alla produzione additiva in metallo.
Philipp Manger, studente di ingegneria di precisione e discesista con lo skateboard, ha applicato le sue conoscenze al carrello degli skateboard perché, come dice lui, “è l’unica parte che finora non avevo realizzato e si adatta perfettamente ad applicare queste nuove tecnologie”. Ma questa ricerca, il Progetto TOST (acronimo di “carrello per skateboard a topologia ottimizzata”), risponde in modo specifico alle esigenze di chi si butta dalle discese con un longboard. I carrelli per skateboard tradizionali sono adatti per muoversi sulle strade, ma il modello di carrello chiamato a kingpin inverso è migliore per le corse con longboard e per quelle con skateboard ad alta velocità.
Nato in Germania e con più di 15 anni di esperienza nel settore ingegneristico, Manger è diventato progettista tecnico di prodotto e ha imparato a utilizzare la progettazione CAD e 3D in molti casi pratici, tra cui i piantoni per lo sterzo della Mini Cooper.
Dopo aver lasciato l’industria automobilistica per studiare ingegneria di precisione all’Università di Scienze Applicate di Jena, in Germania, Manger si è “innamorato” del design generativo, di altre tecniche di ottimizzazione del progetto e della produzione additiva.
L’esperienza lavorativa sulle automobili ha aiutato Manger ad affrontare i problemi della riprogettazione di uno skateboard. “Mi ha fornito molta preparazione”, dice. “Non importa cosa stai facendo: progettare è progettare. La progettazione di un componente automobilistico non è molto diversa da quella di un componente per skateboard: entrambi sono un progetto. Ho avuto l’opportunità di imparare davvero molto sui metodi di progettazione, con le cosiddette costruzioni parametriche o modellazioni parametriche. Ho provato a usare molti strumenti CAD diversi e si sono rivelati molto efficaci”.
Per iniziare a riprogettare il carrello a kingpin inverso Manger ha usato Fusion 360 e Netfabb di Autodesk per svilupparne l’ottimizzazione. Usando i parametri e i vincoli da lui impostati per ottenere la stessa (o una più elevata) rigidezza riducendo contemporaneamente il peso complessivo, il software ha prodotto come risultato una struttura reticolare ottimizzata. I progetti reticolari ispirati dalla natura sono costruzioni intricate, che ricordano delle ossa e che sembrano provenire da milioni di anni di evoluzione. I miglioramenti di peso, prestazioni e resistenza sono una grande sfida per settori industriali come quello aerospaziale, ma uno skateboard non è poi così pesante e quindi che prestazioni può offrire un carrello per skate a topologia ottimizzata?
“Quando si fa skateboard in discesa, frenare a 80 chilometri all’ora su una tavola che pesa cinque chilogrammi è più difficile che su una tavola che pesa tre o quattro chilogrammi, perciò questo ne faciliterebbe l’uso”, prosegue Manger. Ma bisogna considerare l’intera esperienza, non solo la parte divertente: i longboarder devono salire per lunghi percorsi collinari per poterli poi ridiscendere, di conseguenza ogni riduzione di peso renderà anche la tavola più leggera da trasportare.
Copiare la natura con il laser
La maggior parte dei carrelli tradizionali per skateboard sono in alluminio. Manger ha utilizzato il titanio, più pesante, ma con una trama reticolare che ha richiesto molto meno materiale, rendendo il carrello molto più leggero. “Dal momento che il titanio ha una densità quasi doppia rispetto all’alluminio, è stata un’impresa ardua”, evidenzia. “Ma il cambiamento più grande è stato che la parte superiore, mobile, del carrello, chiamata hanger, solitamente è un pezzo di fusione con un asse di acciaio all’interno di un corpo in alluminio. Entrambi i miei progetti di hanger sono realizzati in un unico pezzo con gli assi cavi e costituiti da una struttura reticolare interna”.
Manger definisce il processo “una progettazione ibrida, che combina forme organiche con strutture reticolari”, richiamando le sezioni trasversali di biologia. Come prima cosa pensate allo scheletro degli uccelli, per poi andare in profondità nella struttura ossea. Anziché essere dei solidi pressoché pieni, le ossa degli uccelli sono quasi completamente cave. Come risultato di milioni di anni di evoluzione, contengono strutture reticolari complesse in grado di fornire integrità strutturale con il minor materiale possibile, assicurando un basso peso indispensabile per poter volare. La filosofia che sta dietro il Progetto TOST è stata la volontà di “copiare la natura”, come ha riferito Manger durante la presentazione ai potenziali partner.
Molti componenti a topologia ottimizzata, come il carrello progettato da Manger, sarebbero impossibili da produrre con i metodi tradizionali: le tecniche di fresatura o fusione non hanno la precisione necessaria per rimuovere il materiale con questo livello di dettaglio. Tutti i tratti dei reticoli dei prototipi del Progetto TOST avevano uno spessore inferiore a un millimetro, il che ha escluso questi metodi, facendo anche compiere al progetto un bel salto in avanti. “L’obiettivo era indagare i limiti della produzione additiva in metallo; le minime dimensioni possibili della struttura”, continua Manger.
Questo ha fatto sì che la scelta del partner produttivo giusto fosse di importanza critica: Manger lo ha trovato nell‘Istituto IWU Fraunhofer, uno dei grandi nomi della ricerca e sviluppo per le tecnologie produttive in Germania. “I principali filoni di ricerca dell’Istituto sono la produzione additiva in metallo e altri progetti a basso peso, perciò è stato il partner davvero perfetto”, commenta Manger. “Ero felice di aver trovato un’organizzazione così grande con cui collaborare: mi hanno fornito tutto il supporto necessario per avere accesso ai servizi per la costruzione e la produzione, in particolare al Concept Laser m² di GE, una macchina per la fusione con laser. Ho acquisito molte abilità e competenze tecniche”.
Metodi alla moda impiegati a fini pratici
Il processo di valutazione dei diversi partner, di raccolta e sintesi dei dati e di progettazione era il lavoro dei sogni per Manger, che si è trovato a lavorare meglio di quanto avesse potuto immaginare, e con un solo intoppo: “Abbiamo avuto un solo difetto durante il processo costruttivo, ma alla sua prima uscita il carrello ha funzionato”, continua. “Questo ci mostra la validità del software, dal momento che ho analizzato ogni aspetto preparandolo per il processo costruttivo fin dall’inizio”.
Ci dice che il progetto sta portando dei frutti grazie ai contatti nel settore, alle aziende seriamente interessate alla tecnologia, all’attenzione portata al progetto e alla lunga serie di premi ricevuti in occasione di fiere e convegni.
“In realtà il progetto non era stato pensato per creare un carrello per skateboard”, prosegue. “Era più focalizzato sul trovare nuovi metodi per progettazioni a basso peso basate sulla produzione additiva in metallo. Il Progetto TOST mostra nuovi approcci combinando forme organiche e strutture reticolari. I carrelli per skateboard si trovano ad essere la dimostrazione di un concetto in modo che tutti possano capirlo.”