Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
METODOLOGIA

Ottimizzare le tecniche di stampa 3D con le app di simulazione

Alexandra Foley

Sviluppare l’idea progettuale di una nuova tecnologia da una fase iniziale di ricerca fino ad arrivare ad una soluzione qualificata, adatta ad un uso su scala industriale, richiede un processo rigoroso di verifica e validazione. L’additive manufacturing (stampa 3D), per esempio, fece la sua prima comparsa all’inizio degli anni Ottanta, quindi partendo con un TRL (Technology Readiness Level, un metodo che valuta il livello di maturità di una tecnologia per la sua applicazione in ambito industriale, proposto dalla NASA negli anni Settanta) pari ad 1 e, solo dopo alcuni decenni, esplose nei mercati industriali come nuova tecnica produttiva all’avanguardia, pronta a cambiare il mondo.

Stampa pdf rivista
Simulare il processo di Shaped Metal Deposition


Organizzazioni come il Manufacturing Technology Centre (MTC) di Coventry, nel Regno Unito, aiutano i propri clienti a trovare un punto d’incontro tra idea progettuale e applicazione industriale concreta, fornendo le risorse necessarie per portare un progetto da uno stadio di ricerca di base (TRL 1–TRL 3) ad un suo effettivo impiego commerciale (TRL 7–TRL 9). Una delle ricerche attualmente in corso all’MTC riguarda lo studio di una tecnica di additive manufacturing nota come Shaped Metal Deposition (SMD).
“La tecnica SMD ha molti più vantaggi rispetto alle tecniche di produzione additiva ‘a letto di polvere’,” afferma Borja Lazaro Toralles, Research Engineer nel team Manufacturing Simulation dell’MTC, che ha usato il software COMSOL Multiphysics® per realizzare un modello ed un’app di simulazione del processo SMD (Figura 1).

 

Figura 1. App per la simulazione di un processo di Shaped Metal Deposition (SMD), creata con l’Application Builder disponibile in COMSOL Multiphysics. L’app calcola le sollecitazioni residue generate durante il processo produttivo e prevede la deflessione finale del componente.

“Tra i benefici della tecnica SMD vi sono una maggiore velocità di deposizione, la possibilità di costruire nuovi elementi sopra ai componenti pre-esistenti o persino di usare diversi materiali per uno stesso componente.”
A differenza di altre tecniche di additive manufacturing, che usano i laser per fondere una piccola quantità di polvere, la tecnica SMD deposita strato su strato una lamina di metallo fuso — che in alcuni casi può essere costoso come il titanio — sopra una preesistente superficie, con un processo che è simile alla saldatura. “Tra le problematiche da risolvere in questo processo vi è il fatto che l’espansione termica del metallo fuso può deformare gli strati di metallo precedentemente depositati durante il processo di raffreddamento, determinando un prodotto finale diverso da quello che ci si aspettava,” spiega Lazaro Toralles. “Per prevedere il risultato di un progetto proposto, dobbiamo ridurre al minimo le deformazioni oppure modificare il progetto in modo da giustificarle.”

 

Figura 2. Durante il processo SMD, cicli termici inducono sollecitazioni residue sui componenti realizzati. In alto: Simulazione di un componente realizzato con la tecnica SMD. Al centro: Il componente dopo la deposizione di un solo strato, senza deformazioni visibili. In basso: dopo la deposizione di sei strati, la deformazione è visibile a occhio nudo.

La Figura 2 mostra l’esempio di un componente realizzato mediante l’uso della tecnica SMD, in cui si verifica una deformazione dopo l’aggiunta di sei strati di metallo fuso depositato. Un modello del componente, anch’esso mostrato nella Figura 2, viene usato per prevedere la deflessione del pezzo durante la produzione, consentendo al progettista di aggiornare il progetto di conseguenza.

Comunicare la complessità con le app di simulazione

L’MTC ha sfruttato l’Application Builder per comunicare in modo più efficiente idee progettuali complesse a diversi dipartimenti di simulazione e di processo e per permettere agli utenti delle app di esaminare facilmente il risultato dei progetti proposti (Figura 1). Le app sviluppate per simulare questi processi permettono di testare e validare un progetto senza fare largo uso di test fisici, decisamente più dispendiosi, in termini di tempo e costi, a causa dei materiali usati nei processi SMD. La simulazione di processi SMD richiede un’analisi termo-meccanica in funzione del tempo, che calcoli deformazioni e sollecitazioni termiche residue derivate dai cicli termici legati al processo SMD.
“Con l’Application Builder abbiamo costruito una app che consenta all’utente di prevedere se il processo di deposizione produrrà componenti che ricadono all’interno della tolleranza stabilita,” dice Lazaro Toralles. “Se ciò non avviene, la app offre uno strumento di facile utilizzo ed economicamente vantaggioso per simulare diverse variazioni dei parametri di input affinché i risultati mostrino una deformazione finale accettabile.”
Con questa app, gli utenti possono facilmente sperimentare varie geometrie, fonti di calore, traiettorie di deposizione e materiali senza preoccuparsi della complessità del modello che vi sta alla base. Nell’app sono incluse due geometrie parametriche predefinite ma è anche possibile importare geometrie personalizzate.
Attualmente l’app viene usata in MTC dai membri del gruppo che non hanno un’esperienza di simulazione tale da poter analizzare autonomamente diversi componenti e progetti per i propri clienti. “Se non fosse stato per questa app, i nostri esperti di simulazione avrebbero dovuto creare nuovi modelli numerici per ogni progetto da analizzare e questo avrebbe ridotto la disponibilità di risorse qualificate,” racconta Lazaro Toralles. “Grazie all’Application Builder, ora possiamo fornire agli altri team dell’MTC app per simulazioni numeriche facili da usare.” L’MTC offrirà queste soluzioni anche ai propri clienti.
“L’uso delle app di simulazione ci aiuterà a diffondere tecnologie con TRL più elevati per un uso pratico in ambito industriale,” conclude Lazaro Toralles. “L’Application Builder ci fornisce una potente piattaforma di sviluppo con la quale possiamo ‘confezionare’ complessi modelli multifisici e renderli accessibili a un pubblico più ampio.”

 

Il Manufacturing Technology Centre

L’MTC offre un ambiente unico per lo sviluppo di tecnologie all’avanguardia finalizzate ad un impiego nei processi produttivi. Riunisce docenti, tecnici e professionisti di primo piano nel Regno Unito con l’obiettivo di sviluppare e dimostrare l’applicazione delle nuove tecnologie su scala industriale. In questo supporta i propri clienti nello sviluppo di nuovi processi produttivi in un contesto industriale sicuro e neutrale, senza i vincoli di un ambiente produttivo commerciale. Tra i membri dell’MTC vi sono più di 80 organizzazioni, tra cui BAE Systems, GKN, HP, GM, Airbus e Rolls Royce.

« Indice del n. 76