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

Simulazione FEM di guarnizioni in gomma

L’approccio tradizionale dei fornitori nel settore automobilistico consisteva nel realizzare i pezzi sulla base dei disegni forniti dagli OEM (Original Equipment Manufacturer). Oggi gli OEM stanno delegando sempre maggiori responsabilità di progettazione ai fornitori. Questa tendenza cambia in maniera significativa il ruolo dei fornitori che, anziché cercare di superare la concorrenza principalmente in termini di qualità, prezzi e tempi di consegna, vengono ora spesso valutati in base alla loro capacità di sviluppare un progetto innovativo che soddisfi i requisiti dell’OEM e che possa essere prodotto con elevati livelli di qualità e costi contenuti. Interseals, uno dei principali fornitori di guarnizioni per il settore automobilistico e altri mercati, ha reagito a questa tendenza incrementando le dimensioni e le capacità del proprio team di ingegneri. In passato, l’azienda ha incontrato difficoltà nel soddisfare le richieste dei clienti, che esigevano progetti innovativi ed economici. Le guarnizioni sono pezzi difficili da progettare, poiché i componenti in gomma sono sottoposti a notevoli deformazioni sotto carico, fino al 500% nelle applicazioni ingegneristiche. Il comportamento di carico/allungamento della gomma è estremamente non-lineare e tempo/temperatura-dipendente. In passato, quando gli ingegneri di Interseals basavano i progetti iniziali sull’esperienza e su formule classiche, solitamente il primo prototipo non rispondeva ai requisiti del cliente. In generale occorrevano due ulteriori iterazioni per correggere il progetto. Ogni iterazione aveva un costo medio di 5000 euro per le spese legate alle attrezzature e richiedeva fra le 6 e le 8 settimane.

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La sfida

Il management di Interseals ha deciso di esaminare i software di simulazione per individuare una soluzione in grado di prevedere il complesso comportamento non-lineare, prendendo in considerazione anche gli effetti di tempo e  temperatura e riuscendo a calcolare i modelli di materiali comprimibili e incomprimibili sulla base dei dati dei test. Gli ingegneri di Interseals hanno effettuato diversi test case basati su guarnizioni che avevano sviluppato in passato di cui erano disponibili i risultati.

Soluzione

Marc è un software che ha fornito risultati accurati per i test case. “Marc rappresenta una soluzione non-lineare potente e affidabile che, nell’analisi dei nostri test case, ha dimostrato la capacità di simulare accuratamente le prestazioni delle guarnizioni in gomma,” ha dichiarato Pierino Izzo, Responsabile Ricerca e Sviluppo per Interseals. “Abbiamo inoltre apprezzato la velocità e la facilità d’uso offerte dall’interfaccia grafica del software. Altre funzioni molto utili nelle nostre applicazioni sono la capacità di Marc di gestire la giunzione di materiali iperelastici, la facilità con cui è possibile impostare contatti e condurre simulazioni 2D o 3D.” Di recente, gli ingegneri di Interseals hanno utilizzato Mentat e Marc per la simulazione di una guarnizione per l’ECU (unità di controllo elettronico) di ricarica della batteria di un nuovo veicolo elettrico. La guarnizione in gomma siliconica ha lo scopo di sigillare il contenitore in alluminio da acqua e polvere a temperature variabili da -40° C a +85° C. La prima fase del processo di simulazione è stata la caratterizzazione del materiale. I tecnici di Interseals hanno condotto test fisici, fra cui prove di trazione e test assiali a diverse temperature e prove di dilatazione termica. In seguito gli ingegneri hanno definito la geometria iniziale tramite un software CAD. Hanno creato tre diverse sezioni trasversali a rappresentare l’idea progettuale nonché la massima e la minima geometria consentite dalle normali tolleranze di fabbricazione. Hanno quindi esportato la sezione trasversale della guarnizione per condurre una simulazione 2D, che viene eseguita generalmente per prima poiché i suoi tempi rapidi consentono agli ingegneri di effettuare velocemente iterazioni multiple per ottimizzare il progetto. In seguito hanno importato la geometria nel pre-processore Mentat e hanno creato una mesh quadrangolare. Hanno defi nito le proprietà del materiale iperelastico e una condizione al contorno fi ssa al corpo rigido più basso. Hanno creato contatti fra le guarnizioni e i corpi rigidi adiacenti. Hanno generato diversi casi con contatti con e senza attrito fra le guarnizioni e i corpi rigidi. I risultati della simulazione hanno mostrato la forma deformata della guarnizione dopo l’installazione, la pressione di contatto e le forze di reazione della guarnizione contro il coperchio. Dopo una dozzina di iterazioni, gli ingegneri di Interseals hanno trovato un progetto che sembrava funzionare correttamente nella simulazione 2D. Ma quando hanno condotto una simulazione 3D, hanno riscontrato che, alle dimensioni massime consentite, una fessura nella guarnizione era troppo grande per entrare nella scanalatura nel coperchio dell’ECU e ne impediva quindi la chiusura una volta installata la guarnizione. Gli ingegneri hanno modifi cato la sezione trasversale per ridurre le dimensioni della fessura e hanno eseguito un’altra simulazione. Tramite una serie di iterazioni, il profi lo è stato modifi cato in modo da rendere la scanalatura più stretta e profonda. È cambiata anche la forma delle nervature attorno alla parete laterale della guarnizione, che contribuiscono a mantenerla in posizione nella scanalatura. Durante le varie iterazioni, gli ingegneri hanno preso in esame non solo le prestazioni del progetto della guarnizione, ma anche i costi legati alle apparecchiature necessarie per realizzare un dato progetto. Alla fi ne hanno individuato un progetto in grado di soddisfare tutti i requisiti, sulla base della simulazione 3D.

Vantaggi

Gli ingegneri di Interseals hanno condiviso i risultati della simulazione con il cliente, che ha dato il via libera per la realizzazione dello stampo. Una volta completato lo stampo, Interseals ha creato una serie di prototipi e li ha forniti al cliente.

Interseals

Interseals Srl è stata fondata nel 1995.
L’azienda ha un organico di oltre 120 dipendenti e un fatturato di circa 18.000.000 di
euro nel 2015. Le vendite dell’azienda sono suddivise fra il settore automobilistico (60%), il settore degli elettrodomestici (30%) e il settore dei dispositivi medici (10%).

 

 

rISulTaTI/vaNTaggI

Gli ingegneri di Interseals hanno condiviso i risultati della simulazione con il cliente, che ha dato il via libera per la realizzazione dello stampo. Una volta completato lo stampo, Interseals ha creato una serie di prototipi e li ha forniti al cliente.  

 

INTerSealS

Interseals Srl è stata fondata nel 1995. L’azienda ha un organico di oltre 120 dipendenti e un fatturato di circa 18.000.000 di euro nel 2015. Le vendite dell’azienda sono suddivise fra il settore automobilistico (60%), il settore degli elettrodomestici (30%) e il settore dei dispositivi medici (10%).  

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