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Tecnologie Additive,un opportunità da cogliere

La progettazione per l'additivo: il fattore chiaveFederico Valente

12 aprile 2018

Centro Congressi Unione Industriale - via Vela 17, Torino

12 aprile 2018 1Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere,

Torino 12 aprile 2018

Opportunità

…qualcosa di diverso?

Nuovi concettiLacuna di metodo

12 aprile 2018 2Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile

2018

La diffusione di una nuova tecnologia di fabbricazione

è sempre accompagnata dallo sviluppo di

un'adeguata metodologia di progettazione, cioè

l'insieme di strumenti e procedure per lo svolgimento

dell'attività progettuale. Questo concetto si applica

anche all'insieme delle tecnologie di fabbricazione

additiva.

12 aprile 2018Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile

20183

Opportunità di alleggerimento e

di funzionalità legata alla

realizzazione di forme

"organiche" o cave, impossibili

da ottenere con tecniche

sottrattive o di formatura;

Opportunità: Ottimizzazione


20184

Opportunità ulteriori di

alleggerimento e di

applicazioni della

biomimetica offerte

dalla realizzazione di

strutture cellulari o

reticolari

Opportunità: Progettazione strutturale multi-scala


20185

Opportunità di fabbricare

prodotti su misura eliminando

tempi e costi di progettazione e

costruzione delle attrezzature.

Opportunità: Customizzazione di massa


20186

Opportunità di conseguire in

unica parte la funzione

altrimenti realizzabile

assemblando più parti

ottenute con tecnologie

tradizionali.

Opportunità: Consolidamento


20187

Normazione


20188

L’attività di standardizzazione nell’ambito di “Data & Design” in

relazione all’Additive Manufacturing, include ma non si limita a:

• Elaborazione e scambio dati, specificazione termini, definizioni, tipi di

file e rilevanti formati di dati;

• Definizione dei parametri chiave del formato “Additive Manufacturing

Format” (AMF), che usa un linguaggio di mark-up estensibile (XML)

ed è concepito per soddisfare requisiti attuali e futuri di strutture dati

per le tecnologie additive;

• Linee guida generali e specifiche per la progettazione.

Normazione


20189

I principi delle regole di progettazione (PDR)

Fondamentali di progettazione - Design Fundamentals (DF).

Sono indipendenti dall’implementazione. Sono caratteristiche

fondamentali di una geometria, di un processo o di un materiale:

- Parametri di progettazione;

- Parametri della macchina;

- Parametri del materiale.


201810


Principi di progettazione - Design Principles (DP).

Stabiliscono correlazioni fra i fondamentali di progettazione e possono

essere stabilite ad ogni livello dello schema indicato sopra:

• Finiture superficiali;

• Sporgenze e sottosquadri;

• Ritiri termici;

• Tollerane di costruzione;

• Celle reticolari;

• Strutture reticolari;

• Strutture di supporto;

• Smussi, raccordi;

• Nervature e rinforzi;

• Parti porose.


201811


Regole di progettazione - Design Rules (DR).

Sono composte di uno o più fondamentali e principi di progettazione. Fornisce

una guida esplicita ai processi di progettazione o di fabbricazione, tramite

relazioni matematiche e vincoli fra insiemi di parametri. Alcuni esempi:

Area di

sicurezza

Zona a

rischio

Necessità

di

supporti

• Fori cilindrici;

• Orientamento asse foro;

• Diametro foro

• Spessore strato;

• Orientamento parte

rispetto ad asse foro;

• Risoluzione di processo

nel piano x-y.


2018

Check-listDecidere se un progetto è

realizzabile con tecnologie

additive, tramite verifica di:

• Complessità;

• Funzionalità;

• Rimozione materiale;

• Aree non supportate;

• Strutture sottili;

• Concentratori di tensione;

• Tolleranze;

• Distorsioni.


2018

L’ottimizzazione per additive manufacturing

• Inclinazione pareti:

• 𝛿 > 𝛿lim with 𝛿lim = 45°

• Rapporto forma

strutture a mensola:

Thickness/length > 1/8

• Spessore minimo

sezioni tubolari: 1 mm

• Raccordo alla base: 6

mm

Gestione di un progetto DfAM – Analisi dei rischi


2018

PROJECT CHARTER: ANALISI DEI RISCHI AL12-apr-18Nr. Rischio Causa Possibile evento Impatto Probabilità Gravità (IxP) Risposta Owner

1 Blocco di alcune attività

Disponibilità delle risorse

limitata

Limitazione nell’efficacia del

progetto 0.7 0.5 0.35 Ridefinizione priorità SC

2Risultati diversi da quanto

attesoUtilizzo non corretto

metodologia di calcoloPerdita d’efficacia dell’attività

CAE 0.8 0.4 0.32 Formazione e supervisione PM

3

Incomprensioni sugli obiettivi

dell’attività

Mancata o non corretta

gestione del team

Perdita di elementi importanti

nel team / disgregazione team 0.8 0.4 0.32

Azioni di creazione spirito di

squadra; chiarimento con

cliente PM / TL

4Calcoli di ottimizzazione non

convergonoErrata applicazione della

proceduraProlungamento eccessivo

attività 0.6 0.5 0.3

Approfondimento tecnico,

eventualmente supportato da

consulente TL

5 Ricostruzione CAD impossibile

Errata applicazione della

metodologia

Prolungamento eccessivo

attività 0.6 0.5 0.3



consulente TL

6

Inefficacia intervento

ottimizzazione

Complessità di modellazione

del fenomeno

Perdita di credibilità da parte

dei clienti 0.8 0.3 0.24



consulente TL

7

Lentezza nell’attività di

riprogettazione CAD

Scarsa conoscenza software o

metodologia


attività 0.6 0.4 0.24 Formazione e supervisione PM / TL

8 Lentezza nell’attività di CAE

Scarsa conoscenza software o

metodologia


attività 0.6 0.4 0.24 Formazione e supervisione PM / TL

9

Impossibilità di soddisfare

vincoli progettuali

Requisiti clienti errati o

inconsistenti Fermo attività 0.8 0.2 0.16 Chiarimento con cliente PM

10 Intervento inapplicabile Vincoli normativiLimitazione nell’efficacia del

progetto 0.7 0.2 0.14Ridefinizione attività,

chiarimento con cliente PM

Gestione di un progetto DfAM – Pianificazione


2018

Data 12/4 13/4 16/4 17/4 18/4 19/4 20/4 23/4 24/4 25/4 26/4 27/4Giorno 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5Settimana 15 15 16 16 16 16 16 17 17 17 17 17

Attività Responsabile

Project Management: definizione e gestione risorse, planning update,

gestione rischi, raccolta e condivisione informazioni. PM ggAttività di ottimizzazione topologica CAE ggGenerazione modelli CAD CAD ggVerifica rispondenza modelli ai requisiti di fattibilità tecnologica Processi ggAnalisi FE delle parti ottenuto da prima fase di progettazione CAE ggAttività di riprogettazione, sulla base dei risultati fase precedente CAD ggVerifica rispondenza modelli ai requisiti di fattibilità tecnologica Processi ggLancio nuovi calcoli FEA e post-processing CAE ggDefinizione modelli CAD definitivi CAD ggAggiornamento modelli FEM, lancio calcoli definitivi e post-processing CAE ggReporting e preparazione documentazione e modelli per la consegna. PM gg

Un nuovo Workflow


2018

Stato dell’arte

Definizione vincoli e

condizioni

al contorno

Ottimizzazione

topologica

Preparazione alla

stampa 3D


2018

Definizione del problema:

• Materiale: Ti-6Al-4V

• Temperatura di servizio: 24 °C

• Tensione di snervamento: 903 MPa

• Definizione dei seguenti parametri:

• Massimo volume di ingombro

• Interfacce con gli altri componenti


2018

La specifica di progetto

Caso di studio:

«GE Bracket»

Definizione del problema:

4 casi di carico:

• 3 casi statici

• 1 caso torsionale

-----------------------------------

Mappatura delle interfacce


2018

La specifica di progetto

Caso di studio:

«GE Bracket»


2018

Risultato

ottimizzazione

topologica

Ottimizzazione topologica

Caso di studio:

«GE Bracket»


2018

Operazioni di

smoothing

Ottimizzazione topologica

Caso di studio:

«GE Bracket»


201822

Ottimizzazione topologica con CAESS ProTOp ®

Soluzione software potente ed efficiente per l’ottimizzazione

topologica strutturale basata su FEM.

Benefici

• Integrazione con CAD (CREO, Solidworks, NX)

• Ottimizzazione di strutture reticolari

• Funzioni di smoothing

• Generazione di file nei formati stl, obj e amf

• Definizione del contatto e del pre-strain

• Interattività: monitoraggio e visualizzazione dei loop di ottimizzazione

e possibilità di modificare i valori dei parametri durante il calcolo

• Efficienza: nuova formulazione di elementi e alto livello di

parallelizzazione


201823

Generazione superfici

Nurbs

Definizione semilavorato

con sovraspessori

Il modello geometrico

Caso di studio:

«GE Bracket»

Validazione modello


2018

Validazione Modello

Caso di studio:

«GE Bracket»


201825

Ottimizzazione orientamento e supportiParametri orientamento e supporti:

• Ottimizzazione orientamento per massimo scambio termico e minimo volume

• Risoluzione angolare = 0.1°

• Angolo di sporgenza = 46°

• Distanza da piastra = 4 mm

• Lato area di distacco = 0.9 mm

• Spessore supporti = 0.2 mm

• Larghezza supporti = 1.8 mm

Caso di studio:

«GE Bracket»


201826

Simulazione del processoMetodo Layer by Layer (LbL)

• Un flusso di calore superficiale rappresentativo è applicato a un intero strato per un tempo rappresentativo

• Questo modello è più accurato rispetto al metodo ”Inherent Strain” e richiede uno sforzo computazionale molto

minore rispetto a una simulazione termo-meccanica nella microscala.

Model Approximations

• Layer fusion + thermal relaxation

• Voxel size = 1.5 × 1.5 × 0.8 = 1.8 mm3

• Equivalent thermal model

• Support layers are melted alternatively

Distortion compensationThermal relaxation due to conduction

Caso di studio:

«GE Bracket»


201827

Simulazione del processo MSC SIMUFACT®

Soluzione software potente e scalabile per la simulazione di

processi di produzione additiva basati su metallo (PB e DD).

Benefici

Calcolo della deformazione della parte finale e riduzione delle distorsioni

Previsione dell’effetto di diversi componenti nello spazio di costruzione

Minimizzazione delle tensioni residue

Ottimizzazione dell'orientamento

Ottimizzazione delle strutture di supporto

Analisi della parte dopo trattamento termico, rimozione dalla piastra di base

e delle strutture di supporto

Accelerazione del processo di apprendimento

Confronto di più varianti prima della produzione

Riduzione del time-to-market

Riduzione dei costi di consumo di materiale


201828

Ambiente per la progettazione integrata AMTOP®

12 aprile 2018 Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile 2018 29

Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)


201836



M. Kurniawan

Massa = 339.72 grammi

Volume = 76706.20 millimetric cubici

Riduzione di massa = 83.4%



201841

Soluzione della staffa GE da Grabcad website

Distorsioni da simulazioneSemilavorato con supporti


201842

Soluzione ottimizzata topologicamente della staffa GE

Distorsioni da simulazioneSemilavorato con supporti

Q&A


201843

tecnologie additive, un opportunità da cogliere · sottrattive o di formatura; opportunità:...

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