{"id":22458,"date":"2023-06-05T08:33:59","date_gmt":"2023-06-05T06:33:59","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2023\/06\/05\/modellazione-per-produzione-additiva-i-software-stand-alone\/"},"modified":"2023-06-05T08:33:59","modified_gmt":"2023-06-05T06:33:59","slug":"modellazione-per-produzione-additiva-i-software-stand-alone","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2023\/06\/05\/modellazione-per-produzione-additiva-i-software-stand-alone\/","title":{"rendered":"Modellazione per produzione additiva: i software stand-alone"},"content":{"rendered":"
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\"Produzione<\/div>\n
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La progettazione meccanica e strutturale di componenti destinati alla produzione additiva (o additive manufacturing, AM) necessita inevitabilmente di strumenti specifici differenti dalle soluzioni tradizionali. Soltanto in questo modo, infatti, \u00e8 possibile considerare tutti i parametri di riferimento e sfruttare al meglio le potenzialit\u00e0 offerte dalle moderne tecnologie.<\/em><\/p>\n

di Giorgio De Pasquale (Professore di Costruzione di Macchine, Politecnico di Torino<\/a> \u201cSmart Structures and Systems Lab\u201d) ed Elena Perotti (Senior Data Analyst).<\/strong><\/p>\n

\u00a0<\/strong>La produzione additiva, come \u00e8 noto, offre ad ingegneri e progettisti industriali una maggiore libert\u00e0 di concepire geometrie, parti e prodotti, superando i principali ostacoli legati alle lavorazioni tradizionali, come, ad esempio, la fusione, la lavorazione del metallo o l\u2019assemblaggio di sottocomponenti. Inoltre, grazie alle tecnologie additive \u00e8 possibile ottenere soluzioni personalizzate, dalle strutture interne complesse, geometrie reticolari, oltre all\u2019impiego di materiali dalle propriet\u00e0 uniche. Il risultato \u00e8 costituito da componenti alleggeriti ed efficienti, dai costi contenuti e ottenuti con minore spreco di materiale.<\/strong><\/p>\n

Tuttavia, nonostante i citati benefici, la fase di progettazione e modellazione strutturale pu\u00f2 rivelarsi molto dispendiosa in termini di tempo e gestione di tutti quegli aspetti peculiari dell\u2019AM come, ad esempio, la gestione dei supporti.<\/strong> Tali problematiche hanno favorito negli ultimi anni il rapido sviluppo di software di simulazione specifici con l\u2019obiettivo di orientare, supportare ed automatizzare il processo di progettazione per la produzione additiva (identificato con l\u2019acronimo DfAM, design for additive manufacturing).<\/p>\n

In questo articolo si fornisce una panoramica aggiornata circa i principali prodotti software attualmente disponibili sul mercato che promettono le migliori prestazioni in ottica di supporto alla progettazione.<\/strong> Gran parte di essi sono in grado di interfacciarsi con i tradizionali software CAD per l\u2019elaborazione di geometrie, oppure consentono di dialogare direttamente con i sistemi di produzione. L\u2019obiettivo comune \u00e8 accelerare il flusso di lavoro per un\u2019ottimizzazione geometrico-strutturale del componente e guidarne la produzione.<\/p>\n

In sintesi, le principali funzioni di questi software includono:<\/p>\n

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  1. ottimizzazione topologica;<\/li>\n
  2. generazione di reticoli (lattice structures);<\/li>\n
  3. progettazione generativa;<\/li>\n
  4. algoritmi di riduzione delle masse;<\/li>\n
  5. consolidamento automatico delle parti;<\/li>\n
  6. simulazione strutturale e termica;<\/li>\n
  7. simulazione del cedimento strutturale.<\/li>\n<\/ol>\n

    In ambito di progettazione per AM, \u00e8 bene, inoltre, ricordare alcuni aspetti fondamentali, di seguito riassunti.<\/p>\n

    Ottimizzazione topologica, design generativo e modellazione strutturale per produzione additiva<\/h2>\n

    Ottimizzazione topologica<\/em><\/strong>. Consiste nell\u2019applicazione di appositi algoritmi di calcolo volti alla semplificazione strutturale del componente<\/strong> in cui, nella maggior parte dei casi, viene rimosso il materiale non strettamente necessario affinch\u00e9 questo resista alle sollecitazioni imposte. Ad esempio, un generico supporto di forma cilindrica sottoposto ad un sistema di carichi potrebbe essere trasformato in una geometria irregolare molto pi\u00f9 complessa, in cui il materiale residuo \u00e8 sufficiente a reggere quelle date sollecitazioni. Il materiale in eccesso viene quindi eliminato dalla geometria e il componente finale risulta proporzionalmente alleggerito.<\/p>\n

    L\u2019ottimizzazione di massa \u00e8 una delle soluzioni possibili.<\/strong> Altri parametri oggetto di ottimizzazione sono poi la rigidezza della struttura (ovvero la sua resistenza alla deformazione), oppure l\u2019uniformit\u00e0 della distribuzione di tensione, per fare in modo che il materiale sia sfruttato al massimo delle sue potenzialit\u00e0.<\/p>\n

    Design generativo. <\/em><\/strong>Si tratta di un processo di esplorazione del design incentrato sulla creazione di un componente utilizzando la quantit\u00e0, il tipo e la densit\u00e0 ottimale del materiale, selezionando la forma e l\u2019orientamento migliori e altre variabili significative per la realizzazione di una funzione obiettivo specifica. In questo contesto, viene coinvolta anche la simulazione strutturale, per considerare l\u2019effetto di carichi o spostamenti imposti,<\/strong> sempre con l\u2019obiettivo di perfezionare ulteriormente il design, valutando tutte le varianti possibili nell\u2019ambito considerato.<\/p>\n

    Mediante strumenti di intelligenza artificiale, il software calcola ogni variante e ne apprende il risultato<\/strong>, convergendo nella configurazione vincente. Ovviamente, a causa della grande quantit\u00e0 di variabili associate alla progettazione generativa, per poter eseguire i calcoli in un tempo ragionevole, sono necessarie applicazioni molto potenti. Il design generativo \u00e8 in grado di contemplare anche i processi produttivi di AM, per esempio, escludendo dalle possibili soluzioni forme irrealizzabili.<\/p>\n

    Modellazione strutturale. <\/em>La modellazione strutturale di un componente consente di simularne il comportamento in condizioni di carico reali,<\/strong> prevedendone tensioni, deformazioni e modalit\u00e0 di cedimento. Questa attivit\u00e0, eseguita prima della fase di produzione, consente di ovviare a numerose e costose campagne sperimentali sui prototipi e consente altres\u00ec di convalidare un progetto per diversi scenari in modo parametrico, comprese le condizioni di carico termico e strutturale, al fine di comprendere prestazioni e durabilit\u00e0. Ci\u00f2 pu\u00f2 contribuire ad eliminare diversi errori nel corso del processo di AM e fornisce altres\u00ec una documentazione di processo, essenziale per la certificazione di parti in determinati settori.<\/p>\n

    I principali software DfAM per produzione additiva<\/h2>\n

    I software di DfAM<\/strong>, illustrati di seguito, sono prodotti autonomi sviluppati appositamente per il settore delle tecnologie additive. In altri casi, di cui ci occuperemo in un successivo articolo, i software sono parte di pacchetti, anche di tipo CAD, pi\u00f9 ampi.<\/p>\n

    Ansys Additive Suite<\/h4>\n

    La suite Ansys per additive manufacturing \u00e8 una soluzione completa per progettisti e ingegne<\/strong>ri; essa, infatti, copre l\u2019intero flusso di lavoro: dalla progettazione, alla simulazione del processo sino all\u2019analisi dei materiali. Concentrandosi esclusivamente sull\u2019AM, la piattaforma include una serie di strumenti per la progettazione, ottimizzazione topologica e delle strutture reticolari, e la simulazione mirati a processi additivi specifici come la fusione a letto di polvere metallica.<\/p>\n

    \"Produzione<\/a>
    Figura 1. Ottimizzazione topologica con Ansys AM Suite (fonte: www.ansys.com)<\/figcaption><\/figure>\n

    Il modulo Additive Science \u00e8 un\u2019applicazione standalone affascinante per l\u2019indagine delle propriet\u00e0 dei materiali e dei parametri di macchina<\/strong>. Con questo strumento, \u00e8 possibile infatti esplorare come diverse tipologie di materiali influiscono sulle prestazioni del componente nonch\u00e9 regolare le impostazioni relative agli stessi materiali per prevedere, ad esempio, porosit\u00e0 e morfologia dei granuli. La suite Ansys per la stampa 3D \u00e8 disponibile come add-on alla licenza Ansys Mechanical; molti altri programmi di terze parti possono poi essere integrati con il sistema, inclusi quelli per la generazione e la simulazione di strutture trabecolari (lattice).<\/p>\n

    Il software di modellazione e simulazione supporta il calcolo delle distorsioni durante il processo di crescita del pezzo e aiuta a prevedere eventuali fallimenti di stampa<\/strong>. In effetti, la principale potenzialit\u00e0 di Ansys \u00e8 proprio il suo tool di simulazione multi-fisica e la sua fama \u00e8 probabilmente legata alla sua velocit\u00e0. La funzione di modellizzazione rapida consente, infatti, di verificare geometrie e materiali senza attendere ore per il rendering, al fine di identificare rapidamente la soluzione ottimale ad un problema ingegneristico.<\/p>\n

    Inspire and OptiStruct (Altair)<\/h4>\n

    Altair, software house americana, fornisce soluzioni nei settori della simulazione, del calcolo ad alte prestazioni e dell\u2019intelligenza artificiale, offrendo alcuni strumenti di ottimizzazione topologica e DfAM molto competitivi.<\/p>\n

    OptiStruct di Altair \u00e8 uno strumento di progettazione strutturale per l\u2019ottimizzazione topologica consolidato, diffuso da alcuni decenni per supportare progettisti ed ingegneri nel rapido sviluppo di soluzioni costruttive alleggerite ed efficienti dal punto di vista strutturale. Nonostante non sia specifico per la produzione additiva, dispone di funzionalit\u00e0 DfAM, compresa la generazione di strutture a reticolo complesse. Le prestazioni del reticolo possono essere studiate a trazione-compressione, taglio, flessione, torsione e vita a fatica.<\/p>\n

    \"Produzione<\/a>
    Figura 2. Ottimizzazione topologica con Altair OptiStruct (fonte: www.altair.com)<\/figcaption><\/figure>\n

    Sempre in ambito di AM, Altair Inspire Print3D \u00e8 pensato per contenere i costi di produzione, riducendo l\u2019impiego di materiale, i tempi di stampa e il post-trattamento<\/strong>. Il software fornisce un set di strumenti rapido e preciso per la progettazione e la simulazione del processo di parti LB-PBF (fusione laser a letto di polvere). Il progettista pu\u00f2 comprendere rapidamente le modifiche al processo o al design che influiscono sull\u2019efficienza della produzione, pu\u00f2 quindi esportare la geometria della parte e delle relative strutture di supporto nei principali software di preparazione del job di stampa.<\/p>\n

    Anche le fasi di identificazione e correzione di potenziali problemi di deformazione, delaminazione e riscaldamento eccessivo prima della stampa del pezzo possono essere semplificate.<\/p>\n

    nTopology<\/h4>\n

    nTopology, startup americana di software, offre la piattaforma nTop come suite di modellazione completa per progettisti<\/strong>. nTop permette di realizzare parti personalizzate per la produzione avanzata o importare file di progettazione preesistenti, al fine di ottimizzarli. La piattaforma assiste gli ingegneri nella creazione di componenti alleggeriti e ottimizzati con i requisiti funzionali integrati.<\/p>\n

    Oltre agli strumenti tradizionali tipici di un generico software CAD, nTopology mette a disposizione un insieme di flussi di lavoro preimpostati che automatizzano gran parte delle funzioni necessarie ad un software DfAM<\/strong>. Tra questi tools si ricordano quelli per alleggerimento, l\u2019analisi di progetto e l\u2019ottimizzazione topologica.<\/p>\n

    \"Produzione<\/a>
    Figura 3. Generative design con nTopology (fonte: www.ntolopology.com).<\/figcaption><\/figure>\n

    La piattaforma nTop, non solo supporta la preparazione dei dati di progettazione per la produzione additiva, ma permette altres\u00ec di comunicare direttamente con macchine di stampa, garantendo un flusso continuo dal progetto alla produzione.<\/p>\n

    A tal fine, nTopology ha collaborato con il produttore di stampanti Stratasys, per offrire processi integrati per alcuni dei prodotti pi\u00f9 comuni realizzati mediante tecniche di produzione additiva. Il tool \u201cFDM Fixture Generator\u201d automatizza circa il 90% del lavoro di progettazione di maschere e fissaggi per la stampa, mentre l\u2019Assembly Fixture Module<\/em> automatizza la progettazione di piattaforme e contenitori per lo stoccaggio dei pezzi, oltre ad altre operazioni di produzione.<\/p>\n

    Netfabb Ultimate (Autodesk)<\/h4>\n

    Netfabb di Autodesk \u00e8 un software di preparazione e ottimizzazione di progetto, basato su strumenti specifici per AM, inclusa la simulazione dei processi additivi per metalli.<\/strong> Il software importa modelli supportando un\u2019ampia gamma di formati CAD e utilizza gli strumenti di ottimizzazione topologica e di processo per creare strutture interne di alleggerimento a reticolo, verificare e ottimizzare automaticamente elementi trabecolari e pareti sottili, al fine di soddisfare i requisiti di carico e ridurre la massa complessiva. Il software consente quindi di generare forme ottimizzate in base ai carichi e alle limitazioni dei componenti.<\/p>\n

    \"Produzione<\/a>
    Figura 4. Ambiente Fusion360 di Autodesk Netfabb Utimate (fonte: www.autodesk.com)<\/figcaption><\/figure>\n

    Oltre a queste funzionalit\u00e0 di base, un ambiente di simulazione robusto semplifica la geometria di partenza, garantendo che le parti vengano stampate correttamente al primo tentativo. Mediante il tool di simulazione, si pu\u00f2 prevedere ad esempio la risposta termomeccanica di componenti additive durante i processi LB-PBF<\/strong> (micro-fusione laser a letto di polvere metallica) o di DED (direct energy deposition).<\/p>\n

    Il software Netfabb di Autodesk ha a lungo supportato il passaggio da CAD a stampa 3D, solo di recente, integrato nel software CAD Fusion 360. In questo modo, ora i clienti Netfabb hanno accesso a Fusion 360 al costo di circa $30\/mese in pi\u00f9, mentre i clienti di Fusion 360 che desiderano anche l\u2019add-on Netfabb Ultimate dovranno aggiornare la loro sottoscrizione a $4.400\/anno. Sono inoltre disponibili gli aggiornamenti a Netfabb Ultimate e Netfabb Simulation.<\/p>\n

    3DXpert (3D Systems)<\/h4>\n

    Il software 3DXpert, sviluppato e commercializzato da 3DSystems, uno tra i principali produttori di stampanti 3D, \u00e8 stato progettato appositamente per la preparazione di job di stampa additiva in metallo.<\/strong> Questo pacchetto offre strumenti ad ampio spettro: dall\u2019alleggerimento, all\u2019ottimizzazione topologica, sino alla gestione delle attivit\u00e0 di produzione e al calcolo di tempi e costi relativi al singolo processo.<\/p>\n

    Il software, orientato alla produzione additiva, consente di importare file CAD e guidare la parte attraverso l\u2019ottimizzazione della sua topologia, la creazione di strutture a reticolo, la progettazione dei supporti, la simulazione di stampa e dei trattamenti successivi. Inoltre, \u00e8 possibile organizzare il piatto di stampa ed inviare il modello a qualsiasi stampante industriale<\/strong> (senza disporre necessariamente di una macchina 3D Systems).<\/p>\n

    \"Produzione<\/a>
    Figura 5. Ambiente 3DXpert di 3D Systems (fonte: www.3Dsystems.com)<\/figcaption><\/figure>\n

    3DXpert \u00e8 disponibile in diversi moduli che possono essere combinati in base alle esigenze. Sono disponibili: il pacchetto base, per la preparazione automatica alla stampa 3D; il pacchetto \u201cpro\u201d, con strumenti di progettazione avanzati; il pacchetto Ultimate, per la produzione additiva, ed il pacchetto \u201cAM Designer\u201d, con l\u2019intero set di strumenti DfAM. Esiste, inoltre, un modulo a parte per il settore dentale e la didattica.<\/p>\n

    Apex Generative Design (Hexagon MSC)<\/p>\n

    La divisione californiana di Hexagon Manufacturing Intelligence, MSC, produce un\u2019ampia gamma di soluzioni software per ingegneri, fra cui Apex Generative Design e le applicazioni di simulazione AM Simufact e Digimat.<\/p>\n

    Apex Generative Design \u00e8 una soluzione automatizzata per l\u2019ottimizzazione di componenti, che include algoritmi per generare strutture complesse e alleggerite per AM con tempi di calcolo rapidi<\/strong>. Il software mira a rendere accessibile il design generativo a tutti i profili di ingegnere e, almeno secondo le indicazioni fornite, consente di inviare i risultati della simulazione direttamente alla macchina da stampa.<\/p>\n

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    Figura 6. Generative design con MSC Apex (fonte: www.mscsoftware.com)<\/figcaption><\/figure>\n

    In concreto, il tool importa il file CAD del componente e genera, quasi in automatico, molteplici varianti di progetto.<\/strong> Queste ultime soddisfano alcuni criteri generali impostati dall\u2019utente, riducendo la massa complessiva e ottimizzando quindi i tempi di produzione. \u00c8 inoltre possibile stampare i file risultanti oppure esportarli in ambienti di simulazione (come Simufact Additive o Digimat AM di MSC) per ottenere una soluzione costruttiva ottimizzata.<\/p>\n

    Simufact Additive, citata poco sopra, \u00e8 la soluzione di MSC per AM di metalli che si concentra sulla simulazione della produzione e dei passaggi successivi come i trattamenti termic<\/strong>i. Fra le altre potenzialit\u00e0, consente di identificare la migliore orientazione di crescita del pezzo, determinare e compensare automaticamente la distorsione del componente metallico finale, prevedere interferenze fra le diverse parti in produzione ed identificare potenziali problemi di processo, come cricche e offset fra i layer di crescita, prima che si verifichino. Strumenti di simulazione analoghi sono forniti da Digimat AM, soluzione di MSC per la manifattura additiva di polimeri e materiali compositi.<\/p>\n

    Sulis (Gen3D) <\/a><\/h4>\n

    La software house Gen3D, fondata nel 2018 da accademici dell\u2019Universit\u00e0 di Bath, ora nell\u2019orbita Altair, nasce con l\u2019intento di consentire ai progettisti di sfruttare al massimo il potenziale della stampa 3D. Il software consente di creare rapidamente geometrie adatte alla stampa 3D con funzioni di design generativo.<\/p>\n

    Con Gen3D \u00e8 possibile modificare il layout di un design preliminare in tempo reale attraverso strumenti di modifica rapida del tipo \u201cclick-and-drag\u201d (clicca e trascina). Gli strumenti di controllo e compensazione per la produzione sfruttano i vantaggi della stampa 3D e riducono il rischio di errori costosi.<\/p>\n

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    Figura 7. Strutture reticolari prodotte con il pacchetto Sulis di Gen3D (fonte: www.gen3D.com)<\/figcaption><\/figure>\n

    Il generatore di strutture reticolari consente di scegliere tra sistemi di coordinate cartesiani, cilindrici o sferici, per garantire che le strutture si adattino perfettamente ai modelli CAD di partenza.<\/p>\n

    Software per produzione additiva: conclusioni<\/h2>\n

    La modellazione e simulazione di componenti per produzione additiva \u00e8 un processo elaborato, multilivello e specialistico, in particolare se si mira a preservare un buon rapporto fra precisione del risultato (ovvero minimo errore di calcolo) e tempi di elaborazione. Nonostante quest\u2019ultimo fattore sia fortemente influenzato anche dalle specifiche dell\u2019hardware utilizzato (e dalla sua capacit\u00e0 di calcolo in termini di processori e parallelizzazione dei processi), \u00e8 bene tenere presente che modelli troppo accurati non sono risolvibili nemmeno con tecnologie hardware pi\u00f9 performanti. \u00c8 consigliabile quindi affrontare le varie problematiche di simulazione in modo integrato, coinvolgendo sia gli aspetti legati al processo, che quelli legati alle propriet\u00e0 strutturali e ai trattamenti post-processo. Spesso questa integrazione richiede l\u2019utilizzo di pi\u00f9 modelli differenti e, talvolta, strumenti di simulazione di vario tipo consentono di sfruttare al meglio le peculiarit\u00e0 di ciascun prodotto disponibile sul mercato. In ogni caso, indipendentemente dalla natura dello strumento di simulazione, \u00e8 sempre fondamentale basarsi sull\u2019esperienza e sulla competenza di settore di un progettista esperto, il quale \u00e8 costantemente chiamato ad interpretare i risultati delle simulazioni sulla base del loro specifico contesto. In conclusione, quindi, \u00e8 bene dotarsi di diversi strumenti di calcolo, a patto di saper gestire le informazioni anche molto dettagliate e complesse che da essi derivano a fronte degli input che vengono loro forniti.<\/p>\n

    References<\/h2>\n
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    1. De Pasquale, D. Barra, \u201cnTopology 3 User Guide. A comprehensive reference manual for beginners and intermediate users with step-by-step design-based approach\u201d- Part I, II, III. Kindle Amazon Publisher. Available at www.amazon.com.<\/li>\n<\/ol>\n

      Carolyn Schwaar<\/a>, \u201cTop Design for Additive Manufacturing (DfAM) Software\u201d, www.all3dp.com.<\/p>\n

      Ansys website, www.ansys.com<\/p>\n

      Altair website, www.altair.com<\/p>\n

      nTopology website, www.ntolopology.com<\/p>\n

      Autodesk website, www.autodesk.com<\/p>\n

      3D systems website, www.3Dsystems.com<\/p>\n

      Hexagon MSC website, www.mscsoftware.com<\/p>\n

      Gen3D website, www.gen3D.com<\/p>\n

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      Autore: Redazione<\/p>\n

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