{"id":24301,"date":"2025-11-03T03:01:42","date_gmt":"2025-11-03T02:01:42","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2025\/11\/03\/analisi-numerica-di-linee-di-profilatura-a-freddo-per-acciai-altoresistenziali\/"},"modified":"2025-11-03T03:01:42","modified_gmt":"2025-11-03T02:01:42","slug":"analisi-numerica-di-linee-di-profilatura-a-freddo-per-acciai-altoresistenziali","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2025\/11\/03\/analisi-numerica-di-linee-di-profilatura-a-freddo-per-acciai-altoresistenziali\/","title":{"rendered":"Analisi numerica di linee di profilatura a freddo per acciai altoresistenziali"},"content":{"rendered":"
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L\u2019introduzione di nuovi materiali ha stimolato l\u2019innovazione nei processi di lavorazione per profilatura a freddo, consentendo di migliorare la qualit\u00e0 del prodotto laminato e di ridurre alcune criticit\u00e0 tipiche di questa lavorazione. Per prevedere il comportamento del laminatoio durante il processo \u00e8 fondamentale ricorrere a simulazioni numeriche, ma il comportamento non lineare del materiale impone l\u2019adozione di approcci numerici adeguati, che devono essere preventivamente validati.<\/strong><\/p>\n

di Edoardo Masoero, Cristiana Delprete, Lorenzo Giorio, Giacomo Maculotti, Eugenio Brusa, Luca Caneparo<\/em><\/p>\n

Obiettivo del seguente lavoro \u00e8 fornire al progettista uno strumento affidabile per prevedere il comportamento della linea di profilatura del prodotto laminato e supportarne la definizione del layout finale. Sono analizzate due linee per la lavorazione di lamiere sottili in acciaio, caratterizzate da sezioni trasversali di tipo W e \u03a9. La prima \u00e8 utilizzata per validare il modello numerico, mediante confronto con campioni fisici specifici; la seconda, ancora in fase di progettazione, \u00e8 simulata per valutarne preventivamente le prestazioni.<\/p>\n

La profilatura a freddo<\/h2>\n

La profilatura a freddo \u00e8 impiegata per la produzione di manufatti in cui i requisiti dimensionali non siano particolarmente rigorosi. Negli ultimi anni, la profilatura si \u00e8 evoluta migliorandosi e si \u00e8 ramificata in diverse varianti. Tali tecnologie hanno trovato applicazione in settori in cui le tolleranze dimensionali sono pi\u00f9 stringenti quali l\u2019automotive e numerosi sistemi industriali. Inoltre, il processo di profilatura attualmente supporta diversi materiali<\/a>, tra cui leghe di alluminio, leghe di titanio, acciai, acciai inossidabili (SS) e acciai avanzati ad alta resistenza (AHSS).<\/p>\n

L\u2019introduzione di nuovi materiali<\/h3>\n

L\u2019uso degli AHSS <\/strong>\u00e8 in aumento per soddisfare le stringenti normative sulle emissioni del settore automobilistico, garantendo al contempo maggiore efficienza e sicurezza. Gli AHSS combinano elevata resistenza con peso ridotto, ma la loro elevata resistenza meccanica \u00e8 accompagnata da una ridotta duttilit\u00e0 che rappresenta una sfida nei processi di formatura, poich\u00e9 pu\u00f2 generare un effetto di ritorno elastico. Tale effetto deve essere attentamente gestito con l\u2019uso di carichi maggiori sui rulli di profilatura, sebbene questo possa aumentare il rischio di difetti. Le tensioni interne generate dalla formatura possono infatti causare deformazioni indesiderate<\/strong> quali inarcamento (arching<\/em>), campanatura laterale (camber<\/em>), torsione (twist<\/em>), ondulazioni (wave<\/em>), ed effetto testa-coda (end-flare<\/em>).<\/p>\n

Esigenza fondamentale per i produttori di laminatoi a freddo \u00e8 la capacit\u00e0 di prevedere le prestazioni del processo tramite una modellazione numerica efficace dell\u2019intera linea produttiva. In questo lavoro, il metodo degli elementi finiti (FE) \u00e8 impiegato per simulare due linee di profilatura di elementi del settore automobilistico utilizzando il software Hexagon Simufact Forming<\/a>. Per validare il modello numerico, la ricerca \u00e8 stata condotta in collaborazione con un produttore di linee di profilatura. Nella prima parte dell\u2019articolo \u00e8 simulata una linea esistente, denominata W in base alla sezione del laminato, per validare il modello mediante confronto della soluzione numerica con campioni reali prodotti in azienda; nella seconda si analizza una linea, denominata \u03a9, ancora in fase di progettazione con obiettivo predittivo per supportare le decisioni progettuali, ottimizzando il layout prima della costruzione. La linea W lavora l\u2019acciaio AHSS 1180DP, la linea \u03a9 l\u2019acciaio AHSS 1400M.<\/p>\n

Linea W<\/h2>\n

La linea si compone di 23 stazioni con 46 rulli (Fig.1).<\/p>\n

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Fig. 1<\/strong> Linea W reale a) e suo modello in Hexagon Simufact Forming b).<\/figcaption><\/figure>\n

L\u2019attenzione principale dell\u2019analisi \u00e8 rivolta al profilo della sezione del foglio. In modo da valutare le prestazioni del software su una sezione trasversale articolata (in Fig. 2, la sezione richiama la forma della lettera W, con alcune pieghe aggiuntive ai bordi).<\/p>\n

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Fig. 2<\/strong> Disegno di riferimento con le misure della lamiera: misure del profilo in verde, angoli interni in blu.<\/figcaption><\/figure>\n

Sviluppo del modello<\/h3>\n

Il modello, realizzato in base ai dati forniti dal produttore della linea W, utilizza le geometrie reali dei rulli e vede inseriti alcuni parametri che vanno a influire sul risultato: il materiale del foglio metallico, la mesh utilizzata, il tipo di attrito, la velocit\u00e0 di laminazione, la temperatura a cui avviene la lavorazione, il tipo di contatto, i vincoli. Nel modello sono inserite semplificazioni che hanno bassa influenza sul risultato, ma permettono di ridurre notevolmente i tempi di calcolo: l\u2019attrito tra i rulli, l\u2019effetto della forza di gravit\u00e0, la deformazione elastica dei rulli, il loro movimento relativo rispetto al foglio e la loro rotazione. Dato che il profilato che via via si crea nel corso dell\u2019operazione ha un\u2019altezza finale H di soli 18mm (Fig. 2), \u00e8 stato sufficiente modellare soltanto un quarto dei rulli (Fig. 1) a favore di una conseguente riduzione del tempo di calcolo. <\/p>\n

I rulli sono considerati come corpi rigidi in quanto in letteratura questa semplificazione \u00e8 ritenuta poco influente sulla simulazione, ma consente di ridurre significativamente i tempi computazionali. L\u2019inerzia dei rulli ha un impatto trascurabile sui risultati, poich\u00e9 non viene applicata alcuna accelerazione. <\/p>\n

Nella simulazione, il processo \u00e8 invertito rispetto alla realt\u00e0: i rulli sono avanzano lungo la direzione di formatura z<\/em> rispetto alla lamiera in lavorazione, mentre il foglio rimane fermo. L\u2019attrito \u00e8 trascurato, come suggerito da Safdarian e Moslemi; i risultati numerici mostrano che l\u2019attrito tra rullo e lamiera, cos\u00ec come la velocit\u00e0 della stazione di rullatura, non influenzano significativamente la deformazione longitudinale della lamiera.<\/p>\n

Costruzione della linea<\/h4>\n

Ogni linea \u00e8 sviluppata partendo dal cosiddetto \u201cfiore\u201d<\/strong>, che rappresenta la sequenza di forme intermedie che il foglio assume, dal coil iniziale al profilo finale, con l\u2019obiettivo di ottimizzare il numero di passaggi, riducendoli a quelli essenziali, minimizzando il tempo di lavorazione, l\u2019ingombro della linea e, di conseguenza, i costi. In base allo spessore, alla forma, alla dimensione e al materiale della lamiera il fiore viene sviluppato in modo da tenere in considerazione effetti quali il ritorno elastico del materiale. Nel caso in esame, il fiore \u00e8 stato inizialmente sviluppato con il software Ubeco Profil che ne permette di velocizzare il processo di progettazione. Nella sequenza sono inclusi anche i rulli e le barre laterali utilizzate lungo il percorso di formatura della macchina reale.<\/p>\n

Il materiale utilizzato nella linea W \u00e8 l\u2019acciaio AHSS 1180DP<\/strong>, laminato a freddo con microstruttura dual-phase, sviluppata per rispondere ai requisiti di leggerezza e sicurezza richiesti dall\u2019industria, tipico per le applicazioni automotive. Le sue caratteristiche di resistenza meccanica (Fig. 3) sono il risultato di prove eseguite presso il Laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino.<\/p>\n

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Fig. 3<\/strong> Curva true stress\/true strain acciaio 1180DP (linea W).<\/figcaption><\/figure>\n

Meshing <\/h4>\n

La creazione di una \u201cbuona\u201d mesh del foglio \u00e8 fondamentale per ottenere risultati affidabili, ma occorre trovare un equilibrio tra dimensione degli elementi (e quindi il loro numero) e le risorse computazionali disponibili. Ridurre la dimensione degli elementi e aumentarne il numero pu\u00f2 migliorare l\u2019accuratezza dei risultati. Tuttavia, aumenta anche esponenzialmente il tempo di calcolo e, superata una certa soglia, i miglioramenti diventano marginali, rendendo lo sforzo computazionale ingiustificato. Per ridurre al minimo il tempo di calcolo \u00e8 stata utilizzata una mesh di dimensione variabile in lunghezza: nell\u2019area anteriore di ingresso ai rulli, la dimensione media degli elementi \u00e8 2.5\u00d72 mm, mentre nel corpo centrale sono 2.<\/em>5\u00d710 mm. <\/p>\n

Nello spessore della lamiera sono stati utilizzati 3 elementi per simulare l\u2019asse neutro. Se gli elementi pi\u00f9 lunghi nel corpo centrale consentono di ridurre i tempi di calcolo, una mesh molto fine nella zona di alimentazione \u00e8 invece fondamentale per evitare errori numerici, quali distorsione degli elementi e cancellazioni numeriche. Inoltre, nelle aree pi\u00f9 sollecitate dalla piegatura, la dimensione degli elementi \u00e8 stata ridotta lungo la larghezza del foglio per migliorare la precisione della simulazione. La lamiera \u00e8 stata simulata con le seguenti dimensioni: lunghezza 650 mm, larghezza 214.<\/em>4 mm, spessore 1 mm, per un totale di 59\u2019340 elementi.<\/p>\n

Risultati per la linea W<\/h3>\n

La simulazione \u00e8 validata confrontando i risultati numerici con le misurazioni effettuate su un campione reale prodotto mediante la linea di profilatura reale (Fig. 4). Il campione profilato \u00e8 stato misurato tramite scanner laser API iScan3D (associato a laser tracker API Radian R-20). La Figura 5 (sinistra) mostra il processo di scansione laser eseguito presso il laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Gestionale e della Produzione del Politecnico di Torino, da cui si ottiene la nuvola di punti (Fig. 5 destra) utilizzata per le misurazioni. Per il confronto sono stati selezionati 6 bordi, da A a F, e 4 angoli del corpo centrale (Fig. 2). I bordi e gli angoli selezionati sono di rilievo rispetto alla geometria del componente.<\/p>\n

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Fig. 4 <\/strong>Sezione trasversale della lamiera profilata simulata (sinistra) e reale (destra).<\/figcaption><\/figure>\n
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Fig. 5 <\/strong>Campione con scansione laser 3D usata per le misurazioni (sinistra) e nuvola di punti ottenuta (destra).<\/figcaption><\/figure>\n
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\u00a0<\/td>\nA<\/strong><\/td>\nB<\/strong><\/td>\nC<\/strong><\/td>\nD<\/strong><\/td>\nE<\/strong><\/td>\nF<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
Disegno CAD [mm]<\/strong><\/td>\n34.13<\/td>\n24.46<\/td>\n21.45<\/td>\n24.48<\/td>\n34.24<\/td>\n138.77<\/td>\n<\/tr>\n
Simulazione [mm]<\/strong><\/td>\n34.60<\/td>\n25.25<\/td>\n21.04<\/td>\n26.24<\/td>\n33.97<\/td>\n140.70<\/td>\n<\/tr>\n
Reale (campione) [mm]<\/strong><\/td>\n34.50<\/td>\n24.91<\/td>\n20.97<\/td>\n26.39<\/td>\n34.21<\/td>\n140.60<\/td>\n<\/tr>\n
Errore relativo [%]<\/strong> (Sim\/Reale)<\/strong><\/td>\n0.29<\/td>\n1.36<\/td>\n0.33<\/td>\n-0.57<\/td>\n-0.70<\/td>\n0.07<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>
Tabella 1 <\/strong>Misure della lamiera della linea W: misure dei lati contrassegnati in Figura 2.<\/figcaption><\/figure>\n
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\u00a0<\/td>\n1<\/strong><\/td>\n2<\/strong><\/td>\n3<\/strong><\/td>\n4<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
Disegno CAD [deg]<\/strong><\/td>\n74.31<\/td>\n109.31<\/td>\n110.99<\/td>\n75.69<\/td>\n<\/tr>\n
Simulazione [deg]<\/strong><\/td>\n72.79<\/td>\n109.15<\/td>\n111.42<\/td>\n77.01<\/td>\n<\/tr>\n
Reale (campione) [deg]<\/strong><\/td>\n75.45<\/td>\n109.36<\/td>\n109.67<\/td>\n75.47<\/td>\n<\/tr>\n
Errore relativo [%]<\/strong> (Sim\/Reale)<\/strong><\/td>\n-3.53<\/td>\n-0.19<\/td>\n1.60<\/td>\n2.04<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>
Tabella 2 <\/strong>Misure della lamiera della linea W: misure degli angoli contrassegnati in Figura 2.<\/figcaption><\/figure>\n

Le Tabelle 1 e 2 riportano le misure secondo 3 fonti: dimensioni nominali da disegno CAD, risultati della simulazione e misure del campione reale. Dall\u2019analisi degli errori \u00e8 evidente l\u2019elevata accuratezza della simulazione rispetto al componente reale, in particolare nei bordi, con valori prossimi allo zero, che denotano un\u2019ottima concordanza. Gli scostamenti misurati sono pari a 0.<\/em>037 \u00b1 0.<\/em>532 mm, ovvero un errore relativo medio dello 0.13%. L\u2019errore massimo osservato \u00e8 pari a 1.36%, il minimo a 0.07%. Per quanto riguarda gli angoli, l\u2019errore relativo medio tra simulazione e campione \u00e8 -0.02%, con valore massimo -3.53% (angolo 1) e minimo -0.19% (angolo 2).<\/p>\n

Linea \u03a9<\/h2>\n

La linea \u03a9 (Fig. 6) \u00e8 composta da 23 stazioni e 46 rulli, con una distanza tra le stazioni di 500 mm.<\/p>\n

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Fig. 6 <\/strong>Modello della linea \u03a9.<\/figcaption><\/figure>\n

Sviluppo del modello<\/h3>\n

La modellazione \u00e8 stata eseguita con lo stesso metodo della linea precedente e con le stesse semplificazioni. Si \u00e8 utilizzata una mesh variabile lungo la lunghezza del foglio composta da elementi di dimensione 2.5\u00d72.5 mm nell\u2019area anteriore di ingresso ai rulli e 2.5\u00d710 mm nel corpo centrale, con 3 elementi nello spessore.<\/p>\n

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Fig. 7 <\/strong>Curva true stress\/true strain acciaio 1400M (linea \u03a9).<\/figcaption><\/figure>\n

Il materiale \u00e8 l\u2019acciaio 1400M (Fig. 7), uno dei pi\u00f9 resistenti AHSS laminati a freddo disponibili sul mercato, che presenta eccellenti propriet\u00e0 meccaniche, ma risulta particolarmente complesso da lavorare a causa del suo elevato ritorno elastico e del suo ridotto allungamento.<\/p>\n

Risultati per la linea \u03a9<\/h3>\n

La Figura 8 mostra il risultato finale della simulazione. La geometria ottenuta \u00e8 stata confrontata con il disegno CAD 3D di riferimento per valutare quanto la lavorazione simulata si discosti dal risultato voluto. Dal confronto \u00e8 emerso un lieve effetto di twist, con un angolo misurato di 0,883\u00b0.<\/p>\n

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Fig. 8 <\/strong>Risultati della simulazione per la linea \u03a9.<\/figcaption><\/figure>\n

La Figura 9 mostra la sovrapposizione della geometria ottenuta dalla simulazione (rosso) e la geometria CAD 3D di riferimento (verde). Per tenere conto della variabilit\u00e0 nelle misurazioni dovuta agli effetti di end-flare e twist, 3 posizioni diverse del foglio sono esaminate: la regione centrale (50% della lunghezza) e le due estremit\u00e0 (10% e 90% della lunghezza). Essendo la geometria specchiata, sono stati considerati soltanto gli angoli 1 e 2 indicati.<\/p>\n

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Fig. 9 <\/strong>Sovrapposizione della geometria simulata (rosso) con la geometria di riferimento (verde) rispettivamente al 90%, 50% e 10% della lunghezza totale; numeri indicano gli angoli esaminati.<\/figcaption><\/figure>\n

L\u2019errore relativo (Tabella 3) tra gli angoli 1 e 2 attenuti dalla simulazione e il CAD di riferimento, va da \u22123.30% a \u22121.68%, con una media del 2.32%. Le misurazioni effettuate nelle posizioni posteriore, centrale e anteriore del foglio indicano angoli leggermente pi\u00f9 stretti di quelli progettati, con una piccola discrepanza tra dati della simulazione e valori di riferimento, ma la deviazione media per ciascuna sezione \u00e8 relativamente piccola.<\/p>\n

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Pos.<\/strong><\/td>\nCAD [deg]<\/strong><\/td>\nSimulazione [deg]<\/strong><\/td>\nErr. Rel. [%]<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
\u00a0<\/td>\n\u00a0<\/td>\nPosteriore\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Centro\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Anteriore<\/strong><\/td>\nPosteriore<\/strong><\/td>\nCentro<\/strong><\/td>\nAnteriore<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n
1<\/strong><\/td>\n84<\/td>\n\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 82.29\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 82.29\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 81.32<\/td>\n\u22122.<\/em>08<\/td>\n\u22121.<\/em>88<\/td>\n\u22123.<\/em>30<\/td>\n<\/tr>\n
2<\/strong><\/td>\n84<\/td>\n\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 81.76\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 82.61\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 82.16<\/td>\n\u22122.<\/em>74<\/td>\n\u22121.<\/em>68<\/td>\n\u22122.<\/em>24<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>
Tabella 3 <\/strong>Misurazioni degli angoli della sezione ed errori relativi rispetto al design CAD.<\/figcaption><\/figure>\n

Conclusioni<\/h2>\n

La modellazione numerica di linee industriali di profilatura a rulli ha permesso di raccogliere informazioni significative, validando le simulazioni mediante confronto con i risultati reali del sistema di produzione.<\/p>\n

La prima linea analizzata, linea W, \u00e8 utilizzata per la validazione del modello lungo la sezione trasversale. \u00c8 stato effettuato un confronto tra il risultato della simulazione e un campione reale su 6 lunghezze critiche e 4 angoli. Le lunghezze selezionate per la validazione hanno mostrato un errore di 0.<\/em>037\u00b10.<\/em>532 mm, corrispondente a un errore relativo medio dello 0.<\/em>13%. Gli angoli hanno mostrato un errore relativo medio del \u22120.<\/em>02%.<\/p>\n

La seconda simulazione \u00e8 utilizzata a scopo predittivo per prevedere le prestazioni di una nuova linea destinata a produrre una sezione trasversale cosiddetta a \u03a9, non ancora realizzata. In particolare, gli angoli critici della sezione trasversale hanno mostrato un errore relativo massimo del \u22123.30% e una torsione massima di 0.<\/em>883\u00b0. L\u2019uso di una mesh a lunghezza variabile ha dato risultati favorevoli e la riduzione del numero di elementi ha portato a un\u2019accuratezza dei risultati paragonabile nei due casi di studio. La mesh fine utilizzata sulla superficie anteriore del foglio, ha permesso di eliminare problemi di bloccaggio della simulazione. La mesh pi\u00f9 grossolana utilizzata sulle regioni meno sollecitate del foglio ha invece aiutato a ridurre i tempi di calcolo.<\/p>\n

Ringraziamenti<\/h2>\n

Gli autori ringraziano l\u2019azienda Coproget s.r.l.<\/a> per la disponibilit\u00e0 delle linee di profilatura e degli acciai usati nello studio.<\/p>\n<\/div>\n

L’articolo Analisi numerica di linee di profilatura a freddo per acciai altoresistenziali<\/a> sembra essere il primo su Il Progettista Industriale<\/a>.<\/p>\n<\/div>\n

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Autore: Roberta Falco<\/p>\n

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