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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.
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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
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Opportunità ulteriori di
alleggerimento e di
applicazioni della
biomimetica offerte
dalla realizzazione di
strutture cellulari o
reticolari
Opportunità: Progettazione strutturale multi-scala
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Opportunità di fabbricare
prodotti su misura eliminando
tempi e costi di progettazione e
costruzione delle attrezzature.
Opportunità: Customizzazione di massa
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Opportunità di conseguire in
unica parte la funzione
altrimenti realizzabile
assemblando più parti
ottenute con tecnologie
tradizionali.
Opportunità: Consolidamento
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Normazione
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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
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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.
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I principi delle regole di progettazione (PDR)
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.
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I principi delle regole di progettazione (PDR)
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.
12 aprile 2018 12Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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.
12 aprile 2018 13Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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
12 aprile 2018 14Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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
Approfondimento tecnico,
eventualmente supportato da
consulente TL
6
Inefficacia intervento
ottimizzazione
Complessità di modellazione
del fenomeno
Perdita di credibilità da parte
dei clienti 0.8 0.3 0.24
Approfondimento tecnico,
eventualmente supportato da
consulente TL
7
Lentezza nell’attività di
riprogettazione CAD
Scarsa conoscenza software o
metodologia
Prolungamento eccessivo
attività 0.6 0.4 0.24 Formazione e supervisione PM / TL
8 Lentezza nell’attività di CAE
Scarsa conoscenza software o
metodologia
Prolungamento eccessivo
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
12 aprile 2018 15Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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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
12 aprile 2018 16Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
2018
Stato dell’arte
Definizione vincoli e
condizioni
al contorno
Ottimizzazione
topologica
Preparazione alla
stampa 3D
12 aprile 2018 17Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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
12 aprile 2018 18Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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
12 aprile 2018 19Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
2018
La specifica di progetto
Caso di studio:
«GE Bracket»
12 aprile 2018 20Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
2018
Risultato
ottimizzazione
topologica
Ottimizzazione topologica
Caso di studio:
«GE Bracket»
12 aprile 2018 21Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
2018
Operazioni di
smoothing
Ottimizzazione topologica
Caso di studio:
«GE Bracket»
12 aprile 2018Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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
12 aprile 2018Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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Generazione superfici
Nurbs
Definizione semilavorato
con sovraspessori
Il modello geometrico
Caso di studio:
«GE Bracket»
Validazione modello
12 aprile 2018 24Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
2018
Validazione Modello
Caso di studio:
«GE Bracket»
12 aprile 2018Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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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»
12 aprile 2018Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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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»
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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
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Ambiente per la progettazione integrata AMTOP®
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Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
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Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
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Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
12 aprile 2018 Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile 2018 32
Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
12 aprile 2018 Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile 2018 33
Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
12 aprile 2018 Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile 2018 34
Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
12 aprile 2018 Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile 2018 35
Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
12 aprile 2018Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
12 aprile 2018 Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile 2018 37
Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
12 aprile 2018 Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile 2018 38
Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
12 aprile 2018 Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile 2018 39
Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
12 aprile 2018 Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile 2018 40
M. Kurniawan
Massa = 339.72 grammi
Volume = 76706.20 millimetric cubici
Riduzione di massa = 83.4%
Soluzioni progettuali della staffa GE(Grabcad website)
12 aprile 2018Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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Soluzione della staffa GE da Grabcad website
Distorsioni da simulazioneSemilavorato con supporti
12 aprile 2018Tecnologie Additive, un opportunità da cogliere, Torino 12 aprile
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Soluzione ottimizzata topologicamente della staffa GE
Distorsioni da simulazioneSemilavorato con supporti
Q&A
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