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[CASE STUDY] Come cambia il workflow di manifattura additiva con la simulazione

Louise Geekie, Project Manager di Croft Filters (Warrington, Regno Unito)

Impegnata nella progettazione di un nuovo filtro industriale, Croft Filters, azienda leader nella progettazione e produzione di filtri industriali, necessitava di superare il warping durante il processo di manifattura additiva mediante fusione laser selettiva. Utilizzando Additive Print, una delle soluzioni ANSYS per la simulazione della manifattura additiva, gli ingegneri sono stati in grado di generare rapidamente un progetto stampabile ed evitare la costruzione di molteplici modelli, riducendo di oltre il 50% i tempi di realizzazione e i costi di prototipazione.

Per lo sviluppo del nuovo filtro che avrebbe dovuto diminuire l’energia di pompaggio richiesta dall’utente finale industriale, gli ingegneri Croft hanno pensato che un allineamento dei fori con il flusso avrebbe ridotto la quantità di energia di pompaggio richiesta per alimentare il fluido. Questo schema di filtro richiedeva intricati profili interni che non era possibile produrre con i metodi tradizionali: i tecnici Croft hanno, quindi, pensato alla manifattura metallica additiva. Il processo di manifattura metallica additiva SLM (Selective Laser Melting) adottato produce le parti fondendo sequenzialmente piccole aree di un letto di polveri mediante un laser in movimento.

Durante il raffreddamento, ogni sezione fusa è sottoposta a forze di tensione e compressione, ma è al tempo stesso contenuta perché connessa alle aree solide adiacenti. Gli stress residui risultanti potrebbero provocare la deformazione della parte. In passato, gli ingegneri Croft si affidavano al metodo trial and error per eliminare le deformazioni o almeno ridurle fino al punto di rispettare le tolleranze dimensionali. Grazie all’utilizzo di ANSYS Additive Print è stato possibile dimezzare il tempo di soluzione e i costi di prototipazione all’incirca della stessa quantità.

Costruzione di un filtro con processo SLM
Durante il processo SLM, una spazzola spinge uno strato sottile di polvere metallica (acciaio inox 316L in questo caso) su una piastra, dove un laser scorre sullo strato sottile per fondere le aree che costituiranno una sezione della parte. Quando ciascuno strato è completato, viene applicato un altro strato di polvere sulla parte in costruzione e il laser fonde una nuova sezione e così via fino al completamento della parte.

Man mano che ciascuna nuova sezione si raffredda, i livelli solidi sottostanti resistono alla contrazione termica, applicando uno stress di tensione al livello superiore. Analogamente, lo strato superiore applica stress di compressione alle aree solide sottostanti. La geometria della parte e le strutture ausiliarie aggiunte per supportare le sporgenze e condurre il calore hanno un effetto importante, ma difficile da prevedere sulle tensioni residue. Le aree che sono relativamente libere di muoversi mostrano meno tensioni residue, mentre quelle il cui movimento è limitato hanno un maggiore livello di tensioni residue. Nel nostro caso, la parte finita non rispettava le tolleranze di produzione poiché le tensioni residue generavano diverse distorsioni sui piani x e y e allungamenti sul piano z.

In passato gli ingegneri Croft erano obbligati a una serie di trial and error per determinare quali modifiche nell’orientamento della parte, nelle strutture di supporto, nei parametri di macchina, nelle specifiche dei materiali e nel disegno del componente avrebbero permesso di rimanere entro le tolleranze di produzione. Tipicamente erano necessarie 4 settimane per ottenere una parte soddisfacente, con consumo di una notevole quantità di risorse, compreso il tempo necessario per generare nuovi disegni. Il processo comportava, inoltre, tempi più lunghi di uso dei sistemi di additive manufacturing, oltre al consumo della polvere metallica necessaria per tutti i prototipi.

La simulazione per la risoluzione dei problemi di additive manufacturing
La simulazione ha reso possibile l’approccio più rapido e meno costoso che è stato usato per questo progetto. I tecnici hanno caricato il file STL originale su Additive Print di ANSYS, che ha fornito la visualizzazione grafica dell’accumulo di tensione livello per livello e delle regioni ad alta sollecitazione lungo tutte le fasi della costruzione. Il software ha previsto le distorsioni e le tensioni residue delle parti, oltre alle differenze tra la geometria originale non deformata e quella finale deformata, prima e dopo la separazione dai supporti. Questi risultati hanno fornito informazioni diagnostiche che non sarebbe stato possibile ottenere in altro modo. Inoltre, questi dati sono stati resi disponibili in una piccola frazione dei tempi (e costi) necessari per costruire la parte.

I risultati della simulazione hanno rivelato che la distorsione era in larga misura causata dalla sezione superiore (un anello solido) che induceva tensioni residue nella più debole porzione superiore della maglia filtrante. Gli ingegneri hanno testato questa ipotesi simulando il filtro con e senza la sezione superiore. In sua assenza non comparivano distorsioni. Gli ingegneri hanno a questo punto costruito fisicamente la parte priva della sezione superiore per confermare quanto emerso dalla simulazione e i risultati ottenuti si sono dimostrati in linea con quanto simulato. Sebbene l’anello superiore fosse necessario per mantenere l’integrità strutturale della parte, sapere che esso era responsabile della distorsione durante la produzione ha rappresentato un’informazione importante per lo sviluppo del processo.

L’importanza del rispetto delle specifiche di progetto
Gli ingegneri Croft hanno provato ad aggiungere supporti alla maglia filtrante. Questi supporti erano uniti all’anello superiore per aumentare la rigidità dell’area filtrante nella parte alta del filtro. Hanno provato ad aggiungere due supporti elicoidali con una geometria disegnata per evitare di limitare il flusso e allo stesso tempo non aggiungere troppo peso in materiale e allungare i tempi di costruzione. Hanno, inoltre, modificato la forma dei fori di immissione fluido, rendendoli pentagonali, per aumentare la superficie di immissione e allo stesso tempo mantenere i fori autoportanti e ridurre la quantità di materiale per il supporto. In seguito alla simulazione del nuovo schema, i risultati hanno dimostrato che la distorsione era considerevolmente minore ma non ancora soddisfacente.

Gli ingegneri hanno quindi fatto ricorso alla funzione di compensazione automatica di Additive Print, che modifica la geometria del pezzo per compensare la distorsione. Questa funzione muove le pareti della parte in direzione opposta a quella in cui avviene la distorsione, così da ottenere la geometria originale. Simulando il modello così compensato, si è scoperto che la distorsione era sovracompensata, il che generava una piccola distorsione opposta a quella del modello originale. Additive Print è stato a questo punto usato per creare una nuova geometria con la compensazione della distorsione ridotta a 0,75, 0,50 e 0,25 della quantità originaria. Il risultato della simulazione con tutti questi modelli mostrava ancora un’insufficiente compensazione della distorsione. Alla fine, gli ingegneri hanno generato un modello con la compensazione ridotta a 0,90, in cui le distorsioni erano praticamente assenti e il modello rispettava le specifiche di progetto.

La manifattura additiva permette alle aziende di stampare parti che sarebbe impossibile o molto costoso produrre con i tradizionali metodi di manifattura sottrattiva. Ma le organizzazioni che si stanno impegnando per portare questo metodo all’interno dei processi manifatturieri del mondo reale spesso sono costrette a seguire un metodo iterativo di trial and error per riuscire a creare parti ad alta fedeltà. La simulazione permette agli ingegneri di creare parti e processi a un costo e in tempi molto inferiori rispetto all’andare per tentativi. Gli ingegneri Croft hanno simulato con successo il processo di manifattura additiva per determinare quale fosse il migliore disegno della parte e i parametri di processo, minimizzando il numero di prototipi fisici. Il progetto di questa parte è stato ora finalizzato ed è pronto per andare in produzione.

 

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