e-Xstream engineering quantifica i costi di stampa 3D dei materiali compositi

Nuove funzionalità di simulazione e produzione virtuale consentono di analizzare i costi di produzione dei componenti realizzati in stampa 3D a base di polimeri confrontandoli con quelli prodotti con processi convenzionali, e migliorare i metodi di progettazione verificando la microstruttura del materiale composito.

e-Xstream engineering, parte della divisione Manufacturing Intelligence di Hexagon, ha presentato nuove funzionalità di simulazione e produzione virtuale che consentono agli utilizzatori di analizzare i costi di produzione di componenti realizzati tramite la produzione additiva a base di polimeri confrontandoli con quelli prodotti applicando processi convenzionali, e di migliorare i metodi di progettazione virtuale costantemente verificando la microstruttura del materiale composito con scansioni CT dei componenti prodotti.

La produzione additiva con materiali compositi sta avendo sempre più successo sul mercato grazie alla sua capacità di automatizzare i processi di produzione di componenti più robusti e leggeri del metallo e di progettare le prestazioni del materiale in base alla funzione (ad esempio grazie a polimeri rinforzati con fibre continue). La recente versione del software Digimat permette alle aziende di simulare il processo di stampa 3D e calcolare il costo totale di produzione di ogni singolo componente, compreso l’utilizzo del materiale, il tempo di lavoro dei dipendenti, il consumo di energia e le fasi di post-produzione necessarie.

Utilizzando questo nuovo strumento, un tecnico può avere una visione olistica dei processi di produzione e finitura dei componenti per determinare il miglior processo produttivo. In particolare può essere anche utilizzato per ottimizzare la produzione in serie, al fine di stampare il maggior numero possibile di pezzi in parallelo, aumentando la capacità produttiva e riducendo i tempi di consegna. Può anche essere impiegato nella pianificazione della produzione, per valutare i costi totali delle macchine e ammortizzarli sui volumi di produzione previsti. L’utilizzatore visualizza queste informazioni tramite grafici e diagrammi a torta, in modo che la ripartizione dei costi possa essere facilmente analizzata con scenari diversi.

Una ricerca IDTechEx prevede che la domanda globale per la stampa 3D di materiali compositi crescerà fino a raggiungere 1,7 miliardi di dollari entro il 2030, mentre le applicazioni sono state fino a oggi ridotte a causa delle criticità tecniche. Il fatto che l’orientamento delle fibre cambi nei diversi punti del pezzo impatta in modo significativo sulle caratteristiche meccaniche. Essere a conoscenza di tali informazioni può aiutare i tecnici a risolvere i problemi di qualità e migliora notevolmente l’accuratezza delle previsioni relative alle prestazioni. Le aziende possono ora eseguire la scansione CT di un pezzo e importare l’immagine Raw 3D in Digimat per costruire un modello a elementi finiti della sua microstruttura bifase (ad esempio un polimero rinforzato con fibra di carbonio) e simularne il comportamento. Integrando questo modello validato di materiale negli strumenti di CAE (ingegneria assistita da computer), un progettista può eseguire analisi che tengano conto delle variazioni all’interno del pezzo prodotto, per ridurre l’utilizzo di materiale o evitare i punti di rottura.

Mettere in relazione la misura fisica con i test virtuali migliora anche l’accuratezza dei processi di ICME (Ingegneria Computazionale Integrata dei Materiali) quando viene introdotto un nuovo tipo di materiale. Le caratteristiche del pezzo possono essere confrontate con il processo simulato per confermare e certificare il modello del materiale. Anche la convalida della scansione CT aiuta i tecnici dei materiali a perfezionare i modelli di microstruttura che hanno realizzato manualmente per migliorare la precisione delle simulazioni future.

Quando si perfezionano nuovi processi di produzione, gli utilizzatori possono acquisire informazioni sul pezzo, sul materiale, sulla stampante 3D o sul processo utilizzato e sui loro test fisici mentre lavorano utilizzando la gestione del ciclo di vita dei materiali. Il software MaterialCenter di e-Xstream engineering genera un database tracciabile e verificato delle proprietà dei materiali in modo che possano essere utilizzate nella fase di progettazione di un prodotto. Utilizzando la gestione del ciclo di vita dei materiali, le informazioni possono essere facilmente riportate all’interno di team multidisciplinari e condivise in tutta l’organizzazione, così da acquisire conoscenze preziose che possono essere riutilizzate dagli operatori autorizzati.

Prevedere il comportamento dei materiali di una microstruttura sottoposta a scansione CT è un processo computazionalmente impegnativo: ad esempio potrebbero essere necessari diversi giorni per analizzare un comportamento complesso come la deformazione utilizzando solo le CPU (unità centrali di elaborazione). Ottimizzando questi processi per le GPU (unità di elaborazione grafica), alcuni compiti possono ora essere eseguiti in modo interattivo dal tecnico perché i risultati si ottengono in pochi minuti. I parametri di riferimento mostrano che il tempo necessario per analizzare la rigidità di un materiale è ridotto del 98%. Questo tempo di risposta così rapido, abbinato all’introduzione di un’interfaccia a riga di comando, permette anche l’utilizzo di modelli a elementi finiti Digimat all’interno di flussi di lavoro di ottimizzazione automatizzati, basati su cloud, su piattaforme di calcolo ad alte prestazioni.

Quando si producono strutture dalle prestazioni elevate come i componenti aerospaziali in materiale composito, il modello di PFA (Progressive Failure Analysis) permette di definire i margini di sicurezza di una struttura e di ottimizzare l’impiego di materiali e processi costosi. L’ultima versione di Digimat esegue queste complesse analisi del modello Camanho due volte più velocemente, rendendo possibile uno studio parametrico per definire le tolleranze dei difetti e massimizzare le rese di produzione.