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I due casi studio utilizzati per valutare gli sviluppi di CAxMan: il Nugear (a sinistra) e uno stampo a iniezione (a destra).
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I software ingegneristici high-tech sono di norma strumenti costosi: questo è un dato di fatto. Per questo motivo, in molti casi le piccole e medie imprese (PMI) non ne possono fare uso regolarmente. Nel progetto europeo CAxMan (Computer Aided Technologies for Additive Manufacturing) un team di ricercatori sta sviluppando speciali soluzioni di progettazione e simulazione basate su cloud, incentrate sulla produzione additiva e orientate a soddisfare le esigenze delle PMI. Al giorno d’oggi lo strumento più importante per un ingegnere è il computer: ogni prodotto (sia esso un ponte, un’automobile o un tosaerba) è progettato al computer. L’idoneità del prodotto allo scopo è spesso verificata attraverso analisi computazionali e simulazioni ben prima del prototipo iniziale; almeno in teoria. Questo è in realtà il caso della produzione sottrattiva. Per l’additive manufacturing (AM), gli strumenti dedicati alle Computer-Aided Technologies (CAx) sono frammentati, rudimentali o del tutto carenti di molte caratteristiche importanti. La missione delle tredici organizzazioni partner di CAxMan (che coprono sette paesi dell’UE e settori eterogenei quali: ricerca, industria IT, fornitori di servizi e industrie manifatturiere) è quella di formare una squadra innovativa e di rilevanza mondiale per migliorare questa situazione.

Sviluppare nuove tecnologie di progettazione e simulazione

L’idea è di sviluppare nuove tecnologie di progettazione e simulazione che affrontino le specificità della produzione additiva e di renderle disponibili come servizi cloud, sfruttando come base la struttura del progetto FP7 CloudFlow. Ciò faciliterà l’accesso alle enormi possibilità dell’AM sia per le piccole che per le grandi imprese. Non sarà più necessario utilizzare un software specifico, e quindi costoso, installato sui computer dell’ingegnere: i servizi sviluppati saranno disponibili via Internet sul Cloud. Su questa piattaforma aperta, i prodotti potranno essere sia progettati che simulati, così come potrà essere verificato il processo di produzione basato su AM e finitura attraverso asportazione di truciolo; l’interoperabilità e il tracciamento dei dati è garantito da un sistema PLM compatibile con il più recente formato STEP ISO 10303 Part 242. I server disponibili offriranno soluzioni di calcolo ad alte prestazioni (HPC), in grado di risolvere problemi molto complessi in poco tempo.

Due casi di studio

Il progetto stabilirà nuovi workflow e servizi per la produzione additiva e sottrattiva, affrontando la progettazione basata sulla simulazione, la pianificazione del processo e dimostrando la bontà delle tecnologie CAx su due casi di studio:

  • Nugear, che verrà usato come esempio di prodotto troppo costoso da realizzare attraverso la sola produzione per asportazione di truciolo: la produzione additiva viene utilizzata per creare pezzi su misura per ridurre lo spreco di materiali e per raggiungere la finitura superficiale necessaria. Il Nugear (NUtating GEARbox) è un riduttore innovativo basato sul concetto matematico della nutazione e su ingranaggi conici. La principale difficoltà nella produzione del Nugear è la realizzazione delle ruote dentate coniche interne (ingranaggi conici con angolo primitivo maggiore di 90°), necessarie per questo tipo di riduttore.
  • Stampi ad iniezione, che verranno usati come esempio di prodotti che includano cavità funzionali in un singolo componente e per la cui produzione attraverso tecniche ad asportazione di truciolo si richiederebbero più componenti da assemblare. Uno dei vincoli più grandi e complessi di questi sistemi è la progettazione del sistema di raffreddamento delle parti stampate: una realizzazione errata di questo dispositivo può portare alla produzione di parti difettose. Le cavità che vengono utilizzate come canali di raffreddamento devono essere progettate correttamente e attualmente seguono i severi vincoli dovuti alla produzione sottrattiva.

In linea di principio, l’approccio strato per strato della produzione additiva consente di costruire componenti di qualsiasi livello di complessità. In pratica, il processo è più complesso: devono essere aggiunte delle strutture di supporto; a causa delle limitazioni fisiche, alcuni vincoli devono essere presi in considerazione e anche il comportamento effettivo del materiale durante il processo deve essere considerato. Poiché oggi la maggior parte della stampa 3D si basa su file STL, l’interoperabilità con il design è attualmente scarsa.

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Ambiente di progettazione e simulazione strutturale o termica

In CAxMan verrà sviluppato un ambiente di progettazione e simulazione strutturale o termica delle parti basato sull’analisi isogeometrica. Questa migliorerà notevolmente l’interoperabilità tra la fase di progettazione e di ingegnerizzazione dei componenti meccanici e permetterà al progettista di aggiungere rapidamente le feature tipiche dell’AM, come cavità, alleggerimenti, strutture interne e di supporto. Il progetto stabilirà anche un ciclo di feedback tra progettazione e pianificazione del processo, che genererà le istruzioni macchina del sistema di manifattura additiva. L’interoperabilità garantita dagli strumenti CAxMan abbrevierà notevolmente i tempi di sviluppo e renderà gli ambienti di progettazione molto più flessibili ed efficaci per le applicazioni di produzione additiva.

Gli obiettivi

Gli obiettivi di CAxMan sono quindi la creazione di toolbox e workflow basati su cloud, raccolti in un’unica piattaforma (one-stop shop) per le tecnologie CAx; essi supporteranno la progettazione, la simulazione e la pianificazione del processo per la produzione additiva. Gli approcci alla progettazione basati sulla simulazione permetteranno di:

  • Ridurre l’utilizzo del materiale attraverso cavità e strutture interne, mantenendo le proprietà meccaniche e termiche dei componenti;
  • Facilitare la produzione di componenti attualmente difficili o impossibili da realizzare con tecniche per asportazione di truciolo;
  • Migliorare la pianificazione del processo produttivo, grazie all’analisi degli aspetti termici e di sollecitazione durante la produzione e la loro interoperabilità con la fase di progettazione;
  • Migliorare la compatibilità tra i processi additivi e sottrattivi.

A differenza degli strumenti CAD/CAE/CAM attualmente esistenti, CAxMan garantirà un’interoperabilità senza precedenti tra le fasi di sviluppo del prodotto, si concentrerà sull’efficacia dal punto di vista dei costi e sarà sviluppata espressamente per AM. In conclusione, il set di strumenti di CAxMan velocizzerà e migliorerà il processo di progettazione / ingegnerizzazione / produzione e ottimizzerà il processo AM, a beneficio di progettisti, ingegneri e produttori di componenti meccanici che vogliono ottenere il meglio dall’AM e ridurre i costi di produzione. CAxMan ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea nell’ambito del Grant Agreement n. 68044.