Perché non ha funzionato per 30 anni e come siamo finalmente riusciti a risolvere il problema.
I pezzi che escono dalla stampante 3D non sono gli stessi che sono stati modellati nella simulazione agli elementi finiti. Ogni ingegnere che lavora con la stampa 3D FDM ne è consapevole, in una certa misura. La maggior parte ha trovato delle soluzioni alternative. Pochi hanno parlato apertamente delle ragioni alla base del problema e ancora meno lo hanno affrontato alla radice.
Eseguite un'analisi standard delle sollecitazioni con la FEA su un file CAD che state per stampare con una stampante 3D FDM e otterrete un risultato: grafici di contorno chiari, previsioni di cedimento, apparentemente affidabili. Il problema è che quasi nulla di tutto ciò tiene conto di come il processo di costruzione modificherà il risultato.
L'FEA tradizionale presuppone che il pezzo analizzato sia isotropico e omogeneo. Tale presupposto funziona ragionevolmente bene per lo stampaggio a iniezione, la lavorazione CNC e altri processi di produzione convenzionali. Per le parti stampate in 3D con tecnologia FDM, invece, è fondamentalmente insufficiente.
Una parte FDM è un insieme di strati depositati, ciascuno modellato dal percorso utensile che lo ha posizionato, legato agli strati adiacenti tramite un processo termico che varia all’interno del Volume di costruzione. Le proprietà dei materiali nella direzione di deposito dello strato sono sensibilmente diverse da quelle perpendicolari ad essa. La densità di riempimento, il modello e l’orientamento influenzano tutti le prestazioni strutturali in modi che un modello FEA standard semplicemente non è in grado di cogliere.
La risposta più comune è un fattore di sicurezza molto elevato, spesso applicato per compensare la mancata considerazione dei percorsi utensile. A seconda delle condizioni di carico, può trattarsi di un’approssimazione ragionevole, ma nella maggior parte dei casi non lo è. Il fattore può risultare troppo prudente laddove la riduzione del peso è una priorità, e non abbastanza prudente per modalità di guasto che non è mai stato progettato per prevedere. Il risultato è un componente stampato in 3D sovradimensionato, più pesante e più costoso del necessario. E per le applicazioni soggette a carico, il rischio che non è stato adeguatamente quantificato non scompare solo perché è stato applicato un fattore di sicurezza.
I software FEA disponibili in commercio non sono stati progettati per la tecnologia FDM né, più in generale, per la stampa 3D. La maggior parte degli strumenti di simulazione più diffusi è stata sviluppata sulla base di presupposti tipici della produzione convenzionale: materiali omogenei, geometrie stabili, condizioni di processo prevedibili. I progressi nella simulazione della fusione a letto di polvere sono stati significativi e il motivo è illuminante. Nei sistemi a fusione su letto di polvere, la quantità totale di materiale nella camera di costruzione rimane relativamente costante, con solo una regione localizzata esposta alla fonte di calore in un dato momento. Tale costanza rende possibile modellare le sollecitazioni residue, la distorsione e i difetti di costruzione con una precisione ragionevole.
Sono stati sperimentati diversi approcci sia in ambito accademico che industriale, e ciascuno di essi si scontra con un ostacolo specifico. L’uso di modelli di materiale anisotropi e della teoria dei laminati compositi cattura le debolezze interstrato, ma non tiene conto dell’anisotropia a grana fine derivante da contorni che variano continuamente, inversioni di raster e orientamenti del materiale mutevoli. La modellazione dei singoli grani è fisicamente accurata in linea di principio, ma immediatamente irrealizzabile per qualsiasi parte di produzione: il numero di elementi della mesh diventa computazionalmente intrattabile prima ancora di risolvere il problema della generazione di una mesh ragionevole. L’omogeneizzazione basata sulla cella unitaria applica le proprietà dei materiali a elementi molto più grandi dei singoli grani, ma presuppone una struttura periodica del materiale che la tecnologia FDM viola attivamente. Le linee di contorno seguono i confini del pezzo, gli schemi di riempimento cambiano direzione in corrispondenza delle pareti, le inversioni di direzione del raster creano orientamenti localmente distinti e le regioni di riempimento rade si comportano in modo completamente diverso da quelle dense. La proprietà omogeneizzata assegnata a qualsiasi elemento è, nel migliore dei casi, una media e, nel peggiore dei casi, assegna con certezza proprietà errate ai contorni, alle concentrazioni di sollecitazioni e alle pareti sottili che con maggiore probabilità determinano il cedimento.
Ogni approccio condivide lo stesso difetto di fondo: considerare il percorso utensile come un elemento secondario anziché come l’input principale. Il risultato sono approcci che risultano o troppo costosi o gravemente inadeguati — e un settore che ha compensato stampando più parti di prova, applicando fattori di sicurezza più elevati e accettando componenti sovradimensionati. Questo flusso di lavoro è accettabile per la prototipazione. Non è scalabile per le applicazioni di produzione in cui il peso del pezzo, il costo del materiale e la qualificazione delle prestazioni sono fondamentali.
Man mano che la fiducia nella tecnologia FDM per le applicazioni strutturali diminuisce, gli ingegneri diventano meno propensi a specificarla per le parti di produzione — il che riduce ulteriormente l’incentivo a investire in strumenti di simulazione migliori. Il ciclo continua.
Il risultato è un’occasione persa. La stampa 3D FDM ha un chiaro potenziale per utensili, attrezzature di fissaggio, staffe e applicazioni strutturali a supporto della produzione, dove peso ridotto, costi inferiori, tempi di lavorazione più rapidi e flessibilità progettuale creano vantaggi significativi rispetto alla produzione convenzionale. Senza strumenti di simulazione di cui gli ingegneri possano fidarsi, tali vantaggi rimangono irrealizzati.
Il problema è specifico, e lo è anche la soluzione. Per prevedere con precisione il comportamento meccanico di una parte FDM stampata in 3D, la simulazione deve tenere conto di aspetti che l’analisi FEA tradizionale semplicemente ignora: la direzione in cui è stato depositato ogni grano e come ciò influisca sulla rigidità e sulla resistenza, lo schema e la densità di riempimento su tutta la parte, le proprietà dei materiali validate specifiche per la stampante e l’altezza di fetta utilizzata, non i valori generici riportati nelle schede tecniche e, cosa fondamentale, la velocità necessaria a rendere la simulazione una fase pratica anziché un passaggio che viene saltato.
Quest’ultimo punto è più importante di quanto possa sembrare. Simulazioni FEA complesse possono richiedere molte ore su hardware ad alte prestazioni. Se è più veloce stampare semplicemente un pezzo di prova e testarlo fisicamente, è proprio quello che faranno gli ingegneri. Uno strumento di simulazione che non sia in grado di fornire risultati più rapidamente rispetto all’alternativa fisica non cambierà il comportamento degli ingegneri, indipendentemente dalla sua accuratezza.
Tutte le informazioni necessarie per una simulazione FDM fisicamente accurata si trovano in un unico posto: i dati del percorso utensile generati dal software di preparazione alla stampa. Il percorso utensile sa esattamente dove è stato depositato ogni grano, con quale orientamento e con quale schema di riempimento. È la descrizione più completa che esista del pezzo stampato in 3D così come è stato prodotto. La domanda è sempre stata se gli strumenti di simulazione l’avrebbero utilizzata.
NoviPath ribalta i presupposti su cui si basavano gli approcci precedenti, che si sono rivelati fallimentari. Anziché partire dalla geometria CAD e cercare di incorporare le proprietà dei materiali in massa risultanti dal processo FDM, parte dal percorso utensile stesso: l’unica fonte che contiene sia la geometria sia le informazioni di processo necessarie per assegnare proprietà direzionali accurate dei materiali in ogni punto del pezzo.
Il motore di simulazione FDM di Novineer, integrato in GrabCAD Print Pro, legge i dati effettivi del percorso utensile di GrabCAD, che includono l’orientamento di stampa, l’altezza e la direzione degli strati e gli schemi di riempimento, oltre alle proprietà specifiche del materiale, e costruisce un modello fisicamente accurato del pezzo così come verrà stampato in 3D. La simulazione riproduce il pezzo così come è stato realizzato, non una versione grossolanamente semplificata dello stesso.
La tecnologia si basa su tre componenti fondamentali, ciascuno dei quali affronta una specifica limitazione degli approcci precedenti.
Grazie a una rigorosa metodologia di caratterizzazione dei materiali che copre 18 proprietà meccaniche specifiche per ogni materiale, altezza di strato e stampante, il risultato è un modello che riflette il modo in cui il pezzo è stato effettivamente realizzato, anziché come sarebbe stato idealmente.
Novineer ha dimostrato che NoviPath è in grado di simulare parti delle dimensioni approssimative del foglio di stampa della F900 (406 mm x 470 mm) in meno di 10 minuti, utilizzando meno di 8 GB di RAM su hardware standard (in questo caso un processore Intel® Core™ 7 240H (2,50 GHz) con 16 GB di RAM installata e 10 core fisici della CPU). L’accuratezza di questi modelli rispetto agli esperimenti fisici si attesta tra il 5 e il 18%. Maggiori dettagli seguiranno nei prossimi white paper tecnici.
Velocità, precisione e convalida sono parte integrante dell’architettura — non sono elementi aggiunti in un secondo momento. NoviPath è progettato per fornire risultati accurati con la rapidità necessaria a rendere la simulazione una fase pratica nel ciclo di progettazione. Un ingegnere può regolare l’orientamento del volume di stampa, modificare gli angoli di rasterizzazione o aggiungere contorni, eseguire la simulazione e valutare l’impatto strutturale senza uscire da GrabCAD Print Pro e senza ricostruire il modello. Le iterazioni che prima richiedevano giorni si riducono ora a poche ore. Non sono più necessarie stampe di prova fisiche per l’iterazione della progettazione, il che riduce l’uso di materiale, il tempo di costruzione e i costi in ogni ciclo.
La libreria di materiali convalidati disponibile al momento del lancio comprenderà Antero 800NA, FDM Nylon 12CF e ULTEM 9085, con supporto iniziale per le stampanti F900, Fortus 450mc e F3300. I dati sui materiali derivano da rigorosi test su provini, calibrati in base a stampanti specifiche e alle altezze di fetta. Su un montante per una linea di assemblaggio automobilistica, Novineer ha dimostrato riduzioni di peso fino al 35% mantenendo i fattori di sicurezza richiesti, con tempi di convalida ridotti da settimane a ore.
Le applicazioni in cui ciò è più rilevante sono proprio quelle in cui la stampa 3D FDM è stata finora frenata: attrezzature e dispositivi di fissaggio portanti, attrezzature di produzione strutturali, staffe nei programmi aerospaziali, componenti di dispositivi medici che richiedono una qualificazione delle prestazioni. In ciascun caso, l’ostacolo non era la tecnologia di stampa, bensì l’incapacità di dimostrare con certezza ingegneristica che un componente specifico, realizzato in un modo specifico, avrebbe funzionato sotto un carico specifico. Si tratta di un problema di modellazione e simulazione, che ora è risolvibile.
C'è una tendenza di più ampio respiro che vale la pena menzionare in questa sede. Il settore della stampa 3D FDM in generale, e Stratasys in particolare, ha dedicato oltre due decenni a dimostrare di essere in grado di produrre parti uniformi e affidabili. I materiali sono ben caratterizzati. I controlli di processo sono consolidati. L’ostacolo rimanente a una più ampia adozione nelle applicazioni di produzione strutturale non è stato l’hardware, bensì il rigore ingegneristico e la fiducia necessari per giustificare l’uso dell’FDM laddove le prestazioni sono fondamentali.
Colmare questo divario cambia ciò che gli ingegneri sono disposti a progettare. Gli ingegneri che si affidano alla simulazione FDM smettono di limitare i progetti a ciò che potrebbe essere facilmente realizzato con la lavorazione meccanica o lo stampaggio a iniezione. Iniziano a progettare parti che possono essere realizzate solo stampate in 3D, geometrie che sfruttano appieno ciò che la produzione additiva rende possibile in modo unico. Le stampanti 3D hanno già dimostrato di poter produrre parti affidabili e complesse su scala industriale. Le capacità progettuali che diventano disponibili quando la simulazione elimina l’incertezza sono notevoli.
È proprio questo il cambiamento a cui mira questo lavoro. Non un fattore di sicurezza migliore. Non un modo più veloce per approvare un progetto che era già sovradimensionato. Un approccio di simulazione che parla la lingua dell’FDM e offre agli ingegneri la fiducia necessaria per utilizzare la produzione additiva al massimo delle sue potenzialità.
