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Tuesday, 19 Giugno 2018

L’additive prende il volo!

Nell’articolo Guido Porro, Managing Director EuroMed di Dassault Systèmes, illustra i progressi e le applicazioni più recenti dell’additive manufacturing nell’industria aerospaziale.

di Adriano Moroni

Febbraio 2018

La produzione o fabbricazione additiva, additive manufacturing (AM), va oltre la semplice stampa 3D. Questa tecnologia si è infatti evoluta in una metodologia produttiva che sostituisce o completa i processi produttivi tradizionali in un numero crescente di ambiti e applicazioni nell’industria aerospaziale e in altri settori.
“Quando nacque circa 30 anni fa, la stampa 3D era limitata alla plastica”, spiega Guido Porro, Managing Director EuroMed di Dassault Systèmes. “L’avvento delle polveri di metallo e della sinterizzazione laser ha cambiato le regole del gioco, consentendo di stampare anche oggetti metallici. La tecnologia AM può utilizzare praticamente qualsiasi tipo di metallo, sovrapponendo strati successivi di polvere che vengono solidificati mediante il calore generato da raggi laser ad altissima precisione”.
Con la fabbricazione additività è possibile riprodurre perfettamente un modello digitale tridimensionale in forma di solido metallico. “La tecnologia AM - continua Porro - consente di costruire pezzi singoli “on demand” con strutture contenenti cavità interne e reticolati, le cosiddette “strutture bioniche” che riducono al minimo il peso e ottimizzano la resistenza senza compromettere le prestazioni meccaniche. Si possono così realizzare anche parti meccaniche complesse (ad esempio, un gruppo di ingranaggi inscatolati) senza alcuna operazione di montaggio”.
La stampa 3D fa affidamento sulla tecnologia di simulazione digitale. Questo processo si differenzia dalla lavorazione ad asportazione (sottrattiva) delle macchine utensili tradizionali, perché non comporta alcuna lavorazione meccanica e richiede una finitura minima. Inoltre, poiché la lavorazione non è vincolata ai limiti delle macchine utensili, i pezzi possono assumere nuove forme.
“Utilizzando un software integrato di progettazione e analisi su una piattaforma unificata, i punti di contatto della struttura possono essere sfruttati come “guide” per la progettazione”, afferma Porro. “In altri termini, i punti di contatto, gli inviluppi spaziali e i requisiti funzionali e strutturali possono essere presi come elementi di riferimento e controllo per definire automaticamente le forme con un processo detto “progettazione generativa”. Integrando l’analisi a elementi finiti (FEA) nel processo di progettazione in tempo reale, è inoltre possibile sviluppare prodotti che abbiano esattamente le caratteristiche strutturali necessarie per adempiere alla loro funzione. Progettando in questo modo non solo si risparmia tempo, ma si può ovviare all’attuale carenza di progettisti e ingegneri altamente qualificati, perché il processo di progettazione viene di fatto automatizzato”.

Cambia la distinta
La prevedibilità della forma, delle prestazioni e della durata di un componente è parte integrante della fabbricazione additiva, perché gli oggetti solidi sono l’esatta riproduzione dei loro progetti digitali. Il modello digitale e il suo gemello fisico hanno caratteristiche identiche. “Prima di fabbricare un pezzo è quindi possibile, ad esempio, analizzare stress residui, carichi termici e tempi di raffreddamento. Un altro vantaggio è l’azzeramento dello spreco di materiale, tipico della lavorazione ad asportazione dove le forme vengono ricavate da un blocco massiccio di metallo spesso prezioso, ad esempio il titanio. Inoltre, la tecnologia AM non richiede attrezzature né utensili, con conseguente riduzione dei tempi di ciclo e consumi energetici inferiori del 90% rispetto alle macchine utensili tradizionali”, sottolinea Porro.
“In molti casi la produzione additiva semplifica la distinta base (BOM) perché da questo processo nasce un unico pezzo che sostituisce un insieme di componenti. Di conseguenza si riducono i consumi di materiale, perché ogni pezzo può essere prodotto utilizzando l’esatta quantità di materiale necessaria. La riduzione del peso può arrivare fino al 50%, con evidenti vantaggi in un settore come l’industria aerospaziale dove pesi più leggeri si traducono in minori consumi di carburante, estensione del raggio d’azione dei velivoli, riduzione dell’impronta di carbonio e, in generale, maggiori possibilità di innovazione nei progetti”.

La tecnologia decolla
La tecnologia AM viene già impiegata diffusamente dalle grandi aziende aeronautiche. “Il Gruppo Airbus, ad esempio, dopo due anni di test accurati, ha esteso l’uso della piattaforma 3DEXPERIENCE di Dassault Systèmes ai propri programmi AM, integrando progettazione, simulazione e produzione”, spiega Porro.
Airbus Group adotterà gli applicativi di progettazione collaborativa e simulazione di Dassault Systèmes nell’ambito della soluzione “Co-Design to Target”, per la produzione additiva di attrezzature, prototipi e parti destinate a voli di prova e all’impiego diretto in produzione su velivoli commerciali. “Airbus Group potrà così contare sulla continuità digitale necessaria per ottimizzare i progetti concettuali, validando ogni singola fase del processo di fabbricazione additiva in maniera virtuale. Grazie a questo approccio, Airbus Group potrà valutare diverse alternative di progettazione e produzione per soddisfare i requisiti di ingegneria e produzione per la fabbricazione additiva di parti e attrezzature”, continua Porro.
Robert Nardini, Senior Vice President Engineering Airframe, Airbus, spiega così la strategia dell’azienda: “In moltissimi progetti, Airbus sta potenziando il ricorso alla produzione additiva per realizzare sia prototipi sia parti destinate alla produzione, fabbricando componenti più leggeri e meno costosi che rispettano i requisiti di prestazioni, sicurezza e costi. Airbus utilizza da tempo applicativi di simulazione 3D per accelerare l’analisi strutturale e il collaudo virtuale degli aerei; ora possiamo introdurre un nuovo modo di progettare le parti, sfruttando la simulazione per rispondere più efficacemente alle esigenze del mercato dell’aviazione”.
La fabbricazione additiva crea nuove opportunità in molti ambiti, dalla fabbricazione a distanza a scopo di assistenza e manutenzione, passando per la prototipazione rapida di nuovi concetti ed esperienze, fino allo sviluppo di progetti finora impossibili da realizzare in fabbrica. “Airbus Group potrà cogliere i vantaggi della nuova generazione di funzionalità automatizzate di progettazione della piattaforma 3DEXPERIENCE, per parti stampate in 3D o tradizionali, innescando una nuova ondata di innovazione nell’industria aerospaziale. Con questa piattaforma, Airbus potrà contare su una soluzione a 360 gradi che abbraccia tutti i parametri ingegneristici per la produzione additiva di componenti, dalla scienza dei materiali alle specifiche funzionali, dalla progettazione generativa all’ottimizzazione della stampa 3D, dalla produzione alla certificazione”, dichiara Porro.

Additivo a tutto tondo
Un’altra referenza in ambito AM è il Gruppo Safran, ai vertici mondiali nel campo delle alte tecnologie per l’aeronautica, la difesa e la sicurezza. L’azienda svilupperà un metodo di convalida virtuale del processo di fabbricazione additiva. “La collaborazione unisce la piattaforma 3DEXPERIENCE e le competenze di Safran nelle tecnologie innovative per sviluppare una soluzione digitale completa per l’AM, dalla progettazione dei materiali a monte fino ai processi produttivi e ai collaudi a valle. Verrà così realizzata la continuità digitale di tutti i parametri ingegneristici necessari per la fabbricazione additiva di parti di motore, integrando scienza dei materiali, specifiche funzionali, progettazione generativa, ottimizzazione della stampa 3D, produzione con molteplici robot e certificazione”, afferma Porro.
Pierre Fabre, Senior Executive Vice President R&T, Innovation, Safran, ha dichiarato: “La ricerca e la tecnologia sono attività chiave per Safran, perché ci consentono di realizzare continui miglioramenti finalizzati alla sicurezza e alla compatibilità ambientale dei viaggi aerei. Safran è oggi all’avanguardia nell’utilizzo della stampa 3D per la fabbricazione di motori. Unendo le nostre competenze con quelle di Dassault Systèmes e con la loro piattaforma 3DEXPERIENCE, possiamo accelerare il processo di innovazione e rispondere meglio alle esigenze dei nostri clienti”.

Progettare in quattro dimensioni
L’adozione della tecnologia AM nell’industria aerospaziale riunisce su un’unica piattaforma competenze che resterebbero altrimenti isolate e sparse. Si ha così la possibilità di accedere a tutte le informazioni rilevanti in un unico punto: esiste così “un’unica versione della verità”. Inoltre, le parti simulate possono essere inserite in contesti realistici per valutarne il comportamento e le prestazioni una volta fabbricate. Alle simulazioni 3D si aggiunge la quarta dimensione, il tempo, per analizzare le prestazioni di un prodotto lungo tutto il suo ciclo di vita.
“La tecnologia AM è una nuova frontiera non solo per l’industria aerospaziale ma per molti altri settori. Implementando la fabbricazione additiva su una piattaforma unificata che raccoglie e riunisce tutte le capacità e le competenze, si moltiplicano i vantaggi e i benefici di questa tecnologia entusiasmante. L’evoluzione dinamica dell’AM suscita sempre più interesse e stimola le menti più brillanti, perché si tratta di una di quelle tecnologie di punta che, come tutte le invenzioni migliori, rende semplici le cose complesse, conclude Porro.

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