Produzione additiva e progettazione

Libertà di scelta della forma Ridotti problemi di sottosquadro Possibilità di realizzare canali non rettilinei Possibilità di modificare le caratteristiche meccaniche, strutturali, termiche, acustiche… in diversi punti del componente Possibilità di realizzare strutture cellulari Progetto di componenti ibridi

Nuovo modo di pensare la progettazione Siamo condizionati dalla attuale tecnologia nella «concezione» di nuovi componenti Siamo limitati dagli attuali sistemi CAD pensati per definire le superfici Il passaggio da STL rende difficile sfruttare la possibilità di modulare le caratteristiche interne dei materiali

ESEMPI + =

ESEMPI

ESEMPI

ESEMPI

Compositi

Dal modello CAD al modello fisico Fabbricazione additiva Modello solido Generazione STL STL Software di preparazione Verifica modello CAD Ulteriori modellazioni Verifica STL Lay-out nel volume di stampa Direzione di accrescimento Generazione dei supporti Definizione parametri degli strati Slicing CONTROLLO DELLA MACCHINA

FILE STL Contiene un elenco di vertici 2 1 3 1 2 3

Possibili errori nei files STL

Triangoli degenerati

Necessità di correzione dei files Materialise (ad esempio GeoMagics o Minimagics) Possibilità di riparazione “in rete” (es. NetFabb) Regola di Eulero, F-S+V-H=2(G-P) F=facce S=spigoli V=vertici H= fori G=gusci P=fori passanti F=6 S=15 V=11 H=1 6-15+11-1=1≠2 G=1 P=0 F=10 S=21 V=14 H=1 10-21+14-1=2(1-0) G=1 P=0

Approssimazione dei file STL Tassellizzazione con triangoli (piani) che approssima la superficie reale. Errore insito nel modello, aumentando i triangoli si può migliorare la tolleranza «filtraggio» delle features più piccole Perdita di simmetria Perdita di informazione sulle features

Perdita di info sulle features

Perdita di simmetria

Perdita di simmetria

Perdita di simmetria

Approssimazione

Rugosità ABS (FDM), Θ=10° α= 0,25mm

Supporti Supporti necessari per sorreggere il componente durante la realizzazione (a seconda della tecnologia)

Difetti geometrici

Supporti

Scelta della posizione

Struttura interna Per risparmiare tempo e materiale la struttura interna può esser costruita in forma cellulare. La scelta della forma delle celle ha influenza sulle prestazioni meccaniche

Ottimizzazione La possibilità di realizzare forme non più vincolate da esigenze di produzione rende possibile scegliere forme ottimizzate e rende attuale una disciplina che in passato è spesso stata vista più come una curiosità accademica che come una opportunità industriale: l’ottimizzazione di forma

Ottimizzazione: Ottimizzazione geometrica. Ottimizzazione topologica.

Processo di ottimizzazione Funzione obiettivo Dominio di definizione Vincoli

ottimizzazione

Ottimizzazione Consiste nel cercare il minimo di una funzione

Ottimizzazione

Ottimizzazione In questa formula la variabile è λ. In pratica muovendosi sempre lungo la linea di massima pendenza si determina il minimo lungo una direzione . Ad ogni passo la direzione è ortogonale al passo precedente. Il metodo NON converge mai al minimo assoluto (ma ci si avvicina)

Funzione di penalizzazione Il modo più semplice di tener conto dei vincoli è l’introduzione di funzioni di penalizzazione

Applicazione al caso degli E.F. (massima rigidezza) La valutazione dei fattori di sensibilità (gradiente) non richiede l’inversione della matrice di rigidezza

Questi metodi sono adattissimi alla ottimizzazione geometrica

Ottimizzazione topologica SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) A ogni elemento è aggiunta una variabile “densità”, μ, variabile tra 0 e 1 Questa densità viene modificata dopo l’analisi agli elementi finiti attribuendole un nuovo valore). In questo modo gli elementi meno caricati hanno densità minore. La rigidezza di questi elementi, grazie alla (1), con valori di p>>1 è molto piccola e contribuiscono poco a irrigidire la struttura mentre il loro peso è significativo e quindi “penalizzano” la struttura. Il processo di ottimizzazione li riduce perciò a densità prossima a 0 (esiste un limite inferiore alla densità per evitare instabilità numeriche nella matrice di rigidezza)

Ottimizzazione intorno all’ottimo

Algoritmi genetici CROSSOVER MUTAZIONE

SIMP

BESO Biderectional Evolutive Structural Optimization Il metodo consiste nel definire un volume discretizzato in E.F. Disponendo della distribuzione delle tensioni è possibile eliminare (riducendo il modulo elastico a un valore piccolissimo, a.e., 0,1) gli elementi poco sollecitati (RR= rejection rate; gli elementi sono eliminati quando Von Mises è inferiore a RR*tensione max) e aggiunti se la tensione è superiore a un parametro IR*tensione max. Il processo prosegue fino a raggiungere una condizione stazionaria. Un nuovo parametro ER è introdotto (evolution rate)

BESO

Il progettista non è più vincolato A livello di progetto concettuale: Liberare la mente dalle soluzioni attuali Non essere più vincolati da “Design for manufacturing” Non essere più vincolati da “Design for assembly” A livello di progettazione esecutiva: Ottimizzazione della forma del tutto libera (i vincoli dipendono dalle tecniche di progettazione, non dalla tecnologia) Incorporare le esigenze della AM nel processo di progettazione di dettaglio (diverse “textures” all’interno, cavità di forma strana, eliminazione di lavorazioni precise)

Progettare par AM Da quattordici pezzi a 1 Topologie non uniformi

Progettare con AM

Progettare con AM

Progettare con AM La tecnologia additiva è una tecnologia “democratica”: libera il progettista dalla schiavitù della tecnologia convenzionale

Possibili evoluzioni CAD Non più basati su CSG o B-Rep ma su voxells o octrees

Haptic CAD

Haptic CAD

La produzione additiva e il suo impatto sulla didattica Abituare gli studenti a pensare il loro progetto liberandosi dai vincoli derivanti da tecnologie per asportazione di truciolo Introdurre l’utilizzo fisico di tecniche additive nei corsi di progettazione. Consentire così agli studenti di «vedere» il prodotto fisico da loro progettato

La produzione additiva e il suo impatto sulla didattica Recentemente è stata acquistata una prima stampante 3D e sarà a disposizione degli studenti dall’a.a. 2014/2015

La produzione additiva e il suo impatto sulla didattica AUSPICI