Riassunti di Digital manufacturing

4. Prototipazione del prodotto

4.1 Introduzione

La fase di prototipazione del prodotto è estremamente importante nel ciclo produttivo. Essendo un argomento molto ampio, la sua trattazione verrà suddivisa nei seguenti argomenti:

• Impiego dei prototipi
• Tipologie di prototipi
• Principi della prototipazione
• Prototipazione rapida

4.2 Impiego dei prototipi

Il prototipo viene sviluppato per realizzare diverse funzioni. Le più importanti sono:

• Learning: test delle funzionalità e verifica della fattibilità del prodotto. Si studiano le caratteristiche dimensionali ed estetiche del prodotto che si vuole sviluppare.
• Communication: comunicare e dimostrare le caratteristiche del prodotto ai responsabili tecnici e del marketing.
• Integration: combinare più sottosistemi in un modello di sistema.
• Milestone: è la base da cui si sviluppa il prodotto finito.

4.3 Tipologie di prototipi

Esistono più tipologie di prototipi:

Classificazioni di prototipi. Essi possono essere virtuali o fisici e vengono suddivisi in:

• Prototipi virtuali 3D che permettono di verificare l'assemblaggio e la compatibilità tra i diversi componenti, le differenti possibilità di fabbricazione, la loro forma e stile. Fra questi vi sono i modelli FEM ad elementi finiti che permettono di analizzare anche il comportamento del prodotto in esercizio.
• Virtual reality: i prototipi della realtà aumentata sono più complessi dei precedenti. Pur essendo virtuali consentono infatti di provare degli stimoli tramite i canali sensoriali.
• Physical prototyping: i prototipi possono essere classificati in funzione della fase di sviluppo del prodotto in cui vengono richiesti. Gli obiettivi di ciascuna tipologia sono differenti così come il materiale impiegato per la costruzione e la tecnologia di fabbricazione.
• Concettuali: impiegati nelle fasi preliminari per definire le

fabbricazione devono essere identici a quelli che verranno utilizzati nella produzione in serie. Per quanto riguarda le dimensioni e l'ingombro del prodotto, è possibile effettuare valutazioni sulla forma, sul montaggio e sulle modalità tecnologiche utilizzate per realizzarlo. L'analisi delle sollecitazioni può essere svolta utilizzando i metodi fotoelastici. È possibile utilizzare qualsiasi tipo di materiale. I test funzionali vengono impiegati per valutare la funzionalità del prodotto. Il materiale utilizzato è simile a quello che verrà utilizzato nel prodotto finale. I test tecnici consentono di valutare le prestazioni del prodotto e il ciclo di fabbricazione delle tecnologie utilizzate. È possibile anche ottimizzare il processo di fabbricazione. Il materiale impiegato e la tecnologia di fabbricazione devono essere molto simili a quelli che verranno utilizzati nella produzione dei prototipi. I test di preserie consentono una valutazione finale del prodotto e, per questo motivo, il materiale e la tecnologia di fabbricazione devono essere identici a quelli che verranno utilizzati nella produzione in serie.

La fabbricazione di prototipi può essere definita in diversi modi. Un modo è basato sulla fase di sviluppo in cui vengono creati i prototipi. Si hanno i seguenti tipi di prototipi:

• Prototipo fisico: è un'approximazione tangibile del prodotto. È attualmente il modo più comunicativo per descrivere le caratteristiche e le funzionalità di un prodotto.
• Prototipo analitico: è un modello matematico del prodotto. Può mostrare il comportamento derivante da modelli di calcolo definiti. Alcuni fenomeni potrebbero non manifestarsi.
• Prototipo focalizzato: è un modello che si concentra solo su alcuni attributi del prodotto, senza considerare l'aspetto complessivo.
• Prototipo comprensivo: è un modello che descrive al meglio il prodotto nel suo insieme. La precisione con cui rappresenta le caratteristiche finali dipende dal costo del prodotto e dai rischi legati agli aspetti tecnici e di marketing.

Metodi di prototipazione:

Le tecnologie tradizionali

Per realizzare un prototipo fisico sono necessarie le lavorazioni CNC e lo stampaggio in gomma o uretano. I materiali utilizzati possono essere legno, schiuma, plastica, ecc.

Oltre ai metodi di prototipazione tradizionali, esistono delle tecnologie di prototipazione rapida basate sulla manifattura additiva AM. Queste tecnologie vengono utilizzate quando il prototipo è difficile da realizzare con una macchina CNC. Permettono di produrre un prototipo in poche ore senza l'uso di utensili direttamente dal modello matematico. L'adozione della prototipazione rapida consente di produrre più prototipi che possono essere modificati e adattati all'occorrenza.

I seminari tenuti dall'ingegner Gramegna hanno l'obiettivo di svolgere una

breve formazione sulle tecnologie CAE per lo sviluppo di componenti metallici supportato da strumenti di simulazione numerica. Negli anni recenti i programmi CAE hanno assunto un ruolo importantissimo nello sviluppo del prodotto. Essi vengono usati per modellizzare il comportamento del materiale del pezzo e dell'utensile e dell'influenza dei parametri della lavorazione in più fasi del suo sviluppo. Si parla quindi di modelli di pre-processing, in cui si impostano la geometria e il modello del comportamento del materiale, modelli di post-processing e modelli di simulazione numerica. Per la modellizzazione attraverso un programma CAE di un processo di fonderia si passa attraverso gli stessi passaggi che si svolgerebbero nella realtà con ogni materiale, che sia esso un acciaio, una ghisa o un alluminio. Si deve modellizzare il sistema di colata. Si ricorda che esistono due tipi di sistemi:

• sistema di colata a forma persa
• sistema di colata con stampo

Permanente ’5.2 PROCESSI E MODELLI DI FONDERIA DELL ACCIAIO

Per sviluppare in un software CAE la colata di un acciaio è necessario rappresentare in modo corretto le interazioni tra metallo fuso e stampo, le inclusioni e le fasi indesiderate, il comportamento dei gas e le crepe. La fase di solidificazione deve essere modo modellizzata in modo appropriato, così da tenere in considerazione la contrazione in fase liquida dell’acciaio, la contrazione di solidificazione nel passaggio del liquido/solido e la contrazione in fase solida. Altri aspetti da considerare per sviluppare un codice di calcolo affidabile sono legati alle caratteristiche geometriche degli stampi (angoli di sformo ecc.) e alla quantità necessaria di sovrametallo. In ogni codice di calcolo di fonderia l’output più importante è la velocità di raffreddamento del metallo fuso. Considera una colata in lingottiera l’acciaio viene colato in una forma in acciaio o

di solidificazione. • La dimensione del montante deve essere sufficientemente grande da evitare la formazione di porosità o inclusioni nel pezzo fuso. In generale, si consiglia che il diametro del montante sia almeno il doppio del diametro del getto. • La posizione del sistema di alimentazione deve essere scelta in modo da garantire un flusso uniforme del metallo fuso nel pezzo. È importante evitare punti di ristagno o turbolenze che potrebbero compromettere la qualità del pezzo finito. In conclusione, la corretta modellizzazione del sistema di alimentazione e delle materozze è fondamentale per ottenere pezzi fusi di alta qualità. L'utilizzo di simulazioni al computer può aiutare a ottimizzare il processo di solidificazione e garantire risultati ottimali.solidaconsiderando le effettive proprietà termofisiche dei materiali e la complessa geometriareale del getto reale• il montante deve avere una dimensione tale da contenere la massa liquida utile perl’alimentazione del getto senza che il cono di ritiro si estenda all’interno del getto stesso.La resa in liquido di un montante dipende dunque dalla sua geometria a parità di volumeliquido iniziale.• la profondità del ritiro è funzione anche di altre condizioni al contorno, come ad esempiol’uso di materiali esotermiciNel caso di colata in gravità la pressione idrostatica è l’unica forza motrice dell’alimentazionee decade progressivamente man mano che le dendriti limitano lo scorrimento del fluido. Ilrischio è perciò che l’acciaio fuso solidifichi prima di riempire tutto lo stampo. I risultatinumerici che maggiormente vengono in aiuto per valutare questo problema sono il gradientetermico eIl criterio di Niyama, cioè il rapporto tra il gradiente di temperatura e la radice quadrata della velocità di raffreddamento. Un gradiente di pressione positivo dall'esterno verso l'interno del getto è necessario per attivare un flusso di liquido che scongiuri i rischi di porosità interna. Anche la pressione atmosferica esterna gioca un ruolo essenziale nella generazione dei gradienti di pressione richiesti. È quindi buona norma progettare un sistema di sfiato o valutare l'efficienza della permeabilità della forma in sabbia tramite appositi sistemi di modellazione. L'espansione termica della forma in sabbia può generare difetti nel getto o ritiri di solidificazione. Le soluzioni pratiche a questi problemi si ricercano in genere con la maggior rigidità della forma in sabbia o aumentando la dimensione del montante per compensare il movimento delle pareti dello stampo.

simulazione di un processo di fonderia di un acciaio si articola nelle seguenti fasi: 1) simulazione del riempimento, durante la quale si svolge il controllo della distribuzione della temperatura e della distribuzione delle velocità. 2) simulazione di solidificazione, durante la quale si svolge il controllo della distribuzione della temperatura, dei criteri di solidificazione, delle segregazioni e dei moti convettivi del fuso. Nei pezzi di acciaio la tendenza di formazione di porosità da ritiro e problemi di porosità in generale, deve essere valutata tramite due criteri: il criterio feeding o porosity e il criterio Niyama, che indica le zone critiche per quanto riguarda la formazione di porosità da ritiro e di microporosità. 3) simulazione di stress, durante la quale si svolge il controllo delle cricche a caldo. Essedipendono dalla combinazione di fattori legati a: - proprietà del materiale (viscosità del metallo, temperature critiche, ecc.) - geometria del pezzo - condizioni di raffreddamento - forze esterne applicate Durante il processo di fonderia, è fondamentale controllare e ottimizzare ogni fase al fine di ottenere un prodotto finale di alta qualità e senza difetti. La simulazione numerica è uno strumento prezioso per prevedere e analizzare il comportamento del materiale durante il processo di fonderia, consentendo di effettuare modifiche e miglioramenti prima della produzione effettiva.

Morfologia della solidificazione

La solidificazione è il processo attraverso il quale un materiale fuso si trasforma in uno stato solido. Durante questo processo, possono verificarsi diverse morfologie, che dipendono da vari fattori come la composizione chimica del materiale, la temperatura di solidificazione e la velocità di raffreddamento.

Le principali morfologie della solidificazione sono:

• Dendriti: sono strutture ramificate che si formano quando il materiale solidifica in modo direzionale. Le dendriti sono tipiche dei materiali metallici e possono avere forme diverse, come ad albero o a stella.
• Grani equiaxiali: si formano quando il materiale solidifica in modo isotropo, cioè senza una direzione preferenziale. I grani equiaxiali sono generalmente più piccoli delle dendriti e possono avere forme irregolari.
• Segregazioni di elementi

Segregazioni di elementi

Durante la solidificazione, è possibile che alcuni elementi chimici si accumulino in determinate regioni del materiale solido. Questo fenomeno è chiamato segregazione di elementi.

La segregazione può essere causata da diversi fattori, come la differenza di solubilità degli elementi nel materiale fuso, la velocità di solidificazione e la presenza di impurità. Le segregazioni possono influenzare le proprietà del materiale solido, come la resistenza meccanica e la resistenza alla corrosione.