ottimizzazione topologica e stampa 3d metallo case study

Stampa 3D a metallo e ottimizzazione topologica: così Additive Italia svolta nel settore della robotica industriale

Ci sono ditte aperte da mezzo secolo che evolvono grazie alle innovazioni delle nuove start-up, migliorando la qualità dei macchinari e riducendo lo spreco in fase di produzione. Il successo di Additive Italia, società bergamasca specializzata in simulation driven engineering, si deve alla scelta di utilizzare le tecnologie di stampa 3D a metallo e non solo, in combinazione con il metodo di progettazione additiva DfAM (Design for Additive Manufacturing) con le tecniche di ottimizzazione topologica.

Grazie a questo i produttori possono beneficiare di una serie di incredibili vantaggi – dallo sviluppo di geometrie complesse all’uso di strumenti di progettazione generativa per l’ottimizzazione strutturale delle parti – ed è possibile creare componenti che altrimenti sarebbe troppo difficile o costoso realizzare con metodi di produzione tradizionali.

Additive Italia, inoltre, è stata una delle prime realtà europee ad installare la tecnologia di stampa 3D a metallo Studio System di Desktop Metal e a puntare sul design for additive manufacturing sfruttando le capacità avanzate dell’ottimizzazione topologica.

ottiimizzazione topologica + stampa 3D metallo pinza robot
Pinza in acciaio per braccio robotizzato stampata in 3D, ottenuta da Additive Italia applicando l’ottimizzazione topologica.

L’ottimizzazione topologica permette di modificare, tramite software come nTopology, la geometria del componente per ottenere una distribuzione ottimale del materiale, alleggerire il pezzo e massimizzarne le prestazioni.

Una tecnica di progettazione additiva, quella dell’ottimizzazione topologica, che consente ampia libertà di design, rapidità di realizzazione e un alto grado di personalizzazione: pertanto è il complemento perfetto alla produzione con i sistemi di stampa 3D, a metallo e non solo.

Con l’ottimizzazione topologica del pezzo il materiale viene utilizzato solo dove necessario, senza usarne un grammo di troppo e mantenendo elevate le prestazioni del componente.

Tutto questo si traduce in “meno costi, meno sprechi, più sostenibilità”.

Gli esempi di chi, in partnership con Additive Italia, abbia profondamente migliorato la propria produzione, non mancano.

Per quale motivo conviene a tutte le industrie manifatturiere, produttori di macchine di automazione e aziende di meccanica, avvalersi delle tecnologie additive, abbinate all’uso di progettazione generativa, ottimizzazione topologica e design for additive manufacturing?

ottimizzazione topologica pinza robot
Grazie all’ottimizzazione topologica con nTopology, Additive Italia ha ottenuto l’alleggerimento della pinza robot

Il caso Preziosa Francesco Srl: un braccio meccanico ancora più solido con la stampa 3D a metallo

La ditta Preziosa Francesco di Bagnatica, nel Bergamasco, dal 1969 lavora il metallo. Progetta e realizza cabine di protezione per contatori gas ed acqua, valvole d’intercettazione, collettori di impianti di riscaldamento, caldaie murali, impianti di riduzione gas. Additive Italia ha progettato per la ditta un gancio porta-molla da applicare alla pannellatrice: un componente che, accoppiato ad un ingranaggio e ad una molla, controlla la rotazione del manipolatore per la lavorazione delle lamiere.

Progettarlo tramite DfAM e stamparlo in 3D in acciaio 17-4 PH (inossidabile martensitico) con stampanti 3D Desktop Metal, ha garantito un risparmio irrinunciabile e una maggiore affidabilità.

Le statistiche, fornite dalla stessa Preziosa Francesco, non mentono: solo quattro giorni per la consegna, anziché un minimo di sette. Un materiale di altissima qualità e non semplice ferraglia. Un costo di 15 euro anziché 60: il 75% di risparmio.

E, se non fosse abbastanza, il gancio frutto delle stampanti 3D a metallo Desktop Metal è anche più performante. In quattro giorni appena vengono prodotti 6 campioni pronti per essere montati. Non è necessaria una post-lavorazione aggiuntiva. Il design può essere modificato a piacimento per una maggiore resistenza. Per monitorare il comportamento in situazione di stress, i cicli vengono registrati quotidianamente con una media di 3 mila al giorno. Attualmente ne sono stati eseguiti un milione sul primo esemplare, dimostrando sin qui una durata superiore di almeno tre volte rispetto al componente originale.

Sempre la ditta Preziosa Francesco utilizza la pinza robot: un braccio meccanico che, tramite due coppie di pinze, trasporta piccole lamiere alla pressa piegatrice, le mantiene in posizione durante la lavorazione di piegatura e le ripone nelle apposite ceste di stoccaggio.

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La coppia di pinze in acciaio riprogettate da Additive Italia applicando il DfAM

La necessità in questo caso era quella di aumentarne la capacità di presa.

“Fin da subito – racconta Gianluigi Rossi, Application & Process engineer di Additive Italia – abbiamo deciso di creare questo piccolo progetto con il software nTopology, che permette tramite le tecniche di DfAM, di avere il controllo diretto e completo su ogni aspetto nella fase di progettazione. Abbiamo optato, tra le tante scelte, per una struttura reticolare esagonale: consentiva di risparmiare massa aumentando il grip.

In questo nTopology è stato decisivo, soprattutto il toolkit “lattice structure”. In seguito, attraverso la tecnologia di stampa 3D a metallo Studio System di Desktop Metal, sono state verificate fattibilità e tolleranze”.

Ed ecco, dalla stampante 3D, il set di due paia di pinze, perfette, dal design più leggero, da montare direttamente sul robot.

Il peso è di soli 117 grammi, rispetto ai 170 delle pinze “vecchio stampo”, è realizzabile in 4 giorni anziché in due settimane ed il materiale, acciaio 17-4 PH, è tra i migliori.

Qui entra in gioco l’ottimizzazione topologica, effettuata sulla “pinza robot” per ridurne ulteriormente volume e massa. Con il software di progettazione nTopology, in un paio d’ore, è stato possibile ottenere due versioni diverse del progetto, in cui è stato variato il parametro di density threshold. Con la tecnologia di stampa 3D a metallo Studio System di Desktop Metal sono stati stampati i due test iniziali. La massa finale è di 50 grammi. Meno della metà dei 117 dopo la prima stampa, senza il bisogno di lavorazioni meccaniche.

ottimizzazione topologia pinza robot con nTopology
Additive Italia ha ottenuto un ulteriore alleggerimento della pinza robot con un significativo risparmio di materiale applicando una ulteriore ottimizzazione topologica con il software nTopology.

Il caso Cifarelli Spa: il nuovo gancio scuotitore per uso agricolo

Un altro esempio di vantaggi ottenuti con l’uso della stampa 3D a metallo lo fornisce la ditta Cifarelli di Voghera, leader nella vendita di attrezzature per l’agricoltura ed il giardinaggio. Il gancio scuotitore di Cifarelli è il migliore per la coltivazione di alberi di ulivo, consentendo la raccolta di oltre 2 tonnellate di olive al giorno senza danneggiare l’albero o le sue gemme.

Sebbene venga normalmente prodotto in lotti di circa mille pezzi tramite fusione a freddo dell’alluminio, Cifarelli ha anche la necessità di produrre volumi più bassi di ganci, personalizzati per clienti, tipologia di frutti e regioni specifiche. Tuttavia, a causa del costo di investimento per l’attrezzatura, i ganci scuotitori personalizzati non possono essere prodotti in modo economico per bassi volumi.

Alla ricerca di un metodo di produzione meno dispendioso per i ganci personalizzati, Cifarelli si è rivolta ad Additive Italia, avviando un progetto di R&D. La stampa 3D sarebbe stata realizzata in acciaio, per questo Additive Italia, sfruttando le tecniche di ottimizzazione topologica, ha ripensato le geometrie, al fine di poter garantire che la nuova struttura non fosse più pesante del componente originale in alluminio. Un peso ridotto è essenziale per ridurre le sollecitazioni sul motore.

Da qui, grazie all’ottimizzazione topologica, la tecnologia Studio System di Desktop Metal ha reso possibile la stampa 3D di prototipi funzionali, impossibili da realizzare con metodi tradizionali. Un gancio ridisegnato che, pur pesando lo stesso degli originali in alluminio, è molto più durevole e con una struttura perfettamente ottimizzata per il tipo di applicazione.

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Il nuovo design ottenuto attraverso l’ottimizzazione della topologia e l’ingegneria basata sulla simulazione, sfrutta la resistenza dell’acciaio con un peso pari alla parte originale in alluminio.

Come spesso accade, nell’ambito della produzione industriale, macchine e componenti possono essere impossibili da creare con i metodi tradizionali, o comunque costosissimi e dispendiosi in termini di tempo.

Qui la stampa 3D, insieme alle tecniche di design for additive manufacturing, progettazione generativa ed ottimizzazione topologica, rappresenta davvero un vantaggio competitivo.

L’aspetto chiave di aziende come Additive Italia è proprio la progettazione secondo i criteri dell’additive manufacturing. Un servizio in costante evoluzione, grazie alla collaborazione con aziende come nTopology, Desktop Metal e fornitori di soluzioni di stampa 3D industriali come Energy Group.

Tempi più rapidi, leggerezza dei pezzi, spesa minore, sostenibilità. Le due aziende analizzate lo dimostrano. Non c’è alcun motivo di fermarsi e rimanere nel passato.

Cinzia M.

Marketing and communication manager at Energy Group - Curiosa della stampa 3D, ho inziato seguirla nel 2006 avvicinandomi ai sistemi professionali Stratasys - In precedenza mi sono occupata di software CAD come technical specialist.

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