La produzione additiva, come oramai ben noto  produce degli oggetti aggiungendo materiale anziché sottraendolo o fondendolo. Gli oggetti si realizzano depositando metalli o polimeri strato su strato invece di ricavarli mediante lavorazioni di forgiatura, stampaggio a iniezione, colata o asportazione di truciolo. 

Nelle fasi iniziali della produzione additiva e’ stata data poca importanza alla fase  progettuale, usando modelli 3D pensati per la produzione tradizionale e non progettati ad hoc per quella additiva. Il problema di questo modo di procedere e’ pero’ quello di non sfruttare le vere potenzialità di questa tecnologia: cioè quella di creare delle geometrie inedite che con i metodi tradizionali sarebbero state impossibili da realizzare, e/o troppo costose e/o che avrebbero richiesto troppo tempo.

Quando si tratta di andare oltre la semplice prototipazione rapida per entrare nel campo della produzione additiva (ovvero la costruzione di pezzi finali e definitivi), non è consigliabile pensare di impiegare dei modelli 3D che non siano stati concepiti appositamente per la produzione additiva sin dai primi passi del loro sviluppo. 

Ad esempio, la produzione additiva consente di realizzare oggetti più leggeri a parità di resistenza meccanica. Questi oggetti sono dunque perfetti per applicazioni dove il peso gioca un ruolo fondamentale, come ad esempio nel racing o nell’aerospaziale. E qui che entrano in gioco l’ottimizzazione topologica ed altre peculiarità proprie della progettazione per la produzione additiva.
Sintetizzando:  I progettisti devono dunque iniziare a progettare davvero in additivo.

Naturalmente i progettisti hanno bisogno dei giusti strumenti e soprattutto competenze per poterlo fare.

Progettisti, ingegneri e designer dovranno dunque conoscere le linee guida per la progettazione di parti realizzate in Additive Manufacturing e avere la completa padronanza degli strumenti software che ne consentono la modellazione, l’analisi strutturale, topologica e di processo.

Oggi molte sono le opportunità hardware e software già presenti sul mercato. Quello che potrà però realmente creare valore e diversificazione per le aziende sarà’  la capacità di sapere progettare e pensare un prodotto per l’additive manufacturing fin dall’inizio del suo ciclo di sviluppo.

LA VERA SFIDA SARÀ IL CAMBIAMENTO DELLA METODOLOGIA DI  PROGETTAZIONE


La Produzione Additiva consente una grande libertà nell’ideazione del pezzo, estendendo indefinitamente la gamma di geometrie e complessità realizzabili, rimuovendo vincoli di progettazione e di lavorazione, in un’ottica di prototipazione rapida o di piccole serie.

Ma il passaggio ad un metodo additivo è più un passaggio culturale che tecnologico, nel senso che è possibile ragionare in ottica additiva solo prendendo una completa padronanza dei software di simulazione ed ottimizzazione. Software che peraltro sono già da tempo presenti sul mercato anche se in continua evoluzione. 

La Stampa 3D non e’ dunque la soluzione finale ma solo parte della la soluzione. I grossi benefici ed i vantaggi che possono derivare dalla Stampa 3D in termini di nuova produzione possono essere raggiunti solo focalizzandosi sugli strumenti di simulazione e testing additive oriented. 

Sintetizzando quello che potrà realmente creare valore e diversificazione per un’azienda sara’ la capacità di progettare e “pensare in additivo” fin dall’inizio del ciclo di sviluppo del prodotto”.

Per riuscire dunque a valorizzare appieno il potenziale complessivo della produzione additiva sarà necessario un ripensamento radicale delle modalità e dell’approccio alla progettazione. Simulazione e ottimizzazione topologica si riveleranno  i concetti cardine per poter mettere a punto la nuova logica di sviluppo prodotto.

MAGGIORE FLESSIBILITÀ CON LA STAMPA 3D

La disponibilità dell Additive Manufacturing (AM) offre a chi progetta un nuovo e ben più ampio spazio di concezione e realizzazione. 

Generalmente le tecnologie additive offrono nuove possibilità per la customizzazione, per l’incremento/ottimizzazione delle performance di prodotto, per la multifunzionalità, per la riduzione di tempi e costi di fabbricazione e assemblaggio. 

Le tecnologie additive si riferiscono quindi a situazioni e casi caratterizzati da complessità di forma, complessità di materiale, complessità funzionale, permettendo nuove strategie di progettazione.

Vogliamo ad esempio evidenziare:

  • L’ottimizzazione delle funzionalità, come la minimizzazione della massa e la ottimizzazione topologica e topografica senza vincoli sulla forma;
  • L’adozione di strutture cellulari, e quindi la variazione locale della densità con strutture reticolari non necessariamente regolari, e non necessariamente con materiale omogeneo o costante, per massimizzare le caratteristiche meccaniche minimizzando il materiale impiegato e il tempo di produzione;

  • La deformabilità locale e ben definita (compliance), che permette di sostituire assemblaggi di più parti (tipicamente catene cinematiche) con pezzi unici che abbiano dei precisi e ben dimensionati punti di deformazione e che offrano, per esempio, la stessa funzionalità di una cerniera realizzata però in un unico pezzo; quindi senza problemi di giochi, usura e assemblaggi;

  • La possibilità di realizzare componenti logicamente unici in un unico pezzo fisico eliminando assemblaggi lunghi e complessi necessari per problemi di accessibilità.


Non dobbiamo però dimenticarci che l’’enorme opportunità e i vantaggi  dell’AM risiedono nella progettazione, non nella produzione. La disponibilità dell Additive Manufacturing (AM) offre, infatti, a chi progetta un nuovo e ben più ampio spazio di concezione e realizzazione e pone quindi delle questioni fondamentali:

  • Generalmente le tecnologie additive offrono nuove possibilità per la customizzazione, per l’incremento/ottimizzazione delle performance di prodotto, per la multifunzionalità, per la riduzione di tempi e costi di fabbricazione e assemblaggio.
  • L’ottimizzazione delle funzionalità, come la minimizzazione della massa e la ottimizzazione topologica e topografica senza vincoli sulla forma;
  • L’adozione di strutture cellulari, e quindi la variazione locale della densità con strutture reticolari non necessariamente regolari, e non necessariamente con materiale omogeneo o costante, per massimizzare le caratteristiche meccaniche minimizzando il materiale impiegato e il tempo di produzione;
  • La deformabilità locale e ben definita (compliance), che permette di sostituire assemblaggi di più parti (tipicamente catene cinematiche) con pezzi unici che abbiano dei precisi e ben dimensionati punti di deformazione e che offrano, per esempio, la stessa funzionalità di una cerniera realizzata però in un unico pezzo; quindi senza problemi di giochi, usura e assemblaggi;
  • La possibilità di realizzare componenti logicamente unici in un unico pezzo fisico eliminando assemblaggi lunghi e complessi necessari per problemi di accessibilità.

Cercando di sintetizzare possiamo dire che la disponibilità di un processo di produzione – che in modo additivo produce l’oggetto “globalmente”, invece che ottenerlo per deformazione o per sottrazione di materiale, con i grossi vincoli alla geometria ottenibile rispetto a quella teoricamente necessaria – scardina totalmente le due assunzioni che sono state da sempre, e sono tuttora, alla base del processo di progettazione a cui siamo abituati e usiamo continuamente:

  • un materiale unico e omogeneo per caratteristiche fisiche e chimiche con proprietà e prestazioni sostanzialmente uniformi per ogni singolo pezzo;
  • una forma/morfologia limitata dettata dalla modalità di produzione: per deformazione e/o per asportazione di truciolo.

Con le tecnologie additive questi limiti scompaiono e si possono quindi pensare e ideare e produrre pezzi con forme decisamente “non tradizionali” con il materiale che cambia caratteristiche fisico-chimiche da punto a punto e quindi senza problemi per quanto riguarda la complessità, la forma esterna e la struttura interna.

Per raggiungere questi obiettivi dobbiamo però mettere in discussione il modo di progettare e gli strumenti da usare,  attraverso un riesame critico e radicale del metodo fin qui adottato.

Possiamo osservare che tutte le varie generazioni di strumenti CAD ( Computer Aided Design) aiutano nella fase di documentazione oggettiva del risultato non tanto o per nulla nella fase di creazione della potenziale soluzione.
Le tecniche di simulazione, integrate con quelle di ottimizzazione, in particolare topologica, permettono invece di ribaltare il processo in modo molto più efficace perché, partendo dalla definizione degli obiettivi e dei vincoli, generano forme che ottimizzano la forma rispetto agli obiettivi specificati e ai vincoli imposti.
Quindi i nuovi sistemi di supporto alla progettazione (detti “simulation based”) propongono soluzioni progettuali ottimali orientate agli obiettivi e rispettose dei vincoli. Non prendendo in considerazione i forti vincoli imposti dalle limitazioni dei sistemi di produzione tradizionali le forme risultanti sono molto più “leggere” e molto “organiche”, normalmente non producibili con i sistemi di produzione tradizionali.
Abbiamo, inoltre, una eccellente opportunità: trarre vantaggio dalla disponibilità di metodi e tecniche di ottimizzazione sviluppate da più di 20 anni, e finora relegate in applicazioni di nicchia, per l’ottimizzazione di soluzioni tecniche (forme) definite con i metodi tradizionali precedentemente descritti, in particolare i metodi e gli strumenti per l’Ottimizzazione Topologica.
La metodologia dell’ottimizzazione topologica diventa dunque il cardine del nuovo metodo di progettazione, portando la simulazione nella fase iniziale del progetto “suggerendo” forme ottimali in base agli obiettivi prefissati e ai vincoli geometrici esistenti del tutto fattibili con le metodologie additive, senza sottostare a vincoli a priori di forme “macchinabili” secondo i processi tradizionali, ma del tutto fattibili con le metodologie additive.
Questo nuovo approccio progettuale, centrato sugli strumenti di ottimizzazione topologica, permette infatti di esplorare tutto lo spazio delle possibili soluzioni giocando sulla variazione di obiettivi e vincoli per quanto riguarda la forma e la omogeneità del materiale, con il non marginale risultato di acquisire direttamente e facilmente la sensitività dei singoli vincoli e constraint rispetto agli obiettivi di progetto.