Progettazione per AM: Strumenti CAD, simulazione, Voxel e il futuro della progettazione AM

23 luglio 2025 | Tempo di lettura: 6 min

 

In una speciale registrazione dal vivo dal Rapid + TCT Show di Detroit, l'Additive Snack Podcast ha ospitato il perspicace Dr. Andreas Vlahinos, una vera mente del design nella produzione additiva (AM). Con una carriera lunga e ricca di riconoscimenti, il Dr. Vlahinos ha condiviso il suo punto di vista sull'evoluzione della progettazione per la produzione additiva (DfAM), gli entusiasmanti progetti che ha affrontato e la passione che continua ad alimentare il suo lavoro innovativo.

 

L'evoluzione della progettazione per la produzione additiva: Dal recupero all'innovazione guidata dalla simulazione

Il Dr. Vlahinos ha ricordato il periodo in cui i sistemi CAD parametrici consentivano agli ingegneri di creare progetti con complessità interne che la produzione tradizionale non era in grado di produrre. Poi, i progressi delle polveri, delle macchine e delle tecniche di scansione AM hanno superato le capacità di progettazione, consentendoci di costruire parti che non potevamo progettare. Questo ha stimolato un'evoluzione del CAD, con l'emergere di nuove aziende e strumenti che consentono di progettare geometrie complesse come le strutture reticolari, tra cui i giroidi, strutture a cui era stato introdotto negli anni '80 ma che non ha potuto utilizzare appieno fino a poco tempo fa.

Secondo il Dr. Vlahinos, il vero cambiamento negli ultimi tre anni è stato "l'enorme progresso nella progettazione guidata dalla simulazione". Ora è possibile eseguire l'analisi agli elementi finiti (FEA) su una parte solida, memorizzare i risultati e quindi utilizzare quei dati per variare, ad esempio, lo spessore di un giroide in base alle sollecitazioni residue o di von Mises.

Un ostacolo critico era l'interoperabilità tra la tradizionale geometria CAD di rappresentazione dei limiti e le geometrie basate su voxel generate da strumenti DfAM avanzati. Il recente cambiamento nella tecnologia di simulazione, che ha abbracciato approcci basati sui voxel, ha consentito la simulazione in tempo reale all'interno dell'ambiente di progettazione. I progettisti possono ora vedere i risultati della simulazione mentre progettano, consentendo modifiche immediate in base ai punti di stress.

 

Colmare il divario di conoscenze: strumenti e formazione

Nonostante questi progressi, la forza lavoro è rimasta spesso indietro. Il dottor Vlahinos ha attribuito questo fenomeno a diversi fattori: il rapido ritmo del miglioramento tecnologico ad ogni rilascio di software; il mondo accademico che non riesce a tenere il passo con questi nuovi strumenti; il processo burocratico di accreditamento dei nuovi corsi. Il risultato è che gli ingegneri si laureano senza conoscere queste capacità critiche del DfAM.

Per combattere questa situazione, l'industria si sta rivolgendo sempre di più alla formazione interna, just-in-time. L'anno scorso il dottor Vlahinos stesso ha formato 480 ingegneri della Lockheed Martin, molti dei quali non erano a conoscenza degli strumenti DfAM avanzati già disponibili all'interno del software esistente.

Personalmente utilizza strumenti come PTC Creo, con la sua progettazione integrata basata su voxel e Creo Simulation Live, e nTopology (ora nTop) per le sue potenti capacità di modellazione implicita, che consentono la creazione di vaste strutture reticolari e operazioni uniche come la fusione di giroidi con il CAD solido o lo shelling di giroidi per strutture a doppia parete. Pur essendo potente, l'esperto osserva che l'usabilità e l'interoperabilità di nTop, pur migliorando, presentano ancora delle sfide.

Impatto sulla vita umana: Il progetto di impianto del femore

Quando gli è stato chiesto di parlare dei suoi progetti recenti più interessanti, il dottor Vlahinos ha evidenziato un caso medico di grande impatto risalente a circa due anni prima. Una giovane donna affetta da cancro al femore aveva bisogno di un impianto entro una settimana per evitare l'amputazione.

Si trattava di imparare rapidamente a elaborare i dati DICOM di una TAC per generare un STL, convertirlo in un modello solido, resecare virtualmente l'osso canceroso, progettare l'impianto con staffe integrate e incorporare strutture reticolari a base radiale per l'osteointegrazione, il tutto garantendo un canale per il chiodo chirurgico.

L'impianto è stato stampato e impiantato con successo e il paziente ha potuto camminare senza zoppicare nel giro di due settimane. Sebbene questo "lavoro d'amore" sia stato più gratificante di qualsiasi progetto retribuito, il dottor Vlahinos ha notato la natura conservatrice del settore medico, sperando in una maggiore apertura alle innovazioni abilitate dalla DfAM, come gli impianti incernierati.

Creazione di reticoli gyroidali a 8 elementi

Il processo di progettazione degli scambiatori di calore: Un'immersione profonda

Il dottor Vlahinos ha poi illustrato il suo meticoloso processo di progettazione di scambiatori di calore fabbricati in modo additivo: 

  1. Fattibilità ("Potrei, dovrei"): Può essere stampato all'interno della busta? Il materiale è disponibile? Abbiamo accesso alla stampante? E poi, cosa fondamentale, ha senso dal punto di vista economico rispetto ai metodi tradizionali (ad esempio, tubo e guscio o piastra brasata)? Ciò comporta un'analisi del costo totale di proprietà, considerando fattori come la durata a fatica e la manutenzione.
  2. Obiettivi di performance e biblioteca digitale: Quali prestazioni sono necessarie? Il Dr. Vlahinos mira ad almeno raddoppiare le prestazioni della soluzione esistente. L'obiettivo è creare un gemello digitale: un modello come progettato e un modello come stampato (compresi orientamento, supporti, possibilità di lavorazione) memorizzati in un sistema PLM per la stampa on-demand.
  3. Progettazione iniziale e CFD: identificare gli ingressi e le uscite, definire un volume di confine di grandi dimensioni ed eseguire l'analisi CFD su questo volume con le temperature e le pressioni di ingresso e uscita di base. Le strutture TPMS, spesso utilizzate, hanno intrinsecamente una bassa caduta di pressione.
  4. Modellazione guidata dal flusso: Le linee di flusso risultanti dalla CFD guidano il posizionamento del materiale, ritagliando regioni di ricircolo e definendo il volume di base dello scambiatore di calore.
  5. Trasferimento di calore coniugato ed efficienza: Una volta definito il volume del solido, eseguire l'analisi del trasferimento di calore coniugato per determinare le temperature e le pressioni all'interno e calcolare l'efficienza dello scambiatore di calore.
  6. Esplorazione e ottimizzazione del progetto: Se l'efficienza è bassa, si esplorano parametri come la dimensione della cella unitaria e il tipo di reticolo. Si utilizza un approccio DOE (Design of Experiments), eseguendo più configurazioni. I risultati vengono visualizzati (ad esempio, diagrammi paralleli, fronti di Pareto) per identificare i progetti ottimali.
  7. Produttività e collaborazione: Una volta presentato il progetto ottimizzato alla produzione, si affrontano vincoli come la rimozione della struttura di supporto, le tolleranze di lavorazione e i dati per la post-elaborazione. Le considerazioni sulla produzione, come lo spessore minimo della parete stampabile, vengono riportate nelle gamme DOE.
  8. Simulazione del processo produttivo: L'analisi del grafico dell'area rispetto all'altezza può rivelare brusche variazioni della sezione trasversale che potrebbero causare problemi, inducendo a modificare il progetto, ad esempio con piastre ondulate o elementi a rampa.

 

Ispirare la prossima generazione (e quella attuale)

Per i progettisti che si avvicinano per la prima volta all'AM o che hanno difficoltà ad affrontarla, il Dr. Vlahinos consiglia che la formazione debba essere fonte di ispirazione, non solo di informazioni.

Inizia i suoi corsi DfAM mostrando i brillanti progetti della natura: come gli alberi utilizzano l'ottimizzazione topologica o come le ali delle farfalle raggiungono lunghe campate con strutture sottili.

Fornisce quindi "semi" per l'innovazione, come l'incorporazione di tubi di calore all'interno dello chassis delle schede elettroniche, progettando cavità interne, aggiungendo alcune gocce d'acqua e sigillandole. La parte più difficile, secondo lui, è superare la mentalità radicata in 150 anni di progettazione per la produzione sottrattiva.

Le intuizioni del Dr. Andreas Vlahinos dipingono un quadro vivace di un campo in rapida evoluzione, dove strumenti sofisticati, processi rigorosi e, soprattutto, una mentalità collaborativa sbloccano il pieno potenziale dell'AM.

 

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