Riassunto analitico
Per Additive Manufacturing si intende l’insieme di processi in cui, partendo da un modello 3D del componente da realizzare, si ottiene il pezzo finito mediante meccanismi di sovrapposizione di strati di materiale, in opposizione alle convenzionali tecnologie di produzione sottrattiva.
Inizialmente tali processi vennero classificati sotto la dicitura ‘Rapid Prototyping’, poiché i principali campi di applicazione furono la creazione di prototipi, in prima battuta soltanto estetici successivamente anche funzionali, del componente che si voleva studiare.
Negli ultimi anni le tecnologie di produzione additiva hanno ricevuto notevole interesse perché, grazie agli sviluppi che sono stati apportati, si è resa possibile la produzione di componenti che possiedono caratteristiche paragonabili a quelle degli analoghi componenti realizzati con tecnologie tradizionali, sia dal punto di vista delle proprietà meccaniche che nel mantenimento delle tolleranze richieste e della finitura superficiale desiderata. Ad oggi pertanto per la realizzazione dei componenti è possibile sfruttare i vantaggi che tali tecnologie offrono, ovvero la libertà di progettazione, l’integrazione con metodologie di ottimizzazione topologica, la possibilità di creare dei componenti multi-materiale ed il ridotto time to market che assicurano tali processi.
Di particolare interesse per i settori automobilistico ed aeronautico è la realizzazione di componenti in materiale metallico, solitamente prodotte tramite tecnologia Powder Bed Fusion, in cui una sorgente di energia localmente fonde il materiale, posto in forma di polvere, al fine di ottenere la sezione desiderata del pezzo da realizzare.
Nell’ottica della creazione di componenti tramite tale processo produttivo si inquadra la simulazione di processo, strumento di recente introduzione, che permette di valutare i fenomeni meccanici e termici agenti nel processo di produzione del componente, in modo tale da correggere eventuali criticità che potrebbero presentarsi durante la produzione effettiva dello stesso, a tutto vantaggio dei costi e dei tempi di produzione.
In tale documento verrà presentato il lavoro svolto presso il centro Metal Additive dell’azienda modenese HPE-Coxa, realtà di spicco nel settore automotive, proprio nell’ambito della simulazione di processo. L’attività eseguita si concentra sull’analisi, la modellazione e la successiva verifica dei parametri che gestiscono la simulazione del processo Powder Bed Fusion all’interno dell’ambiente Simufact.Additive, attualmente uno dei software di maggior crescita in tale ambito.
Più nel dettaglio, in tale lavoro verrà mostrato quanto segue:
• Valutazione del comportamento meccanico della piattaforma di lavoro
• Valutazione del comportamento meccanico delle strutture di supporto
• Valutazione dei parametri di macchina e del materiale
• Modellazione dell’efficienza complessiva del processo
• Modellazione del coefficiente di scambio termico conduttivo
• Modellazione del coefficiente di scambio termico convettivo naturale
Quanto riportato viene analizzato in un caso studio di un componente per applicazioni automotive in AlSi10Mg, e per la verifica della bontà del lavoro eseguito si effettua un confronto con la scansione del componente effettivamente realizzato, tramite software GOM Inspect.
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Abstract
With the term Additive Manufacturing we classify those production processes in which, starting from a 3D model of the component to be produced, the final part is obtained through the juxtaposition of layers of material, as opposed to conventional subtractive production technologies.
Initially these processes were classified under the heading 'Rapid Prototyping', since the main field of application was the creation of prototypes, mainly aesthetical, of the component that we wanted to produce.
Nowadays with the additive manufacturing technologies it’s possible to produce components that can be also functional, and with properties that are comparable with the ones of the traditional technologies in terms of mechanical properties and surface finish required, so for the production of the components it is now possible to exploit the advantages that such technologies offer in terms of freedom of design, integration with topological optimization methods, the possibility of produce multi-material components and the reduced time to market.
The automotive and aerospace fields nowadays looks with particular interest at the production of metal components with the Powder Bed Fusion technology, that is a process in which a source of energy locally melts the material, in powder form at the beginning, in order to create the desired 2D section of the part to be produced, and then with the juxtaposition of the sections the final product is obtained.
In order to improve the quality of the components produced with the Powder Bed Fusion technology, nowadays we can use the process simulation, which is a tool that allows to evaluate the mechanical and thermal phenomena that are present in the effective component production process, in order to correct any problems that may arise during the actual production of the part, and helping to reduce the production times and costs.
With this document I’ll present the work done at the Metal Additive department of the Modena-based company HPE-Coxa, a leading company in the automotive sector, precisely in the field of process simulation. The activity performed focuses on the analysis, modeling and subsequent verification of the fundamental parameters for the simulation of the Powder Bed Fusion process within the Simufact.Additive environment, currently one of the most reliable software in this field.
More in detail, in this work the following will be shown:
• Evaluation of the mechanical behaviour of the work platform
• Evaluation of the mechanical behaviour of the support structures
• Evaluation of the machine and material parameters
• Modeling of the overall efficiency of the process
• Modeling of the conductive heat transfer coefficient
• Modeling of natural convective heat transfer coefficient
The research shown in the previous section were analysed in a case study of a component for automotive applications in AlSi10Mg, and for the verification of the goodness of the work performed, a comparison is made with the scan of the realized component, using GOM Inspect software.
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