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

di Umberto Cugini

Con l’affermazione del paradigma 4.0 le tecnologie di fabbricazione additiva sono diventate oggetto di una attenzione senza precedenti. Da parte delle persone meno esperte ci si potrebbe convincere che si tratti di una tecnologia rivoluzionaria e dirompente. Va invece ricordato che le tecniche additive per la produzione di oggetti esistono da più di 30 anni e che i brevetti iniziali più rilevanti, ormai scaduti, rendono la tecnologia relativamente semplice e riproducibile.

Nel settore industriale principalmente orientato alla realizzazione di parti metalliche questa “rivoluzione” genera però obiezioni e distinguo su vari aspetti della “nuova” tecnologia che non sono ritenuti ottimali se confrontati con i processi tradizionali di deformazione o asportazione quali: dimensioni, precisione, stato superficiale (rugosità), qualità e affidabilità del materiale (in termini metallurgici). Tutto ciò nell’ipotesi, del tutto fuorviante, di una comparazione uno a uno su qualità e convenienza di parti prodotte con le due tecnologie: tradizionale e additiva.

Da questo punto di vista, la convenienza di adottare l’AM si restringe alle sole nicchie di mercato di piccole e piccolissime produzioni di parti che richiedono attrezzature (tipicamente stampi) da ammortizzare sulla quantità della produzione, anche se bisogna comunque mettere in conto una finitura per asportazione di truciolo per ottenere precisioni e qualità superficiale richieste.

Ma attenzione, quello che non viene sottolineato a sufficienza è 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:

  • Il dominio delle soluzioni progettuali resta lo stesso o cambia?
  • Come cambia il modo di progettare?
  • Quali strumenti di supporto esistono e/o saranno disponibili?

Cominciamo col primo quesito. 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. Si riferiscono quindi a situazioni e casi caratterizzati da complessità di forma, complessità di materiale, complessità funzionale, permettendo nuove strategie di progettazione che includono :

  • 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.

Questa libertà e potenzialità ci porta immediatamente alle successive domande ovvero come cambia il modo di progettare e il tipo strumenti da utilizzare?

Mettere in discussione il modo di progettare e gli strumenti da usare implica un riesame critico e radicale del metodo fin qui adottato. E questo ha implicazioni importanti non solo sul processo di progettazione, ma anche per quanto riguarda gli aspetti organizzativi, economici e soprattutto di conoscenze e abilità dei progettisti, e ci porta a chiedere: “Ha ancora senso utilizzare i metodi e gli strumenti tradizionali e ben consolidati che ci supportano per il calcolo e la simulazione di forme che localmente sono geometricamente semplici in quanto condizionate dai processi tradizionali di fabbricazione fino ad ora utilizzati?”.

Il paradigma tradizionale della progettazione meccanica si basa su un processo che parte da una definizione di specifiche e obiettivi da raggiungere, vincoli solo in parte formalizzati quantitativamente e in modo coerente e completo, che vengono poi “interpretate” dal progettista che, sulla base della sua esperienza e delle sue conoscenze, arriva a definire in termini essenzialmente di forma una o più possibili soluzioni con l’ausilio di strumenti CAD che di fatto generano un modello geometrico nominale della/delle soluzioni potenziali che poi sono il riferimento per una serie di simulazioni atte a verificare le caratteristiche, le funzionalità e il comportamento fisico a fronte di situazioni ritenute limite per garantirne la validità.


Le Nuove Frontiere della Manifattura Additiva | 20 GIUGNO 2018

 L’evento di NewsImpresa dedicato a stampa 3D e manifattura additiva presso il Laboratorio TE.SI.

OBIETTIVO  – Permettere alle aziende e ai professionisti del settore di confrontarsi con esperti della progettazione ingegneristica e acquisire le conoscenze ed esperienze maturate nel Centro di Eccellenza del TE.SI., individuando nuove tecniche e metodologie di produzione ingegneristica/industriale così come innovativi modelli di business.


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.

Le tecniche di manifattura additiva si prestano benissimo alla produzione di queste forme con un costo che è essenzialmente proporzionale al volume.

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.

Questa metodologia – utilizzata come tutte le metodologie di analisi a valle della progettazione per verificare la validità e l’efficienza della soluzione rispetto all’obiettivo da ottimizzare  – diventa 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.

Abbiamo, quindi, già un metodo che permette di usare la simulazione per indirizzare la progettazione subito nella fase di concept in funzione di una soluzione ottimale del problema progettuale definito, con l’enorme vantaggio di poter acquisire e accumulare conoscenza oggettiva ed esperienza in tempi molto rapidi.

Il nuovo metodo, 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.

Siamo quindi nella felice condizione di disporre già degli strumenti di supporto alla progettazione per l’AM: pronti, robusti, ampiamente collaudati e supportati.

Per cogliere da subito le enormi opportunità e tutti i vantaggi offerti dalla disponibilità delle tecnologie di Additive Manufacturing basta solo cambiare approccio e mentalità perché tutto il resto è già disponibile e da subito.