Più conveniente di un pezzo fresato

L'apripista per la stampa 3D nella produzione automobilistica di serie.

Con circa il 50 percento di riduzione dei costi e il 35 percento di peso in meno rispetto all'equivalente pezzo fresato, la riprogettazione del braccio cerniera nella portiera di un'auto sportiva di alto profilo rivela che l'innovazione tramite produzione additiva è economicamente conveniente! Ciò è reso possibile dell’adozione dei metodi di progettazione basati sulla stampa 3D ideati dagli specialisti del centro di ricerca Fraunhofer IAPT.





I vantaggi della produzione additiva (AM, Additive Manufacturing) emergono prepotentemente quando i componenti vengono progettati da zero appositamente per questo processo. Si tratta di un fatto ben noto da tempo. Ma che tale approccio, abbinato ad altre misure di ottimizzazione, possa influenzare positivamente sia le caratteristiche tecniche che i costi del componente finito, può sorprendere anche molti esperti del settore.

Come esempio concreto, Fraunhofer IAPT ha effettuato una riprogettazione di una cerniera della portiera di un'auto sportiva per identificare, passo dopo passo, tutti i fattori che influenzano il costo di un componente.

Aiutati da uno speciale strumento software sviluppato da 3D Spark (che nel frattempo è diventata una spin-off di successo), gli ingegneri di Fraunhofer hanno innanzitutto identificato un componente adatto.

Nella fase iniziale della progettazione, gli esperti hanno quindi determinato l'orientamento del componente che permetteva di minimizzare i costi della stampa 3D. Con questo orientamento ottimizzato è stato possibile, ad esempio, ridurre al minimo le strutture di supporto richieste, massimizzando al contempo il numero di componenti che potevano adattarsi a una stessa piattaforma di costruzione. L'orientamento dei componenti così identificato porta a un risparmio sui costi del 15% rispetto a un processo di produzione additiva non ottimizzato.

Nella fase successiva, la struttura del braccio della cerniera è stata ottimizzata in modo mirato, sfruttando uno dei vantaggi della produzione additiva, che permette di ottenere pezzi con geometrie completamente nuove. Ciò ha conferito al componente una forma di base che conteneva materiale esclusivamente nei punti in cui le tensioni meccaniche simulate lo richiedevano. Complessivamente, il peso del braccio della cerniera della porta si è ridotto del 35%. E, grazie ai minori requisiti sui materiali e ai tempi di stampa più brevi, i costi rispetto alla stampa 3D senza ottimizzazione strutturale sono diminuiti di un altro 20%.

Qualsiasi struttura di supporto che non debba essere rimossa fa risparmiare tempo. Pertanto, viene tagliata una porzione significativa dei costi sostenuti nella fase altamente manuale di post-produzione. La riduzione del numero di strutture di supporto nella progettazione ha anche un effetto positivo sui tempi di produzione e sui requisiti di materiale, che riduce nuovamente i costi del 10%. L'accurata selezione del miglior materiale in polvere di metallo dalla gamma sempre più ampia di materiali stampabili in 3D consente di ridurre i costi di un altro 10%.

La regolazione dei parametri di processo di produzioni additiva offre ulteriori possibilità per ridurre i costi. Ad esempio, uno spessore maggiore dello strato durante la stampa, l'ottimizzazione dei parametri di processo e la deformazione del profilo del raggio laser riducono notevolmente i tempi di costruzione. Sebbene ciò comporti una leggera perdita di qualità dei pezzi (comunque superiore a quella dei pezzi tradizionali), consente nondimeno di ridurre i costi di stampa di un ulteriore 15%. L'ottimizzazione dell'utilizzo della macchina mediante il nesting e, se necessario, l'impilamento nell'area di costruzione, porta a ulteriori risparmi sui costi del 10%.

Riepilogo dei risultati dello studio effettuato da IAPT: progettare pensando alla produzione additiva e seguendo un approccio "Design to cost" ha permesso di produrre il braccio della cerniera con un costo inferiore dell'80% rispetto a una parte stampata in 3D senza le stesse ottimizzazioni. Questa percentuale generale può essere suddivisa come segue:

- L'ottimizzazione dell'orientamento e della topologia, nonché l'ottimizzazione del supporto, contribuiscono al 45%.

- La scelta del materiale ottimale, i parametri di velocità e la massimizzazione del carico di lavoro nel processo AM riducono i costi di un ulteriore 35%.

Fraunhofer IAPT è riuscito a dimostrare che nella produzione additiva è possibile ridurre i costi di un fattore cinque. Al contempo, ha ottenuto un miglioramento delle prestazioni tecniche del veicolo grazie a un peso inferiore e a una tecnologia ottica migliorata. Ma la cosa più importante è che ciò ha permesso di ridurre del 50% il costo di produzione di una piccola serie di bracci cerniera per una portiera di un'auto sportiva rispetto alla fresatura convenzionale. La produzione additiva non è quindi solo migliorativa rispetto alla fresatura in termini di prestazioni tecniche, ma anche significativamente più conveniente.

I risultati di questo studio sulla riduzione sistematica dei costi dei componenti AM possono essere applicati a un'ampia gamma di componenti automobilistici. Essi dimostrano che la produzione additiva può già essere utilizzata con profitto in serie più grandi comprendenti fino a 5000 unità.

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