Simulazioni a Fatica integrate con le tecnologie di processo

Quale sarà la vita del componente? Il design sviluppato è sufficientemente buono da garantire l’integrità strutturale almeno per il tempo per cui è stato progettato? Come si può programmare in modo economicamente vantaggioso un piano di manutenzione per sostituire quelle parti che inevitabilmente si romperanno? Come si può aumentare la vita di un componente che si guasta?

Questa e molte altre domande relative alla vita di un singolo componente o di un prodotto come assieme, trovano risposta nello studio del comportamento a fatica.

Come la maggior parte dei problemi ingegneristici, anche questo può essere affrontato in due modi: il primo attraverso un approccio analitico, quindi nel modo tradizionale con calcoli manuali semplificati su geometrie schematizzate; il secondo attraverso un approccio numerico dove la rappresentazione della realtà è limitata soltanto dalla potenza di calcolo di cui si può disporre e dall’accuratezza con cui si implementano le caratteristiche dei materiali e le condizioni al contorno.

Chiaramente, in un contesto produttivo dove la rapidità con cui vengono individuate le soluzioni e l’affidabilità di ciò che viene progettato e quindi prodotto determinano la competitività sul mercato, è scontato affidarsi alla simulazione numerica come soluzione principale.

In particolare, affrontare il problema della fatica con un approccio numerico consente di ridurre drasticamente il tempo impiegato per test sperimentali e di poter sviluppare e analizzare, anche contemporaneamente, più soluzioni per arrivare rapidamente alla condizione di ottimo. Inoltre i moderni calcolatori consentono di implementare teorie che portano a risultati più affidabili di quanto si potrebbe mai ottenere con un diverso approccio. Viene da sé che ciò comporta una sostanziale riduzione sia dei costi di progettazione sia del time-to-market.

Software integrati per unire i dati che ti servono

Ora, il progredire delle tecnologie software di processo, con prodotti sempre più affidabili e sempre più integrati nella catena di progettazione e di sviluppo ha permesso alla prototipazione virtuale di compiere un ulteriore ed importante passo in avanti. Capire la portata di questa nuova prospettiva e implementarla nella propria azienda diventa strategico in un settore turbolento come quello tecnologico.

Tre esempi di tecnologie di processo integrate con la simulazione numerica strutturale per la valutazione del comportamento a fatica possono inquadrare meglio di tutto il concetto.

Essere in grado di ricavare la variazione temporale delle pressioni di contatto su un utensile formatore in un processo di “Orbital Forming” - si sta quindi operando nell’ambito di un processo di stampaggio - permette di stimare la vita a fatica dell’utensile e di conseguenza di valutare in modo affidabile i costi legati ai fermo-macchina per la sostituzione dell’utensile e il successivo setup dell’attrezzatura, oltre ai costi non trascurabili dell’utensile stesso. Ecco quindi che per il progettista è ora possibile introdurre un’altra variabile nella ricerca della soluzione di ottimo di un prodotto, cioè il costo e l’affidabilità del processo. Perciò la geometria del singolo componente o dell’intero assieme, come pure dell’utensile o dell’intero ciclo produttivo, sarà funzione in parte della riduzione del campo delle tensioni per minimizzare il danno a fatica e in parte della ottimizzazione dei fattori di utilizzo del materiale per ricercare il massimo profitto.

La vita a fatica può essere controllata dal processo

Di grande interesse è anche la valutazione a fatica sugli stampi per la pressofusione dell’alluminio. Fino a non molti anni fa, la realizzazione dello stampo era affidata all’esperienza dello stampista. Poi, la sempre maggiore complessità nelle geometrie e la richiesta sempre più pressante della riduzione dei tempi di produzione con, al contempo, l’introduzione di specifiche sempre più strette sulle tolleranze dimensionali, hanno aperto prepotentemente la strada alla simulazione numerica sia per studiare il processo di pressofusione, sia per valutare il campo di tensioni e di spostamenti sulle matrici stampanti durante il ciclo produttivo. L’elevato costo di questa attrezzatura impone infatti un’attenta valutazione del comportamento strutturale con una particolare attenzione al fenomeno della fatica che in questo caso deve prendere in considerazione, oltre agli effetti meccanici, anche gli effetti di creep e gli effetti di ossidazione superficiali che, alle alte temperature a cui sono soggette le pareti a contatto con l’alluminio fuso, possono avere un ruolo importante. Vista la complessità dei fenomeni fisici che si devono prendere in considerazione, è impossibile affrontare questo problema senza l’ausilio della simulazione numerica. Questo approccio porta in modo evidente a dei risparmi in termini di costo e di tempo, affrontando gli eventuali problemi in modo virtuale prima ancora che si verifichino.

Chiude il cerchio degli esempi di applicazioni pratiche, l’integrazione nel flusso della progettazione, dei software per l’analisi dimensionale delle tolleranze i quali permettono di analizzare la distribuzione statistica di alcune configurazioni geometriche con variazione statistiche degli spessori, oppure a assemblaggi che portano ad una dispersione dei punti di applicazione del carico o ad una dispersione della sua direzione. Ciò inevitabilmente produce una distribuzione statistica del danno sul pezzo o sull’assieme. Questa incertezza statistica va poi combinata con l’incertezza statistica usata dal software per la valutazione del comportamento a fatica per ricavare delle stime sull’affidabilità di ciò che deve essere prodotto.

L’integrazione fra software di simulazione porta a dei vantaggi notevoli, che poi, in embrione, è un po’ l’idea che sta alla base di quello che l’industria, e non solo, cerca di implementare: il Digital Twin. Interfacciare software di previsione per la vita a fatica e software di processo è una declinazione particolare di una interessante opportunità che apre ad un’infinità di applicazioni. 

Se ti interessa avere maggiori informazioni su questa metodologia e scoprire i vantaggi che la tua azienda avrebbe nell'integrarla all'interno dei suoi processi di progettazione e produzione, contattaci, uno dei nostri esperti risponderà a tutte le tue domande.