Ottimizzare il design per la produzione di massa

Introduzione

La fase di sviluppo di un prodotto prevede varie fasi di calcolo e di design che prevedono una serie di passi predefiniti atti al raggiungimento della fase di produzione di massa. In vista di questo obiettivo, tenendo conto dell’elevato numero di pezzi da produrre, ogni risparmio di materiale è vantaggioso e rilevante dal punto di vista economico. Le parti coinvolte nella produzione hanno infatti la necessità di ridurre il materiale di scarto (rilevante per la fonderia) e di ridurre del peso dei componenti (rilevante per il cliente finale).

Il processo di ottimizzazione della forma del prodotto aiuta entrambe le parti (fonderia e cliente) ad avere il giusto compromesso per avere un adeguato risparmio ottenendo la massima qualità dei pezzi prodotti.

In questo articolo mostreremo il processo di ottimizzazione del design per la produzione di massa di un prodotto di fonderia, utilizzando un software di ottimizzazione e un simulatore di processo. Il fine è di analizzare la solidificazione del metallo presente nel sistema d’interesse e di valutare come l’ottimazione aiuti entrambe le parti coinvolte a trarne profitto.

Sviluppo del progetto

Il componente che si vuole ottimizzare in questo studio è prodotto mediante una colata di metallo in sabbia, una delle tecniche più antiche, semplici ed economiche. La fase preliminare di design ha fornito un prototipo in formato stereolitografia (STL) già potenzialmente buono per la produzione (il modello è stato fornito in gentile concessione da Flow Science Deutschland). Nell’immagine [Figura 1] si notano il sistema di alimentazione del sistema (in giallo) e la geometria del pezzo da produrre (in rosso). Il peso del solo pezzo di questa configurazione di partenza è di 2.197kg, quello dell’intero sistema è di 3.126kg. L’obiettivo principale è quello di ottenere un peso complessivo del sistema il minore possibile senza avere porosità significative nel pezzo, agendo su alcuni particolari delle geometrie stesse.

I parametri scelti per esser modificati, al fine di ottenere il miglior risultato possibile, sono le dimensioni dell’alimentatore [Figura 2], lo spessore della parete verticale più vicina all’alimentazione e lo spessore della zona di transizione tra le due pareti [Figura 3.].

Le variabili in gioco sono quindi potenzialmente molteplici ed esplorarne manualmente tutte le possibili combinazioni può essere un lavoro molto lungo e complesso. Per questo motivo si è scelto di avvalersi di un ottimizzatore numerico, in grado di esplorare le soluzioni in modo autonomo. In particolare, è stato scelto IMPROVEit, che grazie alla sua interfaccia semplice permette di svolgere agevolmente sia la fase di setup che l’elaborazione dei risultati. Come simulatore di processo, invece, si è scelto FLOW-3D® CAST per la precisione, l’affidabilità e la semplicità di utilizzo nell’ambito di simulazioni di fonderia.

Per modificare la forma geometrica il software di ottimizzazione consente sia di interfacciarsi direttamente a CAD parametrici, qualora si disponesse del file in formato originale, sia di modificare direttamente all’interno di IMPROVEit un file STL, nel caso in cui, come in questo test, si disponesse solo di quest’ultimo.

Una volta scelti i parametri da modificare, il software è in grado di modificare internamente la forma delle geometrie, lanciare le simulazioni di solidificazione interfacciandosi con il software di processo FLOW-3D® CAST utilizzando le geometrie modificate, estrarre i risultati delle analisi ed elaborarli con opportuni nodi matematici per ottenere la quantità da ottimizzare. La [Figura 4] mostra il foglio di lavoro del nostro caso

La simulazione della solidificazione è stata impostata per rilevare la dimensione delle porosità da ritiro presente a fine simulazione in quattro volumi di controllo che dividono altrettante quattro zone distinte la geometria del pezzo ([Figura 5]), blu scuro la parte superiore, giallo la parte centrale, ciano la parte sinistra e magenta la parte destra. Di questi, solo tre sono rilevanti ai fini dell’ottimizzazione, in accordo con il committente: la porosità presente nella parte superiore (blu scuro) non è stata presa in considerazione. Nella configurazione iniziale il volume di porosità totale da ritiro nei tre volumi di controllo considerati è di 581mm³

Esecuzione

Ai fini del processo di ottimizzazione si è scelto di avere due obiettivi ed un vincolo, rispettivamente minimizzare il peso del sistema di alimentazione, minimizzare il peso del pezzo e avere un volume di porosità nei tre volumi di controllo scelti sotto una soglia sufficientemente bassa da poter considerare il pezzo esente da difetti visibili.

Impostare un’ottimizzazione con due obiettivi ed un vincolo rende la comprensione del problema complessa; nonostante ciò il motore di IMPROVEit, essendo sviluppato appositamente per questa tipologia di problemi, consente di ottenere un ottimo risultato già con poche chiamate del simulatore di processo. In particolare, poiché ogni ciclo di ottimizzazione ha una durata di pochi minuti, si è scelto di consentire l’esecuzione di cinquanta cicli.

Considerazioni

A valle dell’ottimizzazione IMPROVEit è stato in grado di proporre un vasto range di soluzioni che diminuiscono i pesi del sistema, i nostri obiettivi, con soglie tollerabili di porosità. Inoltre, analizzando il panorama delle soluzioni trovate, si può comprendere meglio l’influenza dei vari fattori. Si nota che, in generale, al diminuire del peso del sistema le porosità aumentano.

Da un primo set di grafici possiamo avere un’idea sul comportamento del sistema. Il grafico in 2D mostra i migliori risultati, ovvero le curve di Pareto dei due obiettivi analizzati (i due pesi), distribuite secondo tre soglie di porosità.

Si fa notare che su ciascuna curva i punti presentano un livello di porosità molto simile, crescente dalla curva verde a quella blu: una prima conclusione è quindi che se si cerca una porosità molto bassa si devono accettare delle dimensioni sia del pezzo che del sistema di alimentazione piuttosto elevati, mentre scendendo a compromessi in termini di porosità si possono ottenere riduzioni di volume anche significative.

Simili considerazioni si possono ottenere anche dal fronte di Pareto 3D, considerando anche la porosità come un criterio da minimizzare: sugli assi orizzontali vengono riportati i pesi del pezzo e dell’intera colata, mentre sull’asse verticale le difettosità da ritiro.

La presenza di zone con concavità importante nei grafici 3D mette in luce in maniera più chiara che è possibile scegliere delle soluzioni di ottimo compromesso, con un peso complessivo discretamente basso e contemporaneamente ottenendo buoni risultati a livello di difetti della struttura, nella zona cerchiata in rosso in [Figura 7].

Come in ogni ottimizzazione multi-obiettivo, ci sono diverse ottime soluzioni tra cui si può scegliere in base alle proprie priorità. In questo caso, in base agli obiettivi dettati dal cliente, si è scelta una soluzione di compromesso, che non presenta difetti nella parte sinistra delle pezzo e che mostra una poco considerabile porosità nelle parti laterali, a fronte di un peso del pezzo di 2.1625Kg e complessivo di 3.1536Kg. Questo consente, rispetto alla soluzione di partenza, un risparmio di materiale nel pezzo del 1.6%, di ridurre la porosità del 5,2% (551mm³), a fronte di un aumento del peso complessivo inferiore all’1%.

A titolo indicativo si mostra come un’altra soluzione ottimale, dal peso molto maggiore (2.29Kg per il pezzo e 4.09Kg come peso complessivo) presenti invece porosità minori e più distribuite, per un totale di 490mm³.