Stampa 3D di un componente del capocorda inferiore per bici privo di difetti

Un numero crescente di industrie sta adottando la produzione additiva per integrare e sostituire le tecnologie di produzione tradizionali. L’industria delle attrezzature sportive personalizzate di fascia alta, in particolare l’industria delle biciclette, è uno degli utilizzatori relativamente nuovi (rispetto all’aerospaziale, ad esempio) della tecnologia. Un caso di studio recente è quello di Ansys Additive Simulation, che collabora con Aconity3D per stampare un componente del capocorda inferiore per bici privo di difetti.

Una bici completamente stampata in 3D

Al Brightlands Chemelot Campus, uno dei quattro campus di una comunità di innovazione aperta situata nella provincia del Limburgo, nei Paesi Bassi, designer, ricercatori e ingegneri hanno collaborato per creare una bici da corsa completamente stampata in 3D che soddisfi le elevate prestazioni, leggerezza e requisiti di personalizzazione, pur mantenendo una grande durata e resistenza per condizioni stradali imprevedibili. Per raggiungere questo obiettivo, hanno utilizzato vari materiali ad alte prestazioni e tecnologie di produzione additiva per creare un telaio per bicicletta leggero, resistente e altamente personalizzato.

L’aletta inferiore, che collega i diversi segmenti del telaio della bicicletta, è un componente fondamentale nel design della bicicletta. Per produrre questo componente, Brightlands ha collaborato con Aconity3D GmbH, un produttore di macchine leader del settore e fornitore di soluzioni di produzione additiva per la stampa 3D laser di metalli, con sede ad Aquisgrana, in Germania.

Ti-6Al-4V è stato scelto come materiale di stampa, per garantire che il capocorda inferiore della bici progettato su misura sia abbastanza resistente da sopportare condizioni difficili, pur essendo leggero. Questo materiale è noto per la sua resistenza specifica superiore ed è ampiamente utilizzato nelle applicazioni aerospaziali e mediche.

Durante il processo di stampa, l’aletta inferiore della bici è stata orientata come mostrato sopra e sono state utilizzate una serie di strutture di supporto generate dove necessario. Per eseguire la stampa, presso Aconity3D GmbH, è stato utilizzato un sistema AconityMIDI+ laser powder bed fusion (LPBF). Sebbene il componente della bici sia stato stampato abbastanza bene, si è verificato un problema imprevisto.

Sfide di delaminazione

A causa degli elevati effetti di accumulo di deformazioni, si sono verificate delaminazioni critiche alle interfacce tra la parte inferiore dell’aletta e le strutture di supporto. Tale delaminazione si verifica tipicamente quando la deformazione in quella posizione supera l’allungamento che un materiale può sopportare. Di conseguenza, le strutture di supporto non sono state in grado di vincolare efficacemente le deformazioni della parte as-built, il che potrebbe potenzialmente portare a problemi con le tolleranze geometriche.

Rilevamento ad alta tensione di Ansys Additive

Per risolvere questo difetto di delaminazione della struttura di supporto, Ansys e Aconity3D hanno collaborato integrando le simulazioni del processo di produzione additiva nel flusso di lavoro di produzione. Le simulazioni Ansys Additive LPBF sono state utilizzate per identificare rapidamente le aree critiche e valutare l’orientamento alla costruzione e le strategie di supporto. Lo strumento dei risultati di simulazione LPBF ad alta deformazione evidenzia le regioni di deformazione critica, che consente agli ingegneri di identificare le aree della parte che potrebbero essere soggette a formare crepe durante o dopo la costruzione. Sulla base dei risultati della simulazione, è stata implementata una strategia ottimizzata per la stampa di convalida fisica in un sistema Aconity MIDI+ LPBF.

In primo luogo, è stato utilizzato un modello strutturale statico a deformazione intrinseca per simulare l’impostazione della costruzione con gli esatti orientamenti della costruzione e le strutture di supporto della costruzione difettosa. La funzione ad alta deformazione è stata aggiunta alla sezione dei risultati della simulazione per rilevare le regioni critiche con un elevato accumulo di deformazione durante il processo di stampa.

Dopo aver esaminato i risultati della simulazione, le regioni ad alta deformazione identificate corrispondevano strettamente alle posizioni in cui si sono verificate le delaminazioni durante la costruzione effettiva. Queste aree servirebbero probabilmente come siti di inizio per la delaminazione, che si propagherebbe quindi rapidamente attraverso l’interfaccia adiacente tra la parte inferiore dell’aletta e le strutture di supporto.

Conducendo una valutazione di simulazione della prima build di stampa, è stato dimostrato che la funzione di rilevamento ad alta deformazione della simulazione Ansys Additive fornisce con successo una mappatura ad alta fedeltà alle aree critiche che sono state osservate e verificate nella build fisica.

Il passaggio successivo ha comportato il miglioramento dell’orientamento della costruzione e delle strutture di supporto per prevenire i difetti di delaminazione. Per raggiungere questo obiettivo, gli ingegneri di Aconity3D hanno collaborato con Ansys Additive simulation prima di procedere con la successiva costruzione fisica.

Il risultato

Sulla base dei risultati della build precedente, AconityMIDI+ ha prodotto un ottimo componente, anche se l’elevata deformazione si è verificata all’interfaccia tra la parte e i supporti, causando delaminazioni. Per stamparlo ancora meglio, gli ingegneri di Aconity3D hanno rivisto gli orientamenti di costruzione e rafforzato le strutture di supporto nelle aree cruciali. Invece di stampare direttamente la build successiva, hanno collaborato con Ansys per eseguire una simulazione preliminare con rilevamento ad alta deformazione abilitato per la configurazione della nuova build. I risultati della simulazione hanno indicato una significativa riduzione delle regioni ad alta deformazione lungo l’interfaccia tra la parte del capocorda inferiore orientata di recente e le strutture di supporto, rispetto alla configurazione di costruzione precedente.

Incorporando le simulazioni di processo nel flusso di lavoro di produzione di Aconity3D, gli ingegneri di processo possono facilmente valutare e convalidare diversi orientamenti e strategie di supporto nella simulazione, prima di inviare i file di costruzione alla macchina. Pertanto, l’integrazione riuscita della simulazione aumenta l’efficienza e riduce tempi e costi riducendo il numero di stampe di prova.

Il successo della collaborazione tra Ansys e Aconity3D ha realizzato la stampa perfetta del componente dell’aletta inferiore. Una volta che il componente è stato assemblato sulla bici da corsa, la bici è stata portata a fare un giro di prova e ha funzionato eccezionalmente bene.