Anisoprint è un’azienda all’avanguardia nei materiali compositi e nella produzione additiva. Fondata nel 2015, l’azienda ha immesso sul mercato una serie di soluzioni chiavi in mano per la stampa 3D in fibra continua per la produzione di parti industriali di uso finale. Queste soluzioni, insieme alla profonda esperienza ingegneristica e sui materiali di Anisoprint, stanno aprendo nuove opportunità per parti più performanti ed efficienti con proprietà anisotropiche.
Ma l’hardware è solo una parte dell’equazione. Come qualsiasi tecnologia di produzione additiva, le soluzioni di stampa 3D composita di Anisoprint sono costituite da molti prodotti, come materiali e, soprattutto, software. Dalla progettazione, ottimizzazione e simulazione delle parti allo slicing e alla stampa, il software svela il potenziale della stampa 3D in fibra continua. In riconoscimento di ciò, Anisoprint e la società di software di simulazione con sede nel Regno Unito Additive Flow hanno escogitato una soluzione che combina Formflow, lo strumento di ottimizzazione integrato di Additive Flow con l’affettatrice Aura di Anisoprint.
Per comprendere meglio quali vantaggi offre agli utenti la soluzione software combinata, abbiamo parlato con il CEO di Anisoprint Fedor Antonov e con il CEO di Additive Flow Alexander Pluke. Quella che segue è una conversazione altamente perspicace che non solo illustra la complessità della modellazione per materiali compositi avanzati, ma introduce anche un nuovo quadro per una progettazione affidabile e ragionevole per la produzione additiva (DfAM).
Costruire le basi per DfAM composito
“20 anni fa, la stampa 3D veniva utilizzata principalmente per la prototipazione, quindi non c’era richiesta o necessità di DfAM”, spiega Antonov. “Ora che la stampa 3D si è evoluta per la produzione di parti per uso finale, il design è fondamentale in quanto le possibilità dell’AM vengono rivelate solo con il giusto approccio progettuale. E ogni tecnologia richiede un certo approccio progettuale”.
Da un’altra prospettiva, la stampa 3D e gli strumenti CAD avanzati possono essere visti come esistiti in parallelo. (La prima è limitata dal suo utilizzo come tecnologia di prototipazione e la seconda è trattenuta dalla difficoltà di tradurre i suoi progetti complessi nei metodi di produzione esistenti.) Oggi le due parti si stanno unendo, con la stampa 3D posizionata come il modo più praticabile per produrre geometrie complesse e ottimizzate. “Ora la macchina, il produttore e i progettisti parlano lo stesso linguaggio digitale”, aggiunge Antonov.
Con materiali di stampa 3D più tradizionali, come polimeri e metalli, il design per AM è complesso ma abbastanza semplice poiché le geometrie vengono generate in base alle proprietà isotropiche dei materiali. I materiali compositi anisotropi, tuttavia, portano con sé una maggiore complessità e un maggiore potenziale di ottimizzazione.
“Quando parliamo di compositi, parliamo di materiali anisotropi”, continua Antonov. “Questo è un altro livello di complessità e libertà di progettazione. Metalli e polimeri hanno solo pochi valori di proprietà che descrivono il loro comportamento; per i materiali anisotropi, ci sono molti più parametri che descrivono il comportamento del materiale in tutte le direzioni. In altre parole, quando ci occupiamo di progettazione generativa per materiali isotropi, parliamo solo di geometria e ottimizzazione della forma. Con i materiali anisotropi si parla anche di direzionalità materiale. Questo è un altro spazio di ottimizzazione che consentirà risultati superiori rispetto ai materiali isotropi. Questo è il più grande vantaggio dei compositi”.
In pratica, la produzione additiva di compositi si basa sulla capacità non solo di impostare le geometrie delle parti e le strutture interne come i reticoli, ma anche di controllare l’allineamento delle fibre locali all’interno della parte. Questa capacità consente ai produttori di produrre parti ad alte prestazioni ottimizzate per le loro condizioni di carico e campi di sollecitazione specifici.
Ottimizzazione efficiente delle proprietà dei materiali
Per raggiungere questo livello di controllo per i materiali compositi stampati in 3D, tuttavia, abbiamo bisogno degli strumenti software per eseguirne il backup. “Abbiamo bisogno di uno strumento di ottimizzazione in grado di creare strutture ottimali con materiali compositi anisotropi, ottimizzando effettivamente la geometria e la direzione delle fibre in ogni punto”, afferma Antonov. “È possibile, ma nessuno l’ha mai fatto fino in fondo perché non solo è difficile in termini di design, ma anche estremamente impegnativo in termini di traduzione del design in linguaggio macchina”.
“Come si passa da un modello 3D con tutta questa direzionalità dei materiali all’effettivo percorso utensile della macchina? Questo è un problema molto complesso che finora non è stato risolto. Ma c’è una soluzione molto elegante che abbiamo sviluppato insieme ad Additive Flow e che ora stiamo implementando attraverso il flusso di lavoro congiunto di Formflow e Aura”.
Nello specifico le due aziende hanno superato il complesso problema del controllo della direzionalità delle fibre in ogni punto semplificando il processo. “Invece di ottimizzare la direzionalità dei materiali in ogni punto, ciò che chiamiamo continuamente, puoi ottimizzare i materiali in modo discreto”, afferma. “Non in ogni punto, ma in ogni dominio o sottodominio. Quindi hai il tuo spazio di progettazione in cui si trova il tuo modello 3D e all’interno di questo spazio puoi avere domini diversi con diverse proprietà del materiale”.
“Ad esempio, se si dispone di una struttura a trave che funzionerà in flessione, il design ottimale avrà una struttura sparsa al centro e due parti rigide in alto e in basso, come un sandwich. Questi saranno i diversi domini con diverse proprietà dei materiali”, aggiunge Antonov. Il software Formflow di Additive Flow consente quindi la generazione automatizzata di modelli anisotropici, che possono quindi essere suddivisi in Aura e stampati in 3D utilizzando le stampanti 3D di Anisoprint. Aura, da parte sua, traduce la direzionalità variabile dei materiali compositi in un percorso utensile utilizzando la sua esclusiva funzione di mascheratura.
Esistono tre interazioni generali tra Formflow e Aura:
- Gamma completa della tecnologia Composite Fiber Co-Extrusion (CFC). La combinazione dell’ottimizzazione di Additive Flow e dell’affettatrice Aura rivela tutto il potenziale della tecnologia CFC di Anisoprint. Consente alla stampante 3D Composer di Anisoprint di produrre componenti anisotropici con strutture interne multimateriali altamente complesse progettate da algoritmi.
- Integrazione perfetta. Aura e Formflow condividono il formato del file e lo slicer importa il modello senza alcuna modifica del formato, perdita di dati o danneggiamento. Non viene perso tempo tra l’esportazione del modello dalla soluzione Formflow e il taglio in affetta da Aura.
- Le maschere in Aura consentono la lavorazione di diverse strutture interne per le migliori proprietà dei materiali che soddisfano specifiche esigenze locali. La personalizzazione delle strutture interne, o la divisione dello spazio interno in un numero finito di aree e l’impostazione dei parametri individualmente per ciascuna che soddisfa al meglio i requisiti, è la chiave per i modelli Anisoprinting ottimizzati da Formflow.
Dalla progettazione al processo decisionale
C’è anche un’altra dimensione nella soluzione di ottimizzazione di Formflow che il CEO di Additive Flow, Alexander Pluke, mette in evidenza. È incentrato sul flusso di lavoro di creazione di parti e processi ottimizzati per la stampa 3D e sulla razionalizzazione dei parametri che gli utenti devono inserire. Per comprendere meglio il ruolo che il software di Additive Flow ha, propone di pensare non solo al “design” ma invece al “processo decisionale”.
“Penso che quando ci concentriamo solo sulla parola design possiamo effettivamente inibire lo sviluppo di AM perché quando le persone pensano al design, smettono di pensare alla produzione”, spiega. “Questo sminuisce ciò che sta accadendo nel flusso di lavoro, perché non stiamo solo ottimizzando il design, stiamo prendendo decisioni su ogni matrice che può essere modificata e costruendo relazioni tra le decisioni su ogni scala e l’impatto che le decisioni avranno su obiettivi chiave”.
Gli obiettivi chiave a cui fa riferimento comprendono molte cose, dagli obiettivi di ingegneria (inclusi peso, requisiti meccanici e termici, tra gli altri), agli obiettivi di costo e di sostenibilità. “Hai questa battaglia costante nella testa di un decisore, perché deve capire l’impatto di ogni scelta e decisione che prende”, dice. “’Qual è la forma? Qual è l’orientamento della fibra? Quale struttura reticolare userò? Se uso un reticolo, su quale orientamento è l’intera struttura reticolare?’ Queste sono le decisioni che uno deve prendere, il tutto bilanciandolo con i propri obiettivi chiave”.
E questo è solo un aspetto delle decisioni che portano alla produzione di un componente anisotropo ottimizzato. Ci sono anche decisioni di produzione, inclusi parametri macchina, percorsi utensile, altezza del livello, ecc. Come dice Pluke, “Non hai solo diverse scale di decisione, hai anche diversi stadi di decisione. E uno dei grandi attriti in questo processo sono i diversi strumenti software, i diversi flussi di lavoro, come la progettazione CAD, gli strumenti di ottimizzazione, come l’ottimizzazione della topologia e la progettazione generativa, e infine il software slicer”.
In altre parole, quello che tradizionalmente chiamiamo il processo di “progettazione” in AM è molto più complesso perché comprende tanti elementi diversi e ognuno richiede molte decisioni. Ciò che fa Formflow è comprimere molte di queste decisioni per ottimizzare il flusso di lavoro dalla progettazione alla produzione.
Raggiungere più obiettivi in un unico flusso di lavoro
“Abbiamo creato tre funzionalità chiave. La prima è la capacità di avere un’ottimizzazione multi-obiettivo”, spiega Pluke. “Ad esempio, puoi inserire i tuoi obiettivi di ingegneria, così come il tuo costo target e obiettivi di sostenibilità target. La seconda caratteristica è chiamata ottimizzazione volumetrica. È qui che a diverse regioni dello spazio di progettazione vengono assegnate proprietà diverse. E non è solo una proprietà, hai se un reticolo esiste o meno, quanto è denso il reticolo, qual è l’orientamento del reticolo, ecc”.
Con la tecnologia di Anisoprint, entrano in gioco ancora più proprietà che non sono rilevanti per altre tecnologie di stampa 3D non composite. Il software tiene conto di cose come la direzione delle fibre e la chimica dei materiali. In futuro, Pluke rivela che il software potrebbe anche avere proprietà per cose come il tasso di solidificazione e la temperatura utilizzata per fondere il materiale, perché hanno anche un impatto sui risultati delle parti e sulla velocità di produzione. “La nostra tecnologia può guardare tutte queste scale contemporaneamente e quindi allocare volumetricamente e regolare queste variabili spazialmente in base alla funzione multi-obiettivo”, afferma Pluke.
“E la terza caratteristica fondamentale è il filo digitale. È qui che non guardiamo solo a una fase (ad es. progettazione o produzione), ma al modo in cui tutte le fasi si collegano. Per creare questi collegamenti, il nostro software comunica e si collega all’intero flusso di lavoro. Ad esempio, ci integriamo con la tecnologia di affettatura Aura di Anisoprint. Alla fine, invece di prendere 1000 decisioni diverse, devi solo prenderne due: quali sono i miei obiettivi e che libertà ho?”
Da lì, gli utenti possono scalare facilmente per ottimizzare molte parti stampate in 3D diverse in base agli stessi obiettivi. “Una volta impostata la funzione multi-obiettivo, è possibile ripetere quella funzione ancora e ancora in modo agnostico rispetto alla geometria. Ad esempio, se un cliente nel settore aerospaziale sta ottimizzando una staffa per aeroplani, può utilizzare lo stesso flusso di lavoro e obiettivo e applicarlo a un componente a radiofrequenza”. Ciò consente agli ingegneri di risparmiare molto tempo e sblocca la scalabilità per l’intero processo.
“Il decisore non ha bisogno di impantanarsi nei dettagli”, continua Pluke. Invece, devono solo scegliere da una serie di soluzioni che vengono valutate in base ai loro obiettivi di costo, sostenibilità e ingegneria. Da lì, il file può essere inviato senza problemi ad Aura e stampato in 3D. Con Anisoprint in particolare, la complessità del processo di stampa 3D in fibra continua e le proprietà aggiuntive che introduce, come la direzione della fibra, creano più spazio per l’ottimizzazione. “Additive Flow offre un modo semplice e diretto per sfruttare tale complessità”, afferma.
“La tecnologia di stampa 3D in fibra continua è in realtà una delle più impegnative quando si tratta di prendere queste decisioni”, conclude Antonov. “Può funzionare molto male se non sai come progettare per la tecnologia. Ma se ottimizzi correttamente le parti, offre vantaggi reali e prestazioni superiori a quasi tutti gli altri materiali. Abbiamo bisogno di strumenti come il software di Additive Flow per ottenere questi risultati ottimali”.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato nell’eBook 2022 di Advanced Polymers AM Focus di 3dpbm in collaborazione con Anisoprint.
