Simulazioni per la fabbricazione additiva di metalli: impatto degli scostamenti geometrici sulla funzionalità e valutazione della loro compensazione

Il processo di fabbricazione additiva tramite fusione a letto di polvere di componenti metallici è intrinsecamente caratterizzato da elevati gradienti termici e tensioni residue - fenomeni che determinano distorsioni geometriche e scostamenti dal modello nominale. Sebbene strategie di compensazione numerica basata su simulazioni di processo siano già disponibili, l’approccio comune tende a correggere il modello nominale considerando l’errore geometrico complessivo in modo indifferenziato. Per migliorare tale approccio risulta necessario: (i) valutare le possibili divergenze tra deformazioni sperimentali e simulate per non incorrere in compensazioni sovra- o sottostimate, (ii) studiare il risultato effettivo della compensazione che, senza opportune iterazioni, potrebbe generare a sua volta deformazioni non previste e (iii) scomporre ed identificare gli scostamenti critici, definendo criteri di compensazione selettivi ed efficienti. Il presente lavoro di tesi, sviluppato nell’ambito di una collaborazione scientifico-industriale tra l’Università di Padova, l’azienda SolidWorld ed il team SIMULIA di Dassault Systèmes, si basa su un’analisi strutturata all’interno della piattaforma 3DEXPERIENCE, fondata sull’integrazione di due approcci distinti: le simulazioni di processo, mirate a prevedere le distorsioni che possono avvenire dopo la fabbricazione e dopo la rimozione dei pezzi dalla piattaforma, e le simulazioni strutturali, volte a valutare la relazione tra specifiche componenti di deformazione e comportamento meccanico-funzionale del componente. La prima linea d’indagine riguarda la simulazione di processo, condotta per l’estrazione dei campi vettoriali di deformazione dovuta alla fabbricazione. Tali vettori vengono poi applicati alla geometria nominale per generare il modello matematico “contro-deformato”. La valutazione sperimentale è stata eseguita mediante produzione di una placca per osteosintesi dello stiloide radiale in lega di titanio e caratterizzazione metrologica tramite tomografia computerizzata a raggi X. Questo ha consentito il confronto quantitativo diretto tra i modelli CAD predittivi e le ricostruzioni tomografiche ad alta risoluzione. Il tutto è stato poi iterato nuovamente applicando e confrontando contro-deformate diverse, ricavate dai dati di simulazione e dai dati tomografici, in modo da trarre conclusioni sull’efficacia delle possibili strategie di compensazione. La seconda linea d’indagine ha previsto l'esecuzione di simulazioni strutturali su geometrie semplificate, finalizzate a isolare analiticamente gli effetti delle distorsioni. La scomposizione del fenomeno deformativo in sottoclassi distinte ha permesso di valutare l'influenza delle singole componenti geometriche sui requisiti funzionali del componente. I risultati ottenuti saranno la base per ulteriori approfondimenti futuri, mirati alla formulazione di criteri specifici per l’ottimizzazione della compensazione.