Guida per principianti alle strutture reticolari rivolta a ingegneri progettisti

Con la diffusione dell'additive manufacturing, sempre più progettisti stanno scegliendo strutture di reticoli per le proprie attività di progettazione. L'additive manufacturing, infatti, non li costringe a utilizzare solo parti solide come i tradizionali metodi di fresature o stampo.

Immaginate di sostituire una staffa in acciaio con una rete complessa che garantisca resistenza senza aggiungere spessore.

Per semplificare i processi, i sistemi CAD possono ora automatizzare la creazione di questi reticoli. Se siete liberi di aggiungere al nostro progetto serie di travature, travature reticolari e celle a forma di rombo o di qualsiasi altra forma, in qualunque configurazione, è importante che sappiate che una stampante 3D può stampare tutte queste forme.

Se vi suona liberatorio, in effetti lo è. Forse in modi che non sono subito evidenti.

In questo post verranno esaminate nel dettaglio queste strutture ad alta versatilità. Cosa sono e perché può essere utile aggiungerle a progetti esistenti? Ma soprattutto presenteremo la varietà pressoché infinita di opzioni disponibili per chiunque sia pronto ad adottare questo approccio nuovo e affascinante alla progettazione.

Che cos'è una struttura reticolare?

Le strutture reticolari sono configurazioni bio-ispirate basate sulla ripetizione di celle elementari composte da reti o travature reticolari con schema ottagonale, a nido d'apre o casuale. In natura, le strutture di celle di tipo reticolare aggiungono flessibilità e resistenza a qualsiasi materiale leggero possiate scegliere. Pensate, ad esempio, ad alveari, ossa o spugne marine. 

Analogamente, gli ingegneri progettisti possono adattare i reticoli ai propri modelli per migliorarne le prestazioni. In realtà, è quello che dovrebbero fare. Considerate, ad esempio, quanto segue:

Reticoli a basso spessore

Che si stia considerando un osso o la staffa di un motore, con i reticoli è possibile ridurre la massa senza compromettere la sollecitazione o lo spostamento. È possibile applicarli a elementi quali leggeri pannelli strutturali, dispositivi di assorbimento dell'energia, isolamento termico, protezione balistica o impianti porosi.

I reticoli possono essere autoportanti

Con alcuni reticoli, è possibile evitare le strutture di supporto solitamente richieste nell'additive manufacturing, in modo da risparmiare materiale e attività di post-elaborazione.

I reticoli possono essere generati automaticamente nel sistema CAD

Non è più così difficile creare celle così complesse. Alcuni sistemi CAD, infatti, includono ora tecnologie che consentono di adattare in modo rapido ed efficiente queste strutture ai modelli esistenti. È possibile, infatti, specificare le proprietà di una cella, generarla e quindi testare i risultati, il tutto in un unico ambiente di progettazione.

Immagine: Studio di deformazione su una parte con una struttura a reticolo.

Tipi di reticoli

È possibile formare un reticolo in una quantità quasi infinita di modi. Può essere costituito, ad esempio, da celle randomizzate che seguono la superficie di un modello 3D. Oppure da estrusioni 2 1/2D o travature 3D, che riempiono il volume di un modello.

Travature e strutture 2.5D costituiscono il tipo di reticolo più comune, ad esempio estrusioni 2 1/2D, quale un complesso a nido d'apre, o travature 3D con celle composte da profili triangolari, esagonali o quadrati.


Immagine. Modello a nido d'apre 2 1/2D utilizzato in una parte.


Immagine: Un reticolo 3D basato su travature paraboliche, che variano in spessore tra la parte alta e quella bassa.

I reticoli stocastici utilizzano celle randomizzate per creare un elemento simile alla schiuma che si adatta a una superficie limitata. Questo elemento può assorbire urti e onde sonore, nonché riempire strutture simili a un panino. Nelle applicazioni mediche, può persino fornire una struttura in cui far crescere un osso.

I reticoli basati su formule sono forse i più interessanti. Se orientati correttamente, possono infatti ridurre o eliminare la necessità di supporti, con una conseguente diminuzione dei materiali di scarto e delle attività di post-elaborazione. Queste celle possono assumere la forma di giroidi, primitive o diamanti.

Immagine: Cella giroide che può essere ripetuta per creare reticoli che non hanno bisogno di supporto nell'additive manufacturing.

I reticoli personalizzati consentono di definire celle personalizzate. Qualsiasi geometria possiate modellare e inserire nei limiti di un cubo, potrete anche trasformarla in un reticolo. Questa caratteristica è particolarmente utile per chiunque desideri sperimentare le proprietà/possibilità di un reticolo, ad esempio in termini di prestazioni, resistenza o fatica. Le possibilità geometriche sono limitate solo dalla vostra immaginazione.

Per ulteriori informazioni sugli ultimi miglioramenti delle strutture reticolari in Creo, guardate questo video con Paul Sagar di PTC: 

Ottimizzazione dei progetti basati su reticoli

Dopo aver aggiunto un reticolo a un modello, è ora possibile ottimizzarlo mediante alcuni potenti strumenti parametrici.

Rappresentazioni

Se temete che reticoli particolarmente complessi possano appesantire troppo il vostro computer, Creo può automaticamente creare una rappresentazione leggera del progetto su cui state lavorando. Consente inoltre di passare in qualsiasi momento dalla geometria completa a una rappresentazione semplificata o a un modello omogeneizzato.

Qual è la differenza?

Una rappresentazione semplificata è meno precisa della geometria completa, ma anche meno esigente in termini di risorse di elaborazione. Offre quindi un equilibrio ottimale tra prestazioni e precisione.
Un modello omogeneizzato va ancora oltre considerando il reticolo come un solido matematicamente equivalente. Questa caratteristica può essere particolarmente utile per le strutture reticolari ad alta densità.
Molti progettisti utilizzano le configurazioni semplificate e omogeneizzate quando, ad esempio, vogliono applicare ai propri modelli analisi agli elementi finiti.

Immagine: In questo modello, l'area verde rappresenta un reticolo omogeneizzato. Presenta alcune caratteristiche di base del modello completo, ma ne è stata calcolata la media per migliorarne temporaneamente le prestazioni.

Progettazione basata sulla simulazione

Con una tale varietà di modi in cui è possibile creare strutture reticolari, è possibile che vi stiate chiedendo quale opzione è più adatta per il vostro progetto. La buona notizia è che non dovete tirare a indovinare. Vi basterà creare il progetto, eseguire una simulazione, correggere il progetto, eseguire una nuova simulazione e così via, fino a quando non avrete trovato il modello più adatto a soddisfare i vostri requisiti.

Questo processo prende il nome di progettazione basata sulla simulazione. Anche se, con molta probabilità, non siete abituati a utilizzare la simulazione durante la fase di progettazione, con questo processo potrete vedere dinamicamente come cambia il vostro progetto con ogni minima modifica.

Creo offre due opzioni:

Creo Simulate è un tradizionale strumento di risoluzione che consente di eseguire analisi FEA standard su un modello reticolare. Viene eseguito sulla piattaforma Creo, in modo da non dover alternare tra più pacchetti software. Vi ricordate delle rappresentazioni semplificate e omogeneizzate di cui abbiamo parlato? Sono perfette per ottenere prestazioni ottimali da Creo Simulate.

Creo Simulation Live può offrire anche indicazioni sulle analisi FEA da eseguire sul proprio modello, ma opera in tempo reale. Immaginate che il vostro software esegua analisi strutturali, termiche o modali (o persino CFD) in pochi secondi durante il processo di progettazione, senza dover generare mesh o attendere il report di un'analisi.

In questo modo, potrete creare iterazioni nel vostro progetto, nonché modificare i tipi di cella, i materiali e qualsiasi altro elemento, fino a soddisfare tutti i vostri requisiti.

Immagine. Confronto tra un reticolo omogeneizzato e un reticolo semplificato. Osservate la differenza nei valori di deformazione. Mentre il modello omogeneizzato offre prestazioni più veloci, il modello semplificato fornisce risultati più precisi.

Progettazione per additive manufacturing con i reticoli

Tipi di reticoli, rappresentazioni di reticoli, simulazioni e ottimizzazioni di reticoli…. Creo offre una gamma illimitata di possibilità di applicare i reticoli in un progetto. Adesso starà a voi decidere. Quali elementi potrete rendere migliori, più rapidi o più resistenti con le strutture reticolari?

Ulteriori informazioni su Creo e sulle possibilità offerte dall'additive manufacturing. Visitate la pagina Web dell'Additive Manufacturing.