Rispetto alla clonazione di una pecora, copiare – o clonare – una parte metallica dovrebbe essere semplice. Non lo è, però, soprattutto se quella parte deve essere costruita con una stampante 3D.
Questo test a fuoco caldo di un iniettore di un motore a razzo stampato in 3D ha avuto successo, con ispezioni post-test che hanno rivelato che l’iniettore è rimasto in condizioni così eccellenti e ha funzionato così bene da essere sottoposto a test acustici. Ora gli ingegneri possono utilizzare DC-AM per progettare, costruire e testare parti come questa in un ambiente virtuale creato da Sentient Science. Credito immagine: NASA
La produzione additiva – o stampa 3D – può far risparmiare peso, tempo e denaro e spesso produrre parti più robuste di quanto altrimenti possibile. Per questi motivi, la NASA è interessata a utilizzare la tecnologia per realizzare componenti del rover, motori ionici e altro hardware, ma l’agenzia deve sapere che le parti saranno affidabili.
Un modo per dimostrarli è utilizzare un software di clonazione 3D che crea una versione digitale, o “clone”, della parte da stampare.
È un compito complesso. Le macchine per la stampa 3D con metallo possono funzionare in diversi modi e fattori come il livello di potenza, l’intensità del laser e le proprietà della lega influenzano il prodotto finale, spesso in modi difficili da prevedere.
Quindi la NASA ha investito in un’azienda già specializzata nella creazione di versioni digitali di ingranaggi e altri componenti. Ora DigitalClone for Additive Manufacturing (DC-AM) può eseguire test virtuali delle parti in più fasi del processo, dalla stampa iniziale alla qualità della parte finale prima che un singolo pezzo di hardware venga stampato.
Il Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California ha collaborato con la Sentient Science Corp. di Buffalo, New York, per costruire un programma di modellazione con l’aiuto di contratti di trasferimento tecnologico per piccole imprese.
I rover della NASA beneficiano di parti metalliche leggere e durevoli fabbricate utilizzando la produzione additiva. Lo strumento Planetary Instrument for X-Ray Lithochemistry (PIXL) sul rover Perseverance ha molte di queste parti che hanno dimostrato di poter resistere alle dure condizioni su Marte. Credito immagine: NASA
Clonazione di parti metalliche: la fisica nella vita reale
“Quando hai a che fare con leghe costose o forme complesse, vorresti avere una comprensione più profonda di ciò che accadrà alle parti durante il processo di costruzione”, ha affermato Bryan McEnerney, esperto di tecnologia dei materiali presso JPL.
Quando si clonano parti, la scienza dei materiali computazionali può ridurre al minimo i rischi connessi alle parti stampate. Secondo McEnerney, questo potrebbe essere rischio finanziario, rischio di pianificazione e rischio tecnico.
La produzione convenzionale può essere lunga e costosa e può aggiungere più massa a un sistema, ma le parti si sono dimostrate affidabili. Ciò è essenziale quando sono in gioco la vita degli astronauti e miliardi di dollari di investimenti. Le parti prodotte con la produzione additiva sono ancora troppo nuove per avere un tale track record di successo, rendendo importante l’uso di un clone digitale.
“Se modelliamo le parti, risparmieremo molto tempo e forse potremo anche prevedere dove potremmo avere problemi durante la progettazione”, ha spiegato McEnerney. La modellazione riunisce la parte, il suo utilizzo nella vita reale e l’impatto delle condizioni che sperimenterà nel tempo.
Clonazione di parti metalliche: testare una parte stampata in 3D consente all’ingegnere di apprenderne le proprietà e prevederne la potenziale durata. Un programma chiamato DC-AM crea un “clone digitale” per identificare potenziali problemi come questo risultato del test di previsione della fatica e fornire un modello rappresentativo di fessurazione da fatica. Credito immagine: Sentient Science Corp.
DC-AM include tre moduli per la progettazione e il test di una parte, che si basano sui principi della fisica per rappresentare in modo affidabile ciò che accade in qualsiasi stampante 3D. La modellazione del processo tiene conto dei parametri della stampante, come potenza, spessore dello strato e dimensione del raggio laser, e dei loro effetti sul metallo. Ciò contribuisce alle previsioni di sollecitazione residua e distorsione per una parte.
La modellazione della microstruttura prevede la struttura del grano e la porosità necessarie per ottenere le proprietà desiderate. Infine, la modellazione della fatica prevede il danno potenziale causato da un uso prolungato, come la comparsa di crepe, che una parte subirà in un’applicazione specifica.
Secondo McEnerney, questo approccio, chiamato ingegneria computazionale integrata dei materiali, produce dati ad alta fedeltà particolarmente importanti per la NASA quando si fabbricano parti non convenzionali. “L’intera agenzia spesso deve affrontare sfide con alcune parti altamente complesse, perché gran parte di ciò che facciamo è difficile.”
Prova ed errore
Secondo Jason Rios, vicepresidente senior di Sentient Science, i produttori di macchine per la produzione additiva forniscono alcune impostazioni di stampa consigliate per tipi specifici di materie prime in polvere metallica. Ma “c’è molta incertezza” quando si crea una nuova parte, ha detto. “Devi provare a cercare la giusta combinazione di parametri di stampa per ottenere la qualità della parte che stai cercando.”
Prima della modellazione DC-AM, ciò significava creare e monitorare diverse impostazioni per vari materiali prima di sottoporre ciascuna parte a test fisici. Questo è un costoso approccio per tentativi ed errori. Ne è valsa la pena, data l’opportunità di creare componenti più efficienti utilizzando nuove geometrie, ma non è sostenibile.
“Ciò che rende veramente unico la produzione additiva DigitalClone è la capacità di modellare il processo, prevedere la microstruttura e prevedere quanto tempo durerà la parte nell’applicazione prevista in base alle sollecitazioni e ai carichi a cui sarà sottoposta”, ha affermato Rios. Anche se alcune di queste funzioni sono possibili anche con altri programmi, questa combinazione è la prima nel suo genere.
Grazie al calcolo ad alte prestazioni di Amazon Web Services che esegue DC-AM, chiunque può sviluppare e ottimizzare qualsiasi parte, costruendola e testandola in un ambiente virtuale.
Quando si tratta di sostituire un pezzo esistente, il programma può determinare rapidamente se il nuovo pezzo soddisferà le specifiche di progetto e la durata prevista per uno scopo particolare, ha spiegato Melissa McReynolds, vicepresidente
delle operazioni automobilistiche con Sentient Science.
L’azienda ha un certo numero di produttori di automobili che stanno mettendo alla prova il programma per identificare come le parti stampate in 3D potrebbero adattarsi ai progetti di automobili esistenti e futuri.
Il programma può essere utilizzato in qualsiasi settore che faccia affidamento su parti metalliche e la società giapponese Matsuura Machinery utilizza DC-AM per fornire il controllo di qualità per il suo braccio di stampa di parti 3D. E l’azienda sta lavorando con Sentient Science per includere il programma in una nuova stampante 3D che monitorerà le parti mentre vengono create.
Se viene rilevato un difetto che si tradurrà in un difetto, il sistema cesserà automaticamente la produzione, rimuoverà lo strato danneggiato e riprenderà il processo.
Esperienza a livello di dottorato
Questo nuovo programma di modellazione si basa sul successo del primo Software DigitalCloneanch’esso realizzato con l’aiuto della NASA, che prevede la durata di vita dei componenti della macchina (Spin off 2016). Le nuove versioni, oltre a DC-AM, supportano esigenze specifiche del settore: DC-E per l’ingegneria, DC-OM per l’energia eolica e DC-RM per il settore ferroviario.
Le aziende che stampano parti in 3D devono prevedere con precisione la durata di funzionamento di una parte in modo da poter creare programmi di manutenzione e sostituzione senza compromettere la sicurezza. Per loro e per i loro clienti, l’esperienza che la NASA ha contribuito al programma aggiunge un ulteriore livello di garanzia della qualità.
“Grazie a questa collaborazione con JPL, siamo stati in grado di includere le loro conoscenze nella creazione di un prodotto che consenta a un cliente di eseguire lo stesso tipo di analisi senza dover acquisire le competenze di livello PhD di cui dispone il nostro team”, ha affermato Rios.
L’agenzia beneficia della significativa riduzione dei costi e dei tempi rispetto ai test fisici convenzionali per la progettazione, i materiali e i processi di nuovi componenti. McEnerney ha osservato che la partnership con Sentient Science ha creato una nuova risorsa per “la più ampia comunità ingegneristica”.
“Cerchiamo di evolverci continuamente e di ascoltare nuove voci, di inventare nuove tecnologie”, ha affermato McEnerney. “Sfruttando le piccole imprese, otterremo risultati migliori per l’agenzia e per il Paese”.
Fonte: NASA
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
