L'elemento elastico in POM doveva garantire la forza di ritenuta per tutta la vita del prodotto, senza snervare né perdere carico.
POM e zama, un'impronta per pezzo, qualità estetica.
Analisi FEM per valutare la resistenza del pezzo.
L'analisi FEM valuta come un componente si deforma sotto carico, prima di costruire lo stampo.Calcoliamo dove si concentrano le tensioni, cioè le sollecitazioni interne al materiale, per individuare le criticità quando si può ancora intervenire sul disegno.
Prima dello stampo
Quando serve il calcolo FEM sul pezzo.
Il calcolo serve quando il componente deve resistere a un carico.TF Lab analizza il pezzo prima della costruzione dello stampo, quando le modifiche riguardano ancora il disegno.
Pezzi sotto carico
Una parte che deve sostenere una forza richiede una verifica della resistenza.Analizziamo come la geometria risponde nelle condizioni di utilizzo previste.
Criticità poco visibili
Un controllo estetico o dimensionale può lasciare inosservata una criticità di resistenza: un componente può risultare perfetto a vista e cedere alla millesima apertura.
Modifiche sul disegno
Una modifica sul disegno è un'ora di lavoro.A stampo costruito, la stessa modifica comporta smontaggio, rilavorazione, rimontaggio e nuova campionatura, con la pressa ferma.
- Il tratteggio è il vincolo: il punto in cui il pezzo è trattenuto.
- La freccia è il carico: la forza che il pezzo riceve nell'uso.
- Il cerchio è la zona critica: l'elemento elastico in POM, dove un controllo a vista non basta.
La maniglia del caso raccontato più sotto, resa dal suo file 3D; vincolo, carico e zona critica sono uno schema. Nella geometria iniziale la tensione massima stava alla radice dell'elemento elastico.
Componenti e materiali
Il calcolo FEM riguarda i pezzi che devono resistere a un carico.
Il calcolo FEM serve a dimensionare i componenti che devono sostenere un carico, a partire dalla geometria e dal materiale assegnati al modello.Fra questi ci sono gli elementi elastici in plastica, che devono mantenere la loro funzione per tutta la vita del prodotto.
Un elemento elastico in plastica richiede una verifica della resistenza anche quando aspetto e dimensioni risultano corretti.È il caso dell'elemento in POM della maniglia anta‑ribalta, raccontato più sotto.
Il materiale è un dato assegnato al modello, e il risultato del calcolo dipende anche da questa scelta.Nella pressofusione, per i componenti che devono sostenere un carico si sceglie di norma l'alluminio, che a parità di peso offre una resistenza maggiore.Nell'automotive la zama si usa di norma per componenti non strutturali, e riproduce meglio i dettagli fini.
Per i componenti estetici di grandi dimensioni, come le griglie in ABS, conta anche quello che accade dopo l'estrazione: la cavità può riempirsi correttamente e il pezzo deformarsi comunque, per differenze termiche e ritiri non uniformi.Per questi componenti serve la simulazione di riempimento, compattazione, raffreddamento e deformazione.
Un caso
Simulazione FEM su una maniglia: da 456 a 75 MPa.
Nella maniglia anta‑ribalta l'elemento elastico in POM doveva mantenere la forza di ritenuta per tutta la vita del prodotto.Un cedimento sarebbe emerso ai test di durabilità, a stampo già costruito.La FEM ha individuato dove si concentrava la tensione.
Le correzioni sono state introdotte in simulazione e in preserie, dove correggere costava poco: nessuna ha interessato gli stampi di produzione.
La geometria iniziale
Nella geometria iniziale, alla radice dell'elemento elastico la tensione massima arrivava a circa 456 MPa, con una forza risultante di circa 350 N: valori incompatibili con il POM e con la durata richiesta.
La molla a doppia curva
Con la nuova forma, una molla a doppia curva, la deformazione si distribuisce lungo tutto l'elemento.La tensione massima scende a circa 75 MPa, sei volte meno, e la forza a circa 20 N.
La verifica successiva
È un confronto fra due geometrie in simulazione, non una verifica sperimentale del pezzo finito: quest'ultima è stata eseguita successivamente, con i test a norma sui campioni di preserie.
Tensione massima in simulazione
- Geometria iniziale
- 456MPa
- Molla a doppia curva
- 75MPa
Leggere il risultato
Cosa restituisce un'analisi FEM e come si legge.
L'analisi FEM restituisce spostamenti, deformazioni e tensioni del componente nelle condizioni assegnate al modello.La mappa delle tensioni di von Mises rappresenta lo stato di tensione con colori diversi e mostra dove si concentra.
- La scala dei colori, in MPa: dal blu al rosso. Su questa mappa arriva a 456.
- Il rosso e l'arancio: dove la tensione si concentra, sull'elemento elastico in POM.
- Il blu: le zone poco sollecitate.
- Il riquadro del software: il valore in un solo nodo della mesh, qui 418 MPa.
La mappa della geometria iniziale, nel caso della maniglia. Il colore dice dove la tensione sale; il valore vale per il materiale, i carichi e i vincoli assegnati al modello.
Il calcolo parte dal modello 3D del pezzo, suddiviso in tanti piccoli elementi: questa suddivisione prende il nome di mesh.Si assegnano il materiale, i carichi e i vincoli, cioè le condizioni che trattengono il componente.Sulla mesh si calcolano spostamenti, deformazioni e tensioni.Il risultato vale per quelle condizioni: se cambiano il materiale, i carichi o i vincoli, cambia anche il risultato.
La scala dei colori va dal blu delle zone poco sollecitate al rosso delle zone più sollecitate.La tensione equivalente di von Mises riassume in un solo valore lo stato di tensione in un punto: la mappa fa vedere dove quel valore sale.Si osserva anche la deformata, cioè la forma che il pezzo assume sotto carico: a video viene spesso ingrandita per rendere visibile lo spostamento.
Nel caso della maniglia anta‑ribalta, la mappa della geometria iniziale mostrava le tensioni concentrate alla radice dell'elemento elastico in POM; con la molla a doppia curva la deformazione si distribuisce lungo tutto l'elemento.
Dal modello al pezzo
Come usiamo l'analisi agli elementi finiti.
Partiamo dal componente
La base della maniglia, resa dal file 3D del componente.
Per valutare il prodotto chiediamo un disegno o un prodotto esistente, le quantità previste, il materiale se già definito, i requisiti e la data obiettivo.Il calcolo si esegue sul modello 3D del pezzo.
Carichi e vincoli
Lo stesso modello, a schema: il tratteggio è il vincolo, la freccia il carico.
Il calcolo vale per le forze e i fissaggi che gli si assegnano.Per la maniglia valeva la norma del prodotto.Le condizioni di carico e di vincolo non sono state definite da noi: sono le condizioni applicative prescritte dalla norma.
Confrontiamo le geometrie
La mappa delle tensioni sulla geometria iniziale, dal calcolo del caso. Il riquadro del software dà il valore in un solo nodo della mesh; la scala della mappa arriva a 456 MPa.
blu, bassarosso, altaNella maniglia si è modificata la forma del punto critico e si è ripetuto il calcolo con lo stesso materiale e le stesse condizioni di carico.Cambiava solo la geometria, quindi il confronto era leggibile.
Verifichiamo sui pezzi reali
La stessa base del file 3D, nella geometria del passo 03, nel colore del materiale: un render, non i campioni di preserie.
Nella maniglia i campioni di preserie sono stati stampati sul portastampo proprietario TF Lab, con materiale e processo equivalenti alla produzione: su quei pezzi i test a norma sono significativi.
La base della maniglia, resa dal file 3D del componente.
La FEM richiede una conferma sul pezzo.
La FEM confronta le geometrie nelle condizioni di carico e di vincolo applicate al modello, cioè con forze e punti di fissaggio definiti.La conferma arriva dai pezzi reali: nel caso della maniglia, i campioni di preserie sono stati sottoposti internamente ai test richiesti dalla norma.
Sui pezzi dimensionati con l'analisi strutturale, TF Lab esegue poi prove di resistenza sui pezzi stampati, fra cui prove di trazione e prove a ciclo.
Resistenza e riempimento
La simulazione FEM e la simulazione di riempimento verificano aspetti diversi dello stesso pezzo.
La simulazione FEM calcola il comportamento del componente sotto carico; la simulazione di riempimento mostra come il materiale entra nella cavità dello stampo.Entrambe rientrano nelle verifiche che precedono la costruzione dello stampo.
L'analisi FEM strutturale mostra dove si concentrano le tensioni e come si deforma il componente con i carichi, i vincoli e il materiale assegnati.La simulazione di riempimento mostra le zone che si riempiono per ultime, i punti d'incontro dei fronti del materiale e dove l'aria rischia di restare intrappolata.Sul modello si confrontano configurazioni diverse mantenendo la stessa cavità.
Entrambe costano poco rispetto a una modifica a stampo costruito.Anche la conferma arriva per strade diverse: per la resistenza dalle prove sui pezzi stampati, per il riempimento dalla verifica in pressa, perché la velocità con cui il materiale entra nella cavità dipende dalle condizioni della macchina.
Domande sull'analisi FEM
Prima di mandarci un componente.
L'analisi FEM, o analisi agli elementi finiti, divide il modello tridimensionale del pezzo in piccoli elementi.Calcola come si deforma e dove si concentrano le tensioni sotto le forze applicate e con i vincoli definiti, cioè le condizioni che ne limitano il movimento.
FEM significa Finite Element Method, cioè metodo degli elementi finiti; FEA significa Finite Element Analysis e indica l'analisi che utilizza quel metodo.Nel linguaggio comune FEM e FEA si usano come sinonimi per indicare l'analisi agli elementi finiti di un componente.
Nel percorso di costruzione di uno stampo, serve prima di lavorare l'acciaio, quando il componente deve resistere a un carico.TF Lab applica la FEM al pezzo: il calcolo aiuta a individuare le criticità della geometria quando è ancora possibile modificarla sul disegno.
Sì.L'analisi FEM si esegue anche su un pezzo in plastica, come l'elemento elastico in POM della maniglia anta‑ribalta analizzata da TF Lab.Il confronto fra due geometrie, con lo stesso materiale e lo stesso caso di carico, ha mostrato come cambiava la distribuzione della deformazione.
TF Lab è a Lumezzane, in provincia di Brescia, e svolge verifiche FEM sui componenti prima della costruzione dello stampo.L'analisi rientra nel percorso di sviluppo del prodotto.Il primo passo è un confronto di mezz'ora, senza impegno, a partire da un pezzo, un problema o una domanda.
Il tempo dipende dal pezzo e dai casi di carico da analizzare, cioè dalle condizioni in cui vengono applicate le forze al componente.Si definisce dopo aver visto il modello e chiarito i requisiti del prodotto.
Per valutare un prodotto nuovo, TF Lab chiede un disegno o un prodotto esistente, le quantità previste, il materiale se già definito, i requisiti e la data obiettivo.Il calcolo si esegue sul modello tridimensionale del pezzo.
No.La conferma del comportamento previsto richiede verifiche sui pezzi reali.Nel caso della maniglia, dopo il confronto in simulazione sono stati eseguiti i test a norma sui campioni di preserie, con lo stesso materiale, lo stesso processo e le stesse caratteristiche meccaniche e dimensionali dei pezzi di produzione.
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Il punto di partenza
Un disegno, una foto del pezzo o un difetto ricorrente sono sufficienti per avviare l'analisi.