MODELLAZIONE NUMERICA DI MATERIALI INNOVATIVI (BIM 16)
L’impiego dei materiali avanzati in applicazioni strutturali ad alte prestazioni, ad esempio aerospaziali, tipicamente richiede un’adeguata ottimizzazione del materiale stesso e dei processi produttivi, minimizzando le risorse da dedicare a tale fase di sviluppo. Si rende, quindi, necessario un cambiamento di prospettiva, che permetta:
- l’integrazione del materiale come sottosistema nel ciclo di progettazione;
- l’introduzione del concetto di ciclo di vita nella progettazione della struttura.
In pratica, queste richieste portano a dover estendere le equazioni costitutive dei materiali impiegati nei codici di progettazione sia nel dominio spaziale sia nel dominio temporale, integrandovi dinamicamente gli aspetti chimico-fisici del comportamento e la loro evoluzione. Le esperienze maturate da CETMA hanno portato a definire un approccio alla progettazione termo-strutturale completamente innovativo, centrato sull’integrazione delle tecniche di modellistica attraverso le diverse scale spaziali e temporali, dalla atomistica alla mesoscopica alla macroscopica.
CETMA è quindi in grado definire, in funzione del materiale, il suo modello di riferimento ed implementarlo in un modello multi-scala per i codici di interesse industriale; questo consentirà l’analisi ed il calcolo predittivo o l’ottimizzazione del componente, con un livello di confidenza e di definizione superiori in funzione della complessità del materiale e delle prestazioni richieste.
La soluzione può essere applicata a tutti i settori in cui si prevede la progettazione di compositi polimerici e ceramici, la progettazione dei materiali da riciclo, la progettazione di tessuti strutturali (trasporti, aereonautico, aerospaziale).
SIMULAZIONE DI PROCESSO DI MATERIALI CERAMICI TRADIZIONALI ED AVANZATI (BIM 17)
Il processo tradizionale di produzione di idrosanitari in materiale ceramico richiede la realizzazione di stampi di forma complessa che tengano conto delle deformazioni dei componenti durante le fasi di essiccazione e di cottura. La previsione delle deformazioni tipicamente è condotta dalle aziende mediante un lungo processo iterativo di tipo “trial and error” che si basa sull’esperienza di personale qualificato. La mancanza di strumenti affidabili per la previsione della forma del manufatto finale aumenta i tempi ed i costi per la produzione di una nuova serie di prodotti e limita fortemente la capacità produttiva e la flessibilità delle imprese del settore.
Utilizzando tecniche avanzate di modellazione numerica è possibile progettare efficacemente componenti di forma complessa, considerando tutti i parametri che maggiormente influenzano il processo produttivo, con una notevole riduzione dei tempi e dei costi di sviluppo e immissione sul mercato.
CETMA ha sviluppato un metodo innovativo di progettazione per il settore dei ceramici in grado di prevedere il comportamento di manufatti complessi dal design innovativo durante il processo produttivo e di determinare, in tempi e costi competitivi sul mercato, i parametri di riferimento per ottenere la geometria degli stampi.
Ha accumulato negli anni una consolidata esperienza nella modellazione numerica di materiali ceramici; esperienza convalidata dai continui confronti con i risultati ottenuti da numerose attività sperimentali condotte presso aziende di produzione o nel proprio laboratorio, disponendo di attrezzature specifiche per la caratterizzazione e lo studio dei materiali ceramici durante il processo di sinterizzazione o di investment casting.
Il Know-how sviluppato può essere molto utile nello sviluppo e ottimizzazione di processi produttivi inerenti i materiali ceramici, tradizionali ed avanzati, in quanto rappresenta uno strumento con avanzate capacità predittive, indispensabili per le attività di progettazione e realizzazione di manufatti e stampi di forma complessa.
Il know-how sviluppato è applicabile a tutti i settori di produzione di manufatti in materiale ceramico tradizionale o avanzato, come idrosanitari ma anche piastrelle e stoviglie. È inoltre applicabile al processo di produzione di palette di turbine per il settore aeronautico, aerospaziale ed energetico, per la previsione delle distorsioni di anime e gusci ceramici.
SIMULAZIONI DEL PROCESSO DI INFUSIONE DI RESINA (BIM-21)
Il processo di produzione di componenti mediante iniezione di resina in un rinforzo è caratterizzato da molte variabili, che interagiscono tra loro e che possono avere una forte influenza sul risultato (geometria del componente, spessori, geometria del tessuto, proprietà reologiche e chimiche della resina, materiale dello stampo, punti di inlet e outlet, etc). La maggior parte delle aziende operano con un approccio di tipo “trial and error”, i cui risultati non sempre sono quelli di un processo ottimizzato e che in ogni caso comporta costi e tempi di sviluppo elevati. In effetti, per ottenere un componente di buona qualità, è importante evitare che il liquido impregnante si accumuli in zone specifiche del manufatto, determinando la formazione di punti di debolezza e fragilità. Inoltre, occorre impedire che si creino percorsi preferenziali attraverso i quali esso possa raggiungere i canali di uscita prima di avere completato il riempimento dello stampo o l’impregnazione del rinforzo. Ciò può causare nel componente finale difettosità che ne andranno a compromettere la funzionalità.
Utilizzando la modellazione numerica è possibile progettare efficacemente il componente, considerando tutti parametri che maggiormente influenzano il processo produttivo, quali la permeabilità, la porosità e la formabilità del rinforzo e le loro reciproche interazioni, con una notevole riduzione dei tempi e dei costi di sviluppo e industrializzazione. Comunque per trarre effettivamente vantaggio dalla simulazione numerica, un confronto iterativo con i dati sperimentali risulta sempre necessario.
CETMA ha accumulato una profonda conoscenza specialistica sui processi di infusione di liquidi viscosi (resine, colle, liquidi biologici, ecc.) all’interno di un mezzi porosi (rinforzo fibroso, agglomerato lapideo, spugne) ed ha raccolto una vasta serie di dati sperimentali, i quali consentono di calibrare i modelli numerici utilizzati nelle simulazioni ottenendone risultati più affidabili.
La soluzione può essere applicata a tutti i settori in cui si prevede la progettazione e realizzazione di componenti mediante processi di iniezione di liquidi viscosi in una preforma.
Il principale ambito è l’industria del settore trasporti: aerospaziale, aeronautico, automobilistico, navale e ferroviario.
MODELLAZIONE NUMERICA DEL PROCESSO DI SALDATURA (BIM-33)
Il processo di saldatura influisce fortemente sul materiale coinvolto a causa dei cambiamenti di stato cui va incontro (fusione, solidificazione, in alcuni casi anche vaporizzazione). Ciò comporta un’estrema difficoltà nel determinare le caratteristiche finali del componente in termini sia geometrici (ad esempio le distorsioni residue) sia di proprietà meccaniche.
L’approccio tradizionale è un lungo processo iterativo di tipo “trial and error” che si basa sull’esperienza di personale qualificato. La mancanza di strumenti affidabili per la previsione della forma e delle proprietà meccaniche del componente finale aumenta i tempi ed i costi di produzione e limita fortemente la capacità produttiva e la flessibilità delle imprese.
Utilizzando tecniche avanzate di modellazione numerica è possibile, invece, prevedere tali caratteristiche senza dover ricorrere a sperimentazioni reali, occupando di conseguenza i macchinari aziendali e distogliendoli dalle ordinarie attività di produzione.
CETMA ha le competenze e gli strumenti per definire, in funzione del materiale e della tipologia di saldatura considerata, il modello di calcolo necessario ed implementarlo in codici di calcolo; ciò consente l’analisi predittiva o l’ottimizzazione del componente, con un livello di confidenza e definizione in funzione della complessità del manufatto e delle prestazioni richieste.
Nel settore della modellazione numerica di processi di saldatura, non esistono soluzioni universali applicabili tal quali ad ogni problema analizzato. CETMA nella sua esperienza multidisciplinare e pluriennale su tecnologie e su tipologie di materiali differenti ha raccolto una vasta serie di dati ed informazioni specialistiche e non facilmente disponibili che gli consentono di calibrare e validare i modelli numerici affrontando con maggiore confidenza le simulazioni di processi di saldatura.
Il know-how sviluppato può essere applicato a tutti i settori in cui si prevede la realizzazione di componenti mediante processi di saldatura su materiali sia tradizionali che innovativi o, in generale, processi di natura termo-meccanica che comportino fenomeni di cambiamento di stato come ad esempio i processi per fusione.
Il principale ambito applicativo è senz’altro l’industria del settore trasporti: aerospaziale, aeronautico, automobilistico, navale e ferroviario.
MODELLAZIONE NUMERICA DI FENOMENI COMPLESSI (BIM-35)
Nella maggior parte delle situazioni in cui occorre risolvere problematiche complesse, l’approccio tradizionale è un lungo processo iterativo di tipo “trial and error” che si basa sull’esperienza di personale qualificato. La mancanza di strumenti affidabili per la previsione di uno scenario critico aumenta i tempi ed i costi della soluzione finale e limita fortemente la capacità produttiva e la flessibilità delle imprese.
Utilizzando tecniche avanzate di modellazione numerica è possibile, invece, prevedere l’evoluzione di un fenomeno fisico complesso senza dover ricorrere a sperimentazioni od osservazioni reali, con un abbattimento dei costi, una progettazione mirata perché si possono prendere in considerazione più grandezze fisiche e nello studio di un maggior numero di scenari. Va altresì evidenziato l’azzeramento dei rischi a cui si è esposti in contesti pericolosi.
CETMA ha sviluppato know-how relativo a modelli di calcolo per l’analisi di fenomeni complessi: scambio termico (conduzione, convezione e irraggiamento), fluidodinamica (liquidi, gas, fluidi mono o multi fase, flussi laminari o turbolenti, sostanze inerti o reagenti), fenomeni dinamici (esplosione ed effetti sulle strutture), movimentazione di particelle. Tale know-how si basa su competenze multi-fisiche in grado di implementare in codici di calcolo “general purpose”, non orientati a specifiche soluzioni ma estremamente versatili, le equazioni caratteristiche dei fenomeni da analizzare.
L’elevata esperienza nella modellazione numerica, insieme con la stretta integrazione con i laboratori sperimentali ha consentito a CETMA di raccogliere un patrimonio di informazioni unico, fortemente specialistico, difficilmente uguagliabile all’esterno e indispensabile per eseguire con affidabilità simulazioni complesse.
BREVETTO EUROPEO N. EP 2 543 985 B1, “METODOLOGIA NUMERICO-SPERIMENTALE PER LO STUDIO DEL COMPORTAMENTO VISCOSO DEI MATERIALI” (BIM-36)
Lo studio del comportamento viscoso dei materiali solidi, in funzione della temperatura, è effettuato generalmente tramite l’impiego di strumentazioni ottiche in grado di compiere misure senza alcun contatto con il campione da esaminare. Nonostante l’impiego della tecnologia ottica, il campione da esaminare per effetto viscoso interferisce con lo strumento di misura andando inevitabilmente a compromettere i risultati del test sperimentale portando all’inconveniente di ottenere risultati non attendibili e dati non ripetibili.
L’invenzione oggetto di questo brevetto, invece, riguarda lo sviluppo di una metodologia numerico-sperimentale per lo studio del comportamento viscoso dei materiali e per la valutazione dell’effettivo andamento della viscosità di un materiale. Essa comprende:
- una configurazione di test sperimentale sviluppata ad hoc in grado di risolvere i problemi riscontrati nel test convenzionale e di ottenere un risultato sperimentale attendibile e ripetibile;
- una simulazione numerica del test sperimentale per la determinazione della viscosità del materiale in funzione della temperatura.
La soluzione si presta allo studio di tutti quei materiali che, durante un processo, esibiscono contemporaneamente un ritiro ed una deformazione viscosa come, ad esempio, materiali ceramici, polimerici, materiali compositi ed altri.
In particolare, è applicabile a tutti i settori di produzione di manufatti in materiale ceramico tradizionale o avanzato, come idrosanitari ma anche piastrelle e stoviglie. Ed ancora, è applicabile al processo di produzione di palette di turbine per il settore aeronautico, aerospaziale ed energetico.