La Panasonic migliora lo stampaggio ad iniezione con il generative design
Lo stampaggio ad iniezione è essenziale per la produzione di massa dei materiali plastici, particolarmente quelli con geometrie complesse. Per fornire prodotti qualitativamente vantaggiosi a dei costi inferiori, la Panasonic sta usando il generative design per la progettazione automatica dei canali di raffreddamento per lo stampaggio ad iniezione.
In Giappone, la Life Solutions Company di Panasonic Corporation ha sviluppato un nuovo metodo di produzione per i canali d’acqua che raffreddano lo stampo. Sta utilizzando il sistema ibrido LUMEX Avance-25, la prima stampante 3D per metalli al mondo che unisce la produzione additiva in metallo con la fresatura per creare parti complesse. Questo sistema ha già ridotto i tempi di raffreddamento del 20% rispetto ai metodi convenzionali.
Seiichi Uemoto è un analista presso il Manufacturing Engineering Center dell’azienda, dove vengono progettati e fabbricati gli stampi. Tiene lezioni che supportano lo sviluppo di competenze di ingegneria assistita da computer (CAE) per insegnare le tecniche avanzate necessarie per progettare gli stampi.
Mentre stava ottimizzando la progettazione dei circuiti di raffreddamento per gli stampi in metallo a forma di scatola (presentati alla fiera InterMold nel 2014), Uemoto ha usato i dati di deformazione dei prodotti stampati per analizzare gli spazi vuoti tra i canali di raffreddamento. Questo lavoro lo ha portato ha cercare di utilizzare il design generativo per automatizzare la progettazione degli stampi in metallo.
“Pensavo che, con le impostazioni corrette, potessi usare il generative design per creare automaticamente nuovi canali di raffreddamento degli stampi”, racconta Uemoto. Ha visto come applicare l’analisi strutturale al design generativo, così da realizzare in modo efficiente forme dal peso ridotto.
“L’ottimizzazione della topologia può produrre un’unica soluzione: quella fornita dalle condizioni del sistema”, spiega Uemoto. “È difficile produrre qualcosa con contorni regolari a partire dal risultato generato. Ho visto, però, che con il generative design potevamo avere risultati con forme più regolari. Sfruttandolo, avremmo potuto generare in modo efficiente concetti multipli, tenendo conto dei princìpi della manifattura”.
Un workflow supportato dal design generativo
Uemoto sperava che con il generative design avrebbe prodotto stampi con delle forme nuove, automatizzando il processo stesso di progettazione. I progettisti più esperti dell’azienda stanno sviluppando una gamma di prodotti, con l’aiuto di Autodesk Moldflow, per le simulazioni dello stampaggio, aiutando a rifinire ulteriormente i modelli. “Ho pensato che, se usiamo la progettazione automatica per aiutare i progettisti con intuizioni alle quali non arriverebbero, garantiamo loro una maggiore libertà nel lavoro”, prosegue Uemoto.
Per raggiungere questo obiettivo, Panasonic ha collaborato con il team di Advanced Consulting di Autodesk in Inghilterra, su un progetto che applicava le teorie di Uemoto ai canali per l’acqua di raffreddamento degli stampi. Sono state scelte le palette delle ventole usate nei sistemi di ventilazione dei condotti, che erano già prodotte in massa, come oggetto di prova.
Queste palette erano piccole e dalla forma complessa. Un progettista esperto ha fornito vincoli per la forma iniziale del pezzo: condizioni per i canali dell’acqua da generare e restrizioni per impedire ai percorsi dei canali di influenzare i dettagli fini del prodotto stampato.
Durante il processo di generative design, la forma del prodotto è cambiata numerose volte, finché sono rimasti solo i componenti essenziali per creare i canali dell’acqua richiesti. Dal momento che gli ingegneri Panasonic avevano progettato stampi già molto rifiniti, Uemoto pensava che fosse difficile per il software migliorarli rispetto all’efficienza del modello originale. “Invece sono stato davvero colpito dai modelli completamente formati che sono stati generati automaticamente”, commenta l’analista.
Ancora più sorprendente è stato il layout dei canali dell’acqua. Parte del progetto include i canali che sono stati impostati per correre lungo il guscio esterno dello stampo, improvvisamente ramificati in modi unici. Uemoto descrive il modello risultante come qualcosa che non avrebbe mai neppure immaginato e spiega: “Le forme realizzate dal processo di generative design non avrebbero mai potuto essere concepite da nessuno”.
Fornire capacità attraverso la produzione
A seguito del processo di progettazione, sono stati prodotti quattro stampi diversi: il Caso B, il pezzo originale già usato in produzione, progettato da un ingegnere esperto; il Caso C, un modello di generative design automatico basato sul pezzo originale; il Caso D, un risultato di generative design basato su dei vincoli piccoli, e il Caso E, lo stesso modello del Caso C ma con canali per l’acqua aggiuntivi. I prodotti realizzati sono stati misurati con precisione per valutare le prestazioni di ogni stampo.
Le misurazioni dei prodotti fusi hanno mostrato che c’era una differenza minima nelle prestazioni tra uno stampo che usa canali di raffreddamento per lo stampaggio ad iniezione generati in automatico ed il modello dell’ingegnere esperto. “Ho potuto vedere in che modo il modello è stato calcolato per dare forma al prodotto attraverso variazioni di temperatura all’interno dello stampo”, spiega Uemoto. “Un processo davvero sorprendente. Infine, abbiamo ottenuto dati CAM [produzione assistita da computer] sagomati in modo omogeneo, raggiungendo così il nostro obiettivo di lavorare con la progettazione automatica”.
Per progettare uno stampo serve un ingegnere esperto che lavori otto ore al giorno. Al momento non c’è modo di semplificare questo processo, indipendentemente dal livello di competenze del progettista. Tuttavia, Uemoto si aspetta che il successo di questo progetto porti a soluzioni che ridurranno il carico di lavoro per questi ingegneri.
“Si tratta di un progresso straordinario”, sostiene Uemoto. “Se diventerà parte di un pacchetto software in un futuro prossimo, potrà portare a consentirci di sviluppare programmi ancora più incentrati sul controllo della temperatura. Questo dovrebbe apportare vantaggi ad un grande numero di utenti ed applicazioni”.
Questo articolo è stato aggiornato. Era originariamente pubblicato il 18 Agosto 2020.