SphereneNXT integra la simulazione FEM

SphereneNXT integra la simulazione FEM: progettazione e verifica delle strutture interne nello stesso ambiente

Spherene ha aggiunto alla piattaforma browser sphereneNXT una funzione di simulazione strutturale che permette di passare dalla progettazione dell’architettura interna di un componente alla verifica meccanica senza esportare continuamente la geometria verso un software CAE separato. La funzione è arrivata con sphereneNXT 2.0 alla fine di settembre 2026 e rappresenta un passaggio significativo nell’evoluzione della piattaforma svizzera: sphereneNXT non si limita più a generare Adaptive Density Minimal Surfaces, TPMS e strutture a travi, ma può creare direttamente la mesh agli elementi finiti, applicare materiali, vincoli e carichi, eseguire un’analisi strutturale nel cloud e restituire tensioni, deformazioni e spostamenti. È però importante definire correttamente il livello della tecnologia. La prima versione supporta esclusivamente analisi statiche lineari, assumendo materiali elastici lineari e piccole deformazioni. Non è quindi, almeno per ora, un sostituto completo di piattaforme CAE destinate a contatto non lineare, plasticità, grandi deformazioni, buckling, fatica, dinamica, termomeccanica o altre analisi avanzate.

L’interesse della funzione nasce soprattutto dal tipo di geometrie con cui lavora Spherene. Analizzare una staffa piena relativamente semplice e analizzare una struttura interna costituita da superfici minime, sottili pareti curve e densità variabile non comportano lo stesso problema numerico. Nel secondo caso la quantità di geometria cresce rapidamente, la mesh può diventare molto grande e ogni modifica della distribuzione interna richiede potenzialmente un nuovo ciclo di discretizzazione e calcolo. Finora il workflow tipico prevedeva generazione della struttura, esportazione, importazione in un ambiente FEA, costruzione della mesh, definizione dello studio e, dopo l’analisi, ritorno al software di design per modificare densità o geometria. Integrando questi passaggi, Spherene vuole rendere più breve soprattutto il ciclo design-simulate-modify-simulate.

SphereneNXT è nato per progettare ciò che normalmente rimane nascosto dentro il componente

Spherene AG ha lanciato sphereneNXT il 30 giugno 2026 come piattaforma interamente browser-based dedicata alla progettazione delle strutture interne per additive manufacturing. La filosofia è diversa da quella di un CAD generalista: l’utente può partire da un envelope già progettato in un altro sistema CAD e utilizzare la piattaforma per definire ciò che deve occupare il volume interno.

Il nucleo proprietario è costituito dalle Adaptive Density Minimal Surfaces, ADMS, una famiglia di geometrie brevettata da Spherene. A differenza di molte lattice convenzionali costruite replicando periodicamente una cella elementare, ADMS utilizza superfici continue la cui dimensione caratteristica, densità e spessore possono cambiare localmente. Spherene presenta questa capacità come uno strumento per creare transizioni più graduali e adattare il materiale alle differenti regioni del componente.

Il concetto va distinto dalle più note Triply Periodic Minimal Surfaces, TPMS, come gyroid, diamond o primitive. Una TPMS tradizionale deriva da una funzione periodica e tende quindi a produrre una struttura regolare, anche se può essere successivamente graduata modificando scala o spessore. L’ADMS di Spherene non è limitata alla ripetizione di una singola cella e può conformarsi all’envelope esterno attraverso una topologia non periodica.

La società attribuisce alle ADMS proprietà come comportamento prossimo all’isotropia, migliore distribuzione dei carichi e maggiore tolleranza al danneggiamento rispetto ad alcune geometrie periodiche. Queste affermazioni vanno considerate caratteristiche dichiarate e supportate da simulazioni e test presentati dall’azienda, non proprietà automaticamente garantite per qualsiasi parte. Materiale, densità relativa, spessore, processo produttivo, orientamento e difetti di stampa rimangono determinanti.

Spherene dispone comunque di una famiglia brevettuale specifica. La domanda internazionale relativa al metodo di produzione additiva di strutture a superficie minima rivendica priorità dal maggio 2019; negli Stati Uniti la relativa domanda US20230182396A1 è stata concessa il 30 settembre 2025 come US12427722B2. Esistono inoltre concessioni in altre giurisdizioni. In questo caso, quindi, parlare di tecnologia brevettata è corretto e non significa semplicemente “brevetto depositato”.

La nuova funzione è realmente basata sul metodo degli elementi finiti

La simulazione introdotta in sphereneNXT 2.0 non è soltanto una visualizzazione qualitativa delle zone apparentemente più sollecitate. La documentazione tecnica di Spherene descrive un normale workflow FEA: geometria, materiale, load case, generazione della mesh, soluzione e analisi dei risultati.

Ogni simulazione viene organizzata in uno Study. Lo studio comprende cinque gruppi principali: Geometry, Material, Load Cases, Mesh e Results. La geometria può essere stata creata nella piattaforma oppure importata dall’esterno e può comprendere strutture ADMS, TPMS, beam o geometrie più convenzionali.

La società sottolinea un aspetto interessante: il solver lavora sulla geometria effettivamente progettata e discretizzata, non su una rappresentazione equivalente semplificata dell’infill. In altre parole, se l’utente vuole valutare una superficie ADMS complessa, quella struttura viene effettivamente mesciata come volume tridimensionale e inserita nell’analisi.

Questo può rendere l’analisi più rappresentativa della geometria reale, ma ha un costo computazionale. Una struttura cellulare con pareti sottili può richiedere molti più elementi di un equivalente modello omogeneizzato. La scelta fra simulazione esplicita della microstruttura e modellazione mediante materiale equivalente rimane infatti uno dei compromessi classici nell’analisi dei metamateriali.

Materiali: per ora soltanto elasticità lineare isotropa

La prima versione della simulazione utilizza una legge costitutiva Linear Elastic 3D. L’utente definisce essenzialmente tre proprietà: modulo di Young, coefficiente di Poisson e densità. Sono disponibili preset per acciaio, alluminio e calcestruzzo, ma Spherene stessa specifica che si tratta di valori iniziali di riferimento e che l’utilizzatore deve sostituirli con i dati appropriati al proprio materiale.

Questo limite è particolarmente importante nell’additive manufacturing. Un componente metallico LPBF può presentare anisotropie dovute a orientamento di costruzione e microstruttura; un componente FFF può mostrare differenze ancora più marcate fra direzione delle estrusioni e direzione Z. Inserire semplicemente un modulo elastico isotropo significa assumere che il materiale risponda nello stesso modo in tutte le direzioni.

Per analisi preliminari di rigidezza o distribuzione dei carichi questa approssimazione può essere sufficiente. Non è invece automaticamente adeguata quando si vogliono prevedere rottura interlayer, plasticizzazione, comportamento di elastomeri, materiali compositi, creep o altri fenomeni non lineari.

È importante anche distinguere la simulazione della geometria nominale dal comportamento della parte stampata. Il solver analizza il modello matematico assegnato dall’ingegnere; non conosce automaticamente porosità, rugosità, variazioni dimensionali, tensioni residue o difetti generati dal processo produttivo. Una parte che supera l’analisi FEM non è per questo automaticamente qualificata per l’uso finale.

Vincoli e carichi possono essere definiti su regioni molto diverse della geometria

SphereneNXT permette di costruire più load case sullo stesso modello e applicare vincoli e carichi a nodi, facet, superfici, piani o bordi. Fra i vincoli disponibili nella prima release sono documentati fixed displacement, symmetry e roller constraints. Per i carichi sono previste, tra le altre possibilità, surface traction e point load, con differenti modalità per specificare forza complessiva, forza per unità di area, per unità di lunghezza o per nodo.

La possibilità di creare più load case è essenziale quando una struttura deve essere ottimizzata per condizioni operative differenti. Una staffa, per esempio, potrebbe essere soggetta principalmente a un carico verticale in una condizione e a una forza laterale in un’altra. Un’architettura interna estremamente efficiente per il primo caso potrebbe comportarsi peggio nel secondo.

Il software conserva inoltre la posizione dei carichi e dei vincoli prima ancora che venga generata la mesh. Durante il meshing le regioni possono essere raffinate localmente proprio in prossimità di queste condizioni al contorno.

Questo elemento può sembrare secondario, ma la qualità delle condizioni al contorno spesso influenza il risultato quanto il solver stesso. Una forza concentrata applicata matematicamente su un singolo nodo può creare una singolarità di tensione che non rappresenta necessariamente una condizione fisica reale. Anche con un’interfaccia semplificata, quindi, l’interpretazione ingegneristica rimane necessaria.

TET4 e TET10: la piattaforma offre elementi tetraedrici lineari e quadratici

La prima versione genera esclusivamente mesh tetraedriche, mentre Spherene indica che altre tipologie di mesh sono previste in futuro. L’utente può scegliere fra elementi tet4, tetraedri lineari a quattro nodi, e tet10, tetraedri quadratici a dieci nodi.

La differenza non riguarda soltanto il numero di nodi. Un TET4 interpola linearmente il campo di spostamento all’interno dell’elemento e rappresenta le superfici con facce piane. È relativamente economico da calcolare, ma può richiedere mesh molto fini per descrivere correttamente curvature o gradienti complessi.

Un TET10 aggiunge sei nodi intermedi lungo i bordi e utilizza funzioni di forma quadratiche. Può rappresentare meglio superfici curve e variazioni del campo di spostamento, ma richiede più memoria e capacità di calcolo.

Nel caso delle strutture ADMS questa scelta è rilevante perché la geometria è fortemente curvilinea. Non significa comunque che il tetraedro quadratico sia automaticamente “più accurato” in qualsiasi studio: risultato e costo dipendono da qualità della mesh, densità degli elementi, condizioni al contorno e problema analizzato.

Il software consente di definire dimensione minima e massima degli elementi e dispone di local refinement vicino a carichi e vincoli. È presente anche una funzione denominata Thin Wall Correction, pensata per evitare che pareti molto sottili scompaiano o vengano rappresentate in modo insufficiente durante la discretizzazione. Spherene consiglia per il parametro Fidelity epsilon un valore non superiore a circa un quarto dello spessore minimo della parete che deve essere conservata.

È un dettaglio particolarmente pertinente alle strutture interne additive: una parete sottile può essere perfettamente presente nel modello CAD e allo stesso tempo essere persa da una mesh troppo grossolana.

Mesh Quality e convergenza rimangono responsabilità dell’ingegnere

La piattaforma include un controllo della qualità della mesh con statistiche, istogrammi, visualizzazione degli elementi problematici e uno strumento Mesh Repair. Questo non elimina tuttavia uno dei requisiti fondamentali della simulazione numerica: la mesh convergence.

Spherene stessa raccomanda di raffinare la mesh e verificare che il risultato smetta di cambiare significativamente prima di considerare affidabile un valore. È un’indicazione corretta e importante.

Immagini molto dettagliate con mappe colorate delle tensioni possono infatti produrre una falsa sensazione di precisione. Una tensione massima di 287 MPa visualizzata con tre cifre non significa che il valore fisico sia noto con quella precisione. Se la mesh viene raffinata e il risultato passa a 340 MPa, il primo numero non era convergente.

Il problema diventa particolarmente critico in corrispondenza di spigoli vivi, punti di applicazione dei carichi e vincoli idealizzati, dove possono comparire singolarità numeriche. Per questo il valore massimo isolato non dovrebbe essere usato automaticamente come criterio di progetto senza esaminare il campo di tensione e il tipo di condizione al contorno che lo genera.

Solver iterativo e diretto, ma Spherene non identifica pubblicamente il motore numerico

Dopo mesh e pre-check l’utente può scegliere fra due modalità di soluzione: Iterative e Direct. Spherene consiglia generalmente l’iterativo per mesh grandi con molti gradi di libertà; il solver diretto viene proposto come alternativa per problemi più piccoli oppure quando l’iterativo non converge.

La documentazione fornisce un esempio volutamente indicativo secondo il quale un problema risolvibile in circa un minuto con il solver iterativo potrebbe richiedere anche un’ora con quello diretto. Non è un benchmark generale e non può essere utilizzato per stimare i tempi di qualsiasi progetto: numero di elementi, gradi di libertà, condizionamento della matrice, hardware assegnato e numero di core modificano drasticamente le prestazioni.

Il calcolo avviene nel cloud e l’utente può selezionare il numero di CPU core disponibili per il job.

Nella documentazione pubblica consultata Spherene non identifica invece il backend numerico o la specifica libreria utilizzata per il solver. È quindi corretto parlare di un sistema FEM con opzioni iterative e dirette, ma non attribuirlo a solutori commerciali o open-source specifici senza ulteriori informazioni.

Prima dell’esecuzione è disponibile un pre-check che verifica geometria, materiale, mesh, qualità della mesh, load case, vincoli, carichi e impostazione del solver. Gli errori bloccano l’esecuzione, mentre i warning possono essere accettati dall’utente dopo la verifica.

I risultati comprendono displacement, stress, strain e reaction forces

Una volta concluso il calcolo, ogni load case genera un risultato separato. La piattaforma può rappresentare spostamento totale e componenti, reaction forces, tensioni di von Mises, tensioni principali e strain. Per ogni campo vengono calcolati minimo, massimo, media, percentile 90, valore massimo assoluto e numero di nodi o elementi.

È possibile selezionare un punto sulla mesh per leggere il valore locale e visualizzare una forma deformata amplificata. Quest’ultima è naturalmente una visualizzazione: il fattore di scala della deformazione serve a rendere osservabili spostamenti che potrebbero essere troppo piccoli per essere visibili nella rappresentazione reale.

Il software consente inoltre di analizzare una regione specifica invece dell’intero modello. Per selezioni lungo un bordo può calcolare una media pesata sulla lunghezza; per una superficie una media pesata sull’area. È una funzione utile perché, in molti casi, il comportamento di una regione è più significativo del singolo massimo locale.

Il passaggio più interessante è riportare i risultati FEM dentro il design

L’integrazione diventa particolarmente interessante quando i risultati non vengono utilizzati soltanto per dire “passa/non passa”, ma vengono restituiti alla fase di progettazione.

sphereneNXT può esportare un Point Map, cioè un file CSV composto da coordinate X, Y e Z più un valore associato a ciascun punto. Il valore può derivare, per esempio, dal campo di spostamento o da un’altra grandezza calcolata dalla simulazione.

L’utente può definire un intervallo del risultato da campionare e rimapparlo verso un’altra scala. Un esempio indicato nella documentazione prevede la trasformazione del campo FEM in valori di densità dal 5 al 30%. La point map può quindi guidare una nuova struttura interna: densità maggiore nelle zone selezionate come maggiormente sollecitate e inferiore nelle regioni nelle quali il materiale produce minore beneficio.

È qui che occorre distinguere simulation-driven design da una vera ottimizzazione strutturale automatica. La prima release non sembra chiudere autonomamente un ciclo nel quale il software genera la geometria, risolve, modifica la densità, riesegue la simulazione e continua fino al raggiungimento di un optimum matematico. Esporta invece i risultati in un formato che può essere utilizzato come campo per guidare il design successivo.

È già un passo importante, ma non equivale ancora a un algoritmo di topology optimization completamente automatico.

Due workflow: simulare prima o simulare dopo la generazione dell’infill

Spherene propone due modi principali di utilizzare la funzione. Il primo consiste nel simulare l’envelope iniziale prima di generare l’architettura interna. In questo modo si cerca di comprendere dove il componente ha maggiore necessità di materiale e si utilizzano i risultati per orientare densità e struttura.

Il secondo consiste nel generare prima ADMS, TPMS o beam structure e poi simulare la geometria finale per verificare se il componente soddisfa il requisito meccanico.

Il workflow più maturo potrebbe combinare entrambi:

1. analisi del componente iniziale;
2. individuazione dei load path;
3. costruzione della struttura interna;
4. analisi della geometria effettiva;
5. modifica locale di densità o spessore;
6. nuova simulazione;
7. verifica della convergenza del progetto.

Questa iterazione non deve essere confusa con la convergenza della mesh: sono due problemi differenti. La mesh convergence serve a verificare che il risultato numerico sia stabile rispetto alla discretizzazione; la design convergence indica invece che ulteriori modifiche del progetto producono benefici sempre più piccoli rispetto all’obiettivo scelto.

Cosa significa realmente “linear static”

La principale limitazione tecnica della prima release è contenuta proprio nella definizione linear static structural analysis. Il modello assume che la relazione tra tensione e deformazione rimanga lineare e che le deformazioni siano sufficientemente piccole da non modificare sostanzialmente la configurazione geometrica del componente.

Questo rende possibile utilizzare il principio di sovrapposizione e semplifica notevolmente il problema numerico.

È un modello appropriato per moltissime verifiche preliminari: staffe, supporti, telai e componenti nei quali il materiale rimane all’interno del regime elastico e gli spostamenti sono piccoli rispetto alle dimensioni della struttura.

Diventa meno appropriato quando compaiono:

• plasticizzazione;
• contatto fra più corpi;
• grandi rotazioni o deformazioni;
• buckling;
• gomma ed elastomeri;
• materiali iperelastici;
• danneggiamento progressivo;
• crushing di strutture cellulari;
• delaminazione;
• carichi dinamici o di impatto;
• fatica;
• vibrazioni;
• creep;
• comportamento termomeccanico.

Quest’ultimo punto è particolarmente importante per metamateriali e strutture cellulari destinate ad assorbimento di energia. Una geometria può avere un comportamento iniziale quasi lineare ma diventare fortemente non lineare quando le pareti cominciano a piegarsi, collassare o entrare in contatto.

La simulazione attuale di sphereneNXT non deve quindi essere utilizzata per estrapolare automaticamente il comportamento completo fino alla rottura.

Una struttura “ottimizzata” in CAD non è automaticamente ottimizzata dopo la stampa

Il passaggio dalla simulazione alla produzione introduce un altro livello di incertezza. Le strutture interne molto sottili sono particolarmente sensibili alla capacità reale della tecnologia AM.

Una parete nominale da 0,5 mm può essere riprodotta in modo diverso mediante LPBF, SLA, SLS o FFF. La rugosità, l’orientamento, l’oversizing del melt pool, le condizioni di raffreddamento, l’effetto scala e i difetti modificano la sezione reale rispetto al CAD.

Anche il materiale può essere anisotropo. Se il modello FEM utilizza un acciaio isotropo da 200 GPa ma la parte reale presenta proprietà dipendenti dall’orientamento e difetti locali, la qualità grafica della simulazione non corregge la qualità dell’input.

Per applicazioni professionali diventa quindi essenziale calibrare il modello con provini e dati del processo realmente utilizzato. Simulation-driven design non significa simulation-only qualification.

La piattaforma rimane cloud-based, ma è prevista anche una strada enterprise

sphereneNXT viene utilizzato dal browser e sia generazione delle geometrie sia mesh e solve possono essere eseguiti nel cloud. Il modello commerciale combina abbonamenti e crediti computazionali. Gli studenti dispongono di un piano gratuito con 800 crediti mensili, mentre il piano Maker può partire gratuitamente con crediti acquistabili a consumo. Professional ed Enterprise vengono quotati su richiesta.

Per le aziende che non possono trasferire geometrie riservate verso un servizio cloud, Spherene indica per il livello Enterprise la disponibilità di on-premises e air-gapped deployment. È un elemento rilevante per aerospace, difesa e medicale, settori nei quali la gestione dei dati CAD può essere altrettanto importante delle funzioni tecniche del software.

La simulazione, però, non è compresa automaticamente in ogni piano. La stessa Spherene specifica nella documentazione di sphereneNXT 2.0 che la disponibilità dipende dalla configurazione dell’account e invita gli utenti a contattare il supporto per abilitarla. Non è quindi possibile ricavare dalle pagine pubbliche un prezzo autonomo e universale del modulo FEM.

Cosa offre oggi sphereneNXT 2.0 e cosa ancora no

L’integrazione è più importante del singolo solver

Il punto più significativo di sphereneNXT 2.0 non è l’introduzione di un altro solver lineare statico: l’analisi FEM di questo tipo è una tecnologia consolidata da decenni. L’interesse nasce dal fatto che il solver viene inserito direttamente nel workflow di generazione di strutture interne che possono diventare geometricamente molto complesse.

L’additive manufacturing permette di costruire geometrie che sarebbero difficili o impossibili con metodi convenzionali, ma questa libertà crea a sua volta un problema: progettare molte più superfici significa anche doverle analizzare. Se ogni iterazione comporta esportazioni, conversioni della mesh, ricostruzione dei vincoli e trasferimenti manuali fra software differenti, parte del vantaggio del design computazionale viene perso.

Spherene prova quindi a trasformare la simulazione da verifica finale a strumento di progettazione interno allo stesso ciclo. La possibilità di convertire tensioni o spostamenti in una point map e utilizzarla per modificare localmente la densità è probabilmente l’aspetto più coerente con questa strategia.

Non significa, tuttavia, che il nuovo ambiente possa sostituire qualsiasi CAE specialistico. Per strutture che lavorano vicino allo snervamento, componenti soggetti a fatica, crash, elastomeri, instabilità o forti anisotropie sarà ancora necessario ricorrere a modelli più complessi. E prima di utilizzare i risultati per una parte critica sarà comunque necessario verificare mesh, materiali, condizioni al contorno e correlazione con prove fisiche.

La novità è quindi meglio descritta come l’ingresso di sphereneNXT nel CAE strutturale, non come la conclusione di quel percorso. La prima release copre la domanda ingegneristica più semplice e frequente — “come si distribuiscono tensioni e spostamenti sotto un carico statico?” — e la collega direttamente alla generazione dell’architettura interna. Spherene dichiara già che questa è soltanto la prima fase e che altri moduli di analisi arriveranno successivamente, senza però aver ancora pubblicato una roadmap dettagliata sulle tipologie o sulle date.

Per chi utilizza metamateriali e infill avanzati, il valore effettivo dipenderà quindi meno dalla presenza della parola “simulation” e più da tre elementi: quanto grandi possono diventare le mesh prima che tempi e costi cloud diventino problematici, quanto bene i risultati possono pilotare realmente la generazione della geometria e quanto accuratamente i modelli potranno essere calibrati sulle proprietà delle parti prodotte mediante additive manufacturing. Sono questi aspetti che determineranno se la simulazione integrata diventerà principalmente uno strumento di screening rapido oppure una parte centrale di un workflow DfAM professionale.

Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).