Solukon presenta SPR-Pathfinder PRO per simulare e programmare la depolverazione dei componenti metallici
Un nuovo software per il post-processing della stampa 3D metallica
La società tedesca Solukon Maschinenbau GmbH ha introdotto SPR-Pathfinder PRO, una nuova versione del proprio software dedicato alla depolverazione automatizzata dei componenti metallici prodotti mediante fusione laser a letto di polvere. La soluzione è stata sviluppata per gestire parti con strutture interne, canali e superfici sempre più articolati, nei quali l’eliminazione della polvere residua può diventare uno dei passaggi più difficili dell’intero processo produttivo.
Il programma utilizza il modello digitale del componente per simulare il comportamento della polvere e calcolare la sequenza di movimenti che dovrà essere eseguita dalle apparecchiature di depolverazione di Solukon Maschinenbau GmbH. La versione PRO introduce una risoluzione di simulazione superiore, strumenti di ispezione interna e una previsione del tempo necessario per completare il ciclo di pulizia.
Perché la depolverazione è essenziale nella fusione laser a letto di polvere
Nei processi indicati come Laser Powder Bed Fusion, o PBF-LB, il componente viene costruito fondendo selettivamente strati successivi di polvere metallica. Al termine della produzione, una parte del materiale non fuso rimane intorno al pezzo e all’interno delle sue cavità. La polvere esterna può essere rimossa con relativa facilità, mentre quella intrappolata nei canali interni richiede procedure più controllate.
Il problema diventa più evidente nei componenti destinati ai settori aerospaziale, energetico e della gestione termica, dove la manifattura additiva viene utilizzata proprio per realizzare condotti curvi, scambiatori di calore, reticoli, collettori integrati e circuiti di raffreddamento difficili da ottenere con lavorazioni convenzionali.
Un componente può risultare correttamente stampato ma non essere utilizzabile se la polvere non viene eliminata in modo completo e documentabile. I residui possono ostruire i condotti, modificare il peso del pezzo, contaminare i fluidi che dovranno attraversarlo o fuoriuscire durante le successive operazioni di lavorazione e assemblaggio.
Dalla programmazione manuale al calcolo basato sul file CAD
SPR-Pathfinder utilizza il file CAD dell’intero lavoro di stampa per calcolare un programma di pulizia specifico. Il software analizza il gemello digitale della parte attraverso una simulazione del flusso e determina come il componente deve essere orientato e movimentato affinché la polvere possa uscire dalle aperture disponibili.
La sequenza calcolata viene trasferita alla macchina di depolverazione, che esegue i movimenti programmati combinando la rotazione del componente con specifiche forme di vibrazione. In questo modo l’operatore non deve definire manualmente ogni orientamento o tentare diverse combinazioni attraverso prove successive.
Il programma può elaborare anche un lavoro completo formato da più componenti, compresi pezzi differenti posizionati sulla stessa piastra di costruzione. Durante il calcolo viene considerata anche la scorrevolezza specifica del materiale, poiché polveri con granulometria, morfologia e composizione diverse non si comportano allo stesso modo durante la pulizia.
Una risoluzione di simulazione venti volte superiore
Una delle principali differenze introdotte da SPR-Pathfinder PRO riguarda il livello di dettaglio con cui viene simulato il comportamento della polvere. La precedente configurazione standard aveva un limite di circa 2,4 milioni di voxel per la rappresentazione della geometria, mentre la versione PRO elimina il limite massimo di voxel dichiarato da Solukon Maschinenbau GmbH.
Il software può inoltre elaborare fino a un milione di particelle virtuali, rispetto alle 50.000 previste dalla versione BASIC. Si tratta di un aumento pari a venti volte, pensato per rappresentare con maggiore precisione la distribuzione e il movimento della polvere negli spazi interni.
Il numero di particelle influisce sulla capacità della simulazione di descrivere il flusso all’interno di canali sottili, superfici ravvicinate e volumi suddivisi in numerose cavità. Una risoluzione maggiore richiede più capacità di calcolo, ma permette di analizzare zone che, con un modello meno dettagliato, potrebbero essere semplificate eccessivamente.
Canali inferiori al millimetro e geometrie difficili da ispezionare
Secondo Solukon Maschinenbau GmbH, SPR-Pathfinder PRO è stato sviluppato anche per parti contenenti canali con dimensioni inferiori al millimetro e superfici interne molto ravvicinate. Queste configurazioni sono utilizzate, per esempio, nei componenti di gestione termica e nei sistemi aerospaziali con circuiti integrati.
Nei condotti di piccolo diametro, l’attrito tra le particelle e le pareti può ostacolare lo scorrimento della polvere. Curve strette, variazioni improvvise della sezione, intersezioni e cavità prive di un percorso di uscita diretto possono aumentare ulteriormente il rischio di accumulo.
La simulazione non modifica le caratteristiche fisiche del pezzo già prodotto, ma consente di stabilire se una determinata sequenza di orientamenti può favorire l’uscita del materiale. Quando la simulazione evidenzia un blocco, il progettista può valutare una modifica della geometria prima di avviare la produzione.
Ispezione del componente sui piani X, Y e Z
SPR-Pathfinder PRO permette di creare sezioni trasparenti del componente lungo tutti e tre gli assi principali, X, Y e Z. L’operatore può osservare l’interno della geometria da diverse direzioni e modificare il livello di trasparenza del modello.
Questa funzione è stata progettata per individuare strozzature, sacche di polvere e zone nelle quali il materiale potrebbe restare intrappolato. La possibilità di sezionare digitalmente il componente permette di esaminare aree che non sarebbero visibili dall’esterno e che potrebbero risultare difficili da controllare anche attraverso strumenti di ispezione convenzionali.
Le viste in sezione possono essere utilizzate durante lo sviluppo del componente e non soltanto dopo la stampa. Il progettista può quindi verificare la depolverabilità mentre sta ancora definendo i canali, le aperture e l’orientamento del pezzo sulla piattaforma.
La depolverabilità entra nella fase di progettazione
Con SPR-Pathfinder PRO, Solukon Maschinenbau GmbH intende estendere il concetto di Design for Additive Manufacturing alla fase di rimozione della polvere. Il Design for Additive Manufacturing considera fin dall’inizio aspetti come orientamento, supporti, deformazioni, spessori minimi e capacità della macchina di produrre la geometria.
Il cosiddetto Design for Depowdering aggiunge un’ulteriore domanda: la polvere non fusa potrà uscire in maniera affidabile dalle strutture interne? Una parte può essere tecnicamente stampabile, ma richiedere operazioni di pulizia troppo lunghe, difficili da ripetere o non sufficientemente controllabili per una produzione industriale.
La depolverabilità viene quindi trattata come un parametro di progettazione, al pari della producibilità, della resistenza e delle tolleranze dimensionali. Quando il software individua un punto critico, il progettista può aggiungere un foro di scarico, modificare la sezione di un condotto o eliminare una cavità chiusa prima che il componente venga costruito.
Previsione del tempo necessario per la pulizia
Un’altra funzione introdotta dalla versione PRO riguarda la previsione del tempo di depolverazione. Il software può indicare sia la durata prevista del calcolo sia il tempo che la macchina di Solukon Maschinenbau GmbH impiegherà per eseguire il programma di pulizia.
Nella produzione di prototipi, una variazione di alcuni minuti può avere un impatto limitato. Nelle lavorazioni ripetitive o nelle serie industriali, la durata del post-processing deve invece essere inserita nella pianificazione insieme alla stampa, al trattamento termico, alla rimozione dei supporti, alle lavorazioni meccaniche e ai controlli finali.
Una stima attendibile permette di programmare l’utilizzo delle macchine, confrontare diversi orientamenti e calcolare meglio il costo di produzione del componente. Può inoltre evidenziare geometrie che richiedono tempi di pulizia sproporzionati rispetto al loro valore o al ciclo produttivo previsto.
Il movimento simulato corrisponde a quello della macchina
Durante la simulazione, il modello digitale viene movimentato nello stesso modo in cui la parte sarà ruotata all’interno del sistema di depolverazione. Questa corrispondenza consente di valutare non soltanto la geometria statica, ma anche gli effetti della successione degli orientamenti.
La polvere può infatti spostarsi da una cavità a un’altra prima di raggiungere un’apertura. Una rotazione non adeguata potrebbe trasferire il materiale verso una zona chiusa, mentre una sequenza studiata correttamente può accompagnarlo attraverso canali e cambi di direzione fino all’uscita.
Una volta terminato il calcolo, il programma può essere trasferito alla macchina. Nella versione PRO, la sequenza generata può anche essere modificata, consentendo agli operatori di adattarla alle esigenze del processo o alle informazioni raccolte durante le prime prove.
SPR-Pathfinder sarà disponibile nelle versioni BASIC e PRO
Con il lancio del nuovo prodotto, Solukon Maschinenbau GmbH ha suddiviso SPR-Pathfinder in due versioni. SPR-Pathfinder BASIC è destinato ai componenti con complessità media e calcola automaticamente il programma di pulizia partendo dal file CAD, senza offrire tutte le funzioni avanzate di visualizzazione e simulazione.
La versione BASIC gestisce file fino a 100 MB e simulazioni con un massimo di 50.000 particelle. Può calcolare il programma per un intero lavoro di stampa, considerare la scorrevolezza del materiale e servire più apparecchiature Solukon mediante una sola licenza.
SPR-Pathfinder PRO può invece gestire file fino a 10 GB, un milione di particelle e un numero non limitato di voxel. A queste capacità aggiunge la pre-simulazione, le sezioni trasparenti, la previsione dei tempi, la possibilità di definire una fase di pre-pulizia e la modifica del programma calcolato.
Le principali differenze tra SPR-Pathfinder BASIC e PRO
Entrambe le versioni automatizzano il calcolo della sequenza di movimento e possono elaborare più parti presenti sulla stessa piastra. La differenza principale non consiste quindi nella possibilità di generare un programma, ma nel livello di simulazione, analisi e controllo messo a disposizione dell’utente.
SPR-Pathfinder BASIC può essere impiegato quando la geometria è conosciuta, i canali non presentano criticità particolari e l’obiettivo principale è evitare la programmazione manuale della macchina. La versione PRO è indirizzata alle aziende che producono componenti con circuiti interni complessi o che devono documentare in modo più approfondito le condizioni di post-processing.
La scelta dipenderà anche dalla dimensione dei file CAD e dalla quantità di dettagli geometrici da analizzare. Componenti aerospaziali, scambiatori di calore e parti con reticoli interni possono generare modelli molto pesanti, per i quali il limite di 100 MB della versione BASIC potrebbe non essere sufficiente.
Compatibilità con i sistemi di depolverazione Solukon
SPR-Pathfinder è compatibile con diversi sistemi metallici prodotti da Solukon Maschinenbau GmbH, tra cui SFM-AT350, SFM-AT800-S, SFM-AT1000-S e SFM-AT1500-S. La compatibilità con SFM-AT350 dipende dalla generazione e dal numero di serie della macchina, mentre i modelli SFM-AT800-S, SFM-AT1000-S e SFM-AT1500-S supportano il software a partire dalle rispettive configurazioni indicate dal produttore.
Questa gamma copre componenti di dimensioni molto diverse. SFM-AT350 è progettata per parti fino a circa 400 × 400 × 400 millimetri e con un peso massimo di 100 chilogrammi, mentre SFM-AT1000-S può gestire componenti alti fino a un metro e pesanti fino a 800 chilogrammi.
SFM-AT1500-S è destinata a parti ancora più grandi, come sezioni di motori a razzo, con un’altezza massima dichiarata di 1.500 millimetri e un peso che può raggiungere 2.100 chilogrammi.
Rotazione su due assi e vibrazioni controllate
Le apparecchiature Solukon rimuovono la polvere combinando la rotazione automatizzata del pezzo con vibrazioni programmate. Nei sistemi come SFM-AT800-S, il componente può ruotare senza limiti su due assi all’interno di una camera protetta.
Le vibrazioni aiutano a separare le particelle dalle pareti interne e a superare attrito, agglomerazioni e punti di accumulo. La sequenza di rotazione orienta invece le aperture affinché la gravità possa guidare il materiale verso l’esterno.
L’efficacia non dipende quindi da un singolo movimento, ma dalla combinazione tra orientamento, durata, vibrazione e caratteristiche della polvere. SPR-Pathfinder PRO viene utilizzato per stabilire in anticipo questa combinazione sulla base della geometria effettiva del componente.
Pulizia in atmosfera protetta per materiali reattivi
La gestione della polvere metallica richiede precauzioni specifiche, soprattutto quando vengono lavorati materiali reattivi come titanio e leghe di alluminio. Le polveri fini possono formare miscele combustibili e devono essere manipolate evitando fonti di innesco, dispersioni nell’ambiente e accumuli incontrollati.
I sistemi di Solukon Maschinenbau GmbH possono operare in atmosfera inerte, riducendo la presenza di ossigeno durante la rotazione e la vibrazione del componente. Questo approccio limita il contatto dell’operatore con il materiale e consente di mantenere il processo in una camera chiusa.
Il software non sostituisce le misure di sicurezza della macchina, ma contribuisce ad automatizzare il ciclo, riducendo la necessità di manipolare manualmente il pezzo per tentare di liberare la polvere dalle cavità.
Il ruolo di Siemens nello sviluppo dell’algoritmo
La tecnologia alla base di SPR-Pathfinder comprende un algoritmo di depolverazione sviluppato in collaborazione con Siemens. Il rapporto tra Solukon Maschinenbau GmbH e Siemens risale alle prime attività dedicate alla simulazione della rimozione della polvere e all’utilizzo del gemello digitale anche dopo la fase di stampa.
Nel 2019 le due aziende hanno ricevuto un riconoscimento TCT per l’impiego del software su un sistema Solukon SFM-AT800-S. La prima versione commerciale di SPR-Pathfinder è stata poi presentata nel 2022.
La collaborazione ha permesso di estendere l’utilizzo dei dati CAD dal processo di costruzione al post-processing. Il modello digitale non viene quindi impiegato soltanto per guidare il laser durante la produzione, ma anche per calcolare come il componente dovrà essere movimentato dopo la stampa.
Un flusso operativo articolato in cinque passaggi
Il processo descritto da Solukon Maschinenbau GmbH inizia con il caricamento del file CAD all’interno di SPR-Pathfinder. L’operatore imposta quindi i parametri di calcolo, compreso il materiale utilizzato, e indica il percorso nel quale salvare il programma.
Dopo l’avvio del calcolo, il software analizza il modello digitale e genera la sequenza di movimento. Il file risultante viene infine trasferito al sistema Solukon, che esegue il ciclo di depolverazione.
Il programma viene installato su un computer con sistema operativo Windows e non deve necessariamente funzionare all’interno della macchina. Secondo Solukon, il trasferimento e l’avvio dei programmi possono essere integrati mediante il protocollo industriale OPC UA.
Integrazione con la fabbrica digitale
Solukon propone SPR-Pathfinder insieme al proprio Digital-Factory-Tool, un insieme di sensori e interfacce dedicato alla registrazione dei dati del processo di depolverazione. Le informazioni possono essere inviate a sistemi di livello superiore attraverso OPC UA.
La raccolta dei dati permette di documentare quando è stato eseguito un ciclo, quali parametri sono stati utilizzati e come si è comportata la macchina. Questi elementi acquistano importanza quando l’azienda deve dimostrare la ripetibilità del processo o ricostruire le cause di una deviazione.
In una linea di produzione con più macchine additive e diverse stazioni di post-processing, la disponibilità dei tempi previsti e dei dati effettivi può contribuire a coordinare le fasi. SPR-Pathfinder PRO estende questa impostazione anticipando parte delle informazioni già durante la progettazione e la programmazione della produzione.
Tracciabilità e ripetibilità nelle produzioni regolamentate
Nel settore aerospaziale, medicale ed energetico, il risultato finale non dipende soltanto dalla macchina di stampa. Polvere, parametri laser, trattamento termico, rimozione dei supporti, depolverazione e controlli formano una catena di operazioni collegate.
Se una parte presenta residui o differenze rispetto agli esemplari precedenti, il produttore deve poter ricostruire le condizioni del processo. La programmazione automatica e la registrazione dei dati aiutano a ridurre la dipendenza da procedure non documentate, come scuotimenti manuali, rotazioni decise dall’operatore o cicli modificati senza una registrazione sistematica.
SPR-Pathfinder PRO non certifica autonomamente un componente e non sostituisce i controlli di qualità. Può però fornire un programma ripetibile e informazioni utilizzabili all’interno del sistema documentale dell’azienda.
La depolverazione come possibile limite all’industrializzazione
La libertà geometrica della manifattura additiva consente di integrare funzioni e ridurre il numero dei componenti assemblati. La stessa complessità che rende conveniente la stampa 3D può tuttavia rendere difficile il post-processing.
Quando la polvere non può essere rimossa in modo prevedibile, l’azienda rischia di dover riprogettare il pezzo dopo la stampa, aggiungere lavorazioni o scartare componenti di valore elevato. I costi aumentano anche quando la pulizia richiede numerosi tentativi o occupa la macchina per un tempo non pianificato.
L’obiettivo dichiarato da Solukon Maschinenbau GmbH è trasformare la depolverabilità in una variabile verificabile prima della costruzione, riducendo il rischio che un problema venga scoperto soltanto al termine di un ciclo di stampa costoso.
Applicazioni nei sistemi di gestione termica
Gli scambiatori di calore prodotti mediante manifattura additiva possono contenere numerosi canali sottili, pareti ravvicinate e percorsi conformali. Queste caratteristiche aumentano l’area di scambio e permettono di adattare il circuito alla forma del componente, ma complicano l’eliminazione della polvere.
Un singolo accumulo può ridurre la sezione utile di un condotto o impedire il corretto passaggio del fluido. La visualizzazione delle sezioni e la simulazione ad alta risoluzione possono aiutare a identificare i punti nei quali il materiale tende a fermarsi.
La progettazione può essere quindi modificata prima della stampa, bilanciando le prestazioni termiche con la possibilità di pulire il pezzo. Questo compromesso è necessario quando il componente deve essere prodotto in serie e non può dipendere da procedure manuali diverse per ogni unità.
Applicazioni nei componenti aerospaziali
Nel settore aerospaziale, la produzione additiva viene utilizzata per realizzare camere di combustione, iniettori, collettori, componenti per motori e strutture alleggerite. Molti di questi pezzi comprendono canali di raffreddamento o volumi interni difficili da raggiungere.
Le grandi dimensioni e il peso dei componenti rendono inoltre poco praticabile la movimentazione manuale. Sistemi come SFM-AT1000-S e SFM-AT1500-S permettono di ruotare automaticamente parti pesanti all’interno di un ambiente controllato.
In questo contesto, la previsione del percorso e della durata del ciclo può agevolare la pianificazione di produzioni nelle quali ogni pezzo ha un valore elevato e deve seguire una sequenza di post-processi definita.
Una licenza può servire più apparecchiature Solukon
Secondo le informazioni pubblicate da Solukon Maschinenbau GmbH, una singola licenza di SPR-Pathfinder può essere utilizzata per calcolare programmi destinati a più sistemi Solukon. Questo permette di separare il calcolo dalla macchina e centralizzare la preparazione dei cicli.
Un ufficio tecnico può quindi analizzare i file CAD e generare i programmi prima che i componenti raggiungano il reparto di post-processing. Le macchine vengono utilizzate per eseguire i cicli già predisposti, riducendo il tempo trascorso a definire manualmente orientamenti e sequenze a bordo impianto.
La struttura può risultare utile negli stabilimenti dotati di più sistemi di depolverazione o in quelli che gestiscono parti con dimensioni differenti su macchine diverse.
Disponibile una licenza di prova
Solukon ha indicato la possibilità di richiedere una licenza gratuita di prova della durata di trenta giorni per SPR-Pathfinder PRO. La modalità consente alle aziende di verificare il software sui propri componenti e di valutare se le geometrie richiedano le funzioni avanzate della versione PRO.
Il produttore offre inoltre la possibilità di richiedere calcoli dimostrativi. Questo passaggio può essere utile per confrontare BASIC e PRO prima dell’acquisto, soprattutto quando l’azienda non sa se la complessità dei propri file giustifichi la maggiore capacità di elaborazione.
Prezzi, condizioni contrattuali e modalità di aggiornamento devono essere richiesti direttamente a Solukon Maschinenbau GmbH, perché non sono indicati nella comunicazione relativa al lancio.
Dalla pulizia automatizzata alla programmazione preventiva
SPR-Pathfinder PRO rappresenta un’evoluzione del modo in cui viene gestita la depolverazione dei componenti metallici. Il sistema non si limita a controllare il movimento della macchina, ma anticipa l’analisi alla fase di progettazione, simula il flusso della polvere e restituisce informazioni utilizzabili per la pianificazione.
Il beneficio potenziale non consiste soltanto nel ridurre il lavoro manuale. L’azienda può individuare in anticipo una geometria difficile da pulire, stimare l’occupazione della macchina e utilizzare lo stesso programma per esemplari ripetuti.
L’efficacia concreta dipenderà dalla corrispondenza tra simulazione e comportamento reale delle diverse polveri, dalla qualità dei file CAD e dalla corretta impostazione dei parametri. Per le produzioni più complesse, la possibilità di integrare progettazione, simulazione e post-processing può comunque ridurre una delle principali aree di incertezza della fusione laser a letto di polvere.
