Un upright automobilistico da 4 giorni a 4 ore: come la produzione additiva metallica cambia le regole del gioco
Un fornitore Tier 1 del settore automotive, attivo sia su programmi OEM di grande serie sia su veicoli ad alte prestazioni, ha ripensato un componente chiave delle sospensioni – l’upright, o montante ruota – passando dalla fusione in acciaio a una soluzione ottimizzata per la produzione additiva metallica, con il supporto software di Cognitive Design Systems (CDS).
Il risultato non è solo una riduzione del tempo di consegna da 4 giorni a circa 4 ore, ma un cambio di paradigma nel modo in cui vengono valutate, progettate e industrializzate le parti strutturali per la mobilità.
Dal componente sovradimensionato alla progettazione basata sui carichi reali
Per sette anni il Tier 1 ha prodotto l’upright tramite fusione in acciaio, utilizzando un dimensionamento definito “conservativo” già in fase di progetto iniziale.
Il pezzo soddisfaceva i requisiti strutturali, ma era chiaramente sovradimensionato rispetto ai reali casi di carico e la possibilità di ridurre peso e materiale era nota ma rimasta inespressa a causa dei costi e dei tempi legati a nuove attrezzature e iter progettuali.
Alla base del problema c’era un flusso di lavoro tradizionale: studi di topologia, verifiche strutturali e controlli di producibilità venivano svolti come fasi sequenziali, spesso manuali e su strumenti software scollegati.
Questo approccio rallentava qualunque tentativo di riprogettazione ottimizzata, rendendo difficile confrontare in modo oggettivo, e con dati economici chiari, la fusione convenzionale con la produzione additiva metallica.
Cognitive Design Systems: una piattaforma unica per confrontare processi e costi
L’ingresso di Cognitive Design Systems ha permesso di concentrare in un’unica piattaforma tre elementi fondamentali: ottimizzazione geometrica, vincoli di producibilità e analisi dei costi per differenti scenari produttivi.
CDS nasce come software per la progettazione “manufacturing-aware”, ovvero in grado di integrare nel modello digitale le specifiche del processo – dalla fusione alla produzione additiva metallica – fin dalle fasi iniziali di concept.
Nel caso dell’upright automobilistico, il fornitore ha potuto impostare uno studio che mettesse a confronto, sullo stesso componente, più percorsi produttivi:
- fusione in acciaio con la geometria esistente;
- fusione con una nuova geometria alleggerita;
- produzione additiva metallica su leghe idonee per applicazioni strutturali;
- eventuali soluzioni ibride, ad esempio AM per prototipi e piccole serie, fusione per volumi superiori.
Attraverso la piattaforma, il team ha potuto analizzare con maggiore trasparenza l’impatto su: tempo di ciclo, costo per pezzo, utilizzo di materiale, numero di fasi di lavorazione, necessità di attrezzature e ammortamento.
Questo tipo di valutazione multi-processo è uno dei punti di forza di CDS, che punta proprio a rendere confrontabili su base quantitativa le scelte tra produzione tradizionale e additiva.
Ottimizzazione topologica e vincoli di producibilità per la stampa 3D metallica
Un aspetto centrale del progetto è stato l’uso dell’ottimizzazione topologica orientata alla produzione additiva metallica, ovvero alla realizzazione del componente direttamente da polvere o filo metallico senza la necessità di attrezzature di fusione.
L’upright è un componente soggetto a carichi complessi – combinazioni di forze verticali, laterali e di frenata – e richiede quindi un bilanciamento attento tra rigidità locale, massa complessiva e collocazione del materiale lungo i percorsi di carico.
La piattaforma CDS consente di definire il volume di progetto, i vincoli di vincolo/attacco (hub, bracci sospensione, collegamenti al telaio) e i casi di carico, applicando algoritmi di ottimizzazione che ridistribuiscono il materiale dove è realmente necessario.
Contemporaneamente, vengono imposti vincoli specifici per l’AM, come angoli massimi per superfici autoportanti, volume e posizione dei supporti, orientamento di stampa, spessori minimi e massimi delle nervature.
In questo modo, la geometria risultante non è solo teoricamente ottimale dal punto di vista strutturale, ma anche realmente producibile su sistemi di stampa 3D metallica presenti sul mercato – per esempio macchine basate su fusione a letto di polvere laser (PBF-LB) o fusione a letto di polvere con fascio di elettroni (PBF-EB).
La possibilità di vincolare in modo esplicito il tipo di processo, il materiale (acciai altoresistenziali, leghe di titanio, leghe di alluminio) e il volume di costruzione consente di ottenere un modello di upright coerente sia con i requisiti meccanici sia con i limiti della macchina.
Dal prototipo al componente funzionale: tempi e flessibilità
Uno degli obiettivi più immediati del Tier 1 era ridurre il lead time: il passaggio da “4 giorni” a “4 ore” indica la differenza tra un ciclo legato alla fusione e lavorazioni successive e un flusso in cui la parte viene realizzata quasi integralmente in un unico processo additivo.
Nella pratica, la produzione additiva metallica permette di evitare la costruzione di nuove attrezzature di fonderia, stampi e anime per ogni modifica geometrica dell’upright, trasformando il file CAD ottimizzato in parte fisica in poche ore di costruzione in macchina.
Per il fornitore, questo significa:
- iter più rapidi di validazione design-test-redesign;
- possibilità di proporre varianti di componente personalizzate per specifici programmi di veicoli ad alte prestazioni;
- riduzione dei tempi di attesa dovuti a fornitori di fusioni esterni e alla logistica associata.
La stampa 3D metallica si dimostra particolarmente efficace per lotti piccoli e medi, tipici di componenti destinati a veicoli sportivi, edizioni limitate o pre-serie di sviluppo.
In questi contesti, l’abbattimento del lead time, associato alla possibilità di integrare funzioni – come canalizzazioni per il raffreddamento o alleggerimenti interni complessi – compensa il costo unitario spesso più elevato rispetto alla fusione tradizionale.
Vantaggi strutturali e di peso per sospensioni e dinamica veicolo
Un upright alleggerito si traduce in una riduzione delle masse non sospese del veicolo, con impatti diretti sulla dinamica: maggiore prontezza di risposta delle sospensioni, miglior contatto pneumatico-strada e potenziale beneficio in frenata e in curva.
La produzione additiva metallica, combinata con ottimizzazione topologica, consente di concentrare il materiale lungo i principali percorsi di carico, eliminando volumi che contribuivano poco alla resistenza ma aggiungevano peso.
In ambito motorsport e high performance, questi vantaggi diventano particolarmente interessanti perché:
- si possono ottenere geometrie complesse, difficilmente ricreabili in fusione convenzionale, come reticoli interni o cavità con pareti sottili;
- è possibile un ulteriore tuning del componente, ad esempio variando localmente lo spessore per adattarsi a diversi set-up o a diverse categorie di competizione;
- si integra la progettazione dell’upright con altri elementi della sospensione, ottimizzando l’insieme anche dal punto di vista della rigidità torsionale e flessionale.
Studi pubblicati in ambito automotive e motorsport mostrano che la sostituzione di componenti sospensione fusi con equivalenti ottimizzati e stampati in 3D può portare a riduzioni di peso significative, con mantenimento o miglioramento dei fattori di sicurezza.
La piattaforma CDS mira proprio a fornire numeri oggettivi su questi trade-off, includendo nei calcoli sia i parametri strutturali sia quelli economici del processo produttivo.
Dal caso singolo a una strategia di piattaforma per il Tier 1
Secondo quanto riportato da Cognitive Design Systems, progetti come quello dell’upright sono sempre più frequenti: aziende che partono da una geometria esistente, spesso sovradimensionata e legata a processi tradizionali, e chiedono di valutare se la produzione additiva metallica possa offrire vantaggi misurabili.
CDS gestisce queste richieste come “ingaggi in ingresso” strutturati, partendo da uno scambio tecnico iniziale per capire il problema specifico – in questo caso, ottimizzare un upright lungo percorsi multipli di produzione – e verificare l’aderenza alle capacità della piattaforma.
Una volta definito il perimetro, l’azienda cliente viene messa in condizione di usare direttamente il software per condurre gli studi, con il supporto di CDS per la modellazione dei vincoli di processo e l’interpretazione dei risultati.
Nel caso del Tier 1 automotive, il team interno ha potuto “onboardarsi” rapidamente e lavorare in autonomia sul progetto, utilizzando la piattaforma sia per la fase esplorativa, sia per la raccolta di dati a supporto delle decisioni di investimento.
Questa modalità è particolarmente interessante per i fornitori di primo livello, che devono spesso prendere decisioni tecnologiche su orizzonti di più anni (investimenti in nuove linee di fusione, acquisto di sistemi AM, partnership con service specializzati).
L’utilizzo di un ambiente software che confronta in modo sistematico più scenari produttivi riduce il rischio di adottare la produzione additiva solo sulla base di considerazioni qualitative o di moda tecnologica.
Produzione additiva metallica nel settore automotive: un contesto in evoluzione
Il caso dell’upright si inserisce in una tendenza più ampia in cui la produzione additiva metallica passa dal ruolo di strumento per prototipi e utensili a opzione concreta per componenti funzionali in esercizio su veicoli.
Grandi gruppi automotive hanno già riportato numeri significativi sull’utilizzo di stampa 3D per parti di serie limitate, ricambi on-demand e attrezzature di produzione, sfruttando la flessibilità del processo e la possibilità di integrare funzioni.
Allo stesso tempo, le piattaforme software di nuova generazione – come quella di Cognitive Design Systems – cercano di colmare il divario tra CAE tradizionale e realtà produttiva, includendo nei flussi di lavoro la simulazione di processo AM, la previsione di deformazioni e la stima dei costi per pezzo.
Questo consente ai progettisti automotive di confrontare, già in fase di concept, il costo di un componente progettato nativamente per la stampa 3D con quello di un equivalente pensato per fusione o lavorazione dal pieno.
In prospettiva, man mano che i costi delle macchine e dei materiali per AM metallica si riducono e che i volumi restano relativamente contenuti in molte nicchie automotive (sportive, racing, veicoli speciali), casi come l’upright potrebbero diventare sempre più frequenti.
Per i fornitori Tier 1, questo apre la possibilità di proporre nuovi modelli di business, basati su cicli di sviluppo più rapidi, personalizzazione delle parti e supply chain più resilienti, con minore dipendenza da attrezzature fisiche difficili da riconfigurare.
