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L’importanza della Analisi FEM per la progettazione meccanica: il metodo Pieffe Disegni

Nella progettazione meccanica, l’analisi mediante il metodo degli elementi finiti (più comunemente nota come Analisi FEM, dall’acronimo inglese FEM Analysis dove FEM sta per “Finite Element Method”) è una tappa cruciale per garantire che le macchine progettate abbiano prestazioni ottimali non tanto “sulla carta”, quanto – soprattutto – nel momento decisivo in cui vengono messe in funzione.

Questo discorso, che vale in generale, è ancora più dirimente quando si parla di macchine soggette a stress e deformazioni nel loro funzionamento quotidiano. Qui una variazione anche minima può tradursi, a valle, in differenze che vanno oltre la soglia di tolleranza ammessa, lavorazioni di qualità non adeguata, tempi di fermo macchina per il ripristino fino, nei casi più estremi, a richiedere una riprogettazione sostanziale.

Forti di un’esperienza ultra-ventennale e di competenze specialistiche, anche nell’uso dei software di progettazione dedicati, nel tempo abbiamo sviluppato un approccio dettagliato e un metodo per una analisi FEM mirata a ottimizzare la rigidezza delle strutture meccaniche, per assicurare la loro efficienza senza fare crescere inutilmente le dimensioni degli impianti e i costi di produzione.

Perché fare Analisi FEM in fase di progettazione?

L’analisi, detta anche “di sensibilità”, si rivela fondamentale quando si realizzano disegni meccanici perché permette di individuare quali componenti influiscono maggiormente sulla rigidezza di una macchina. Su questa base gli ingegneri ricevono l’indicazione per concentrare gli sforzi di ottimizzazione dove effettivamente necessario.

Attraverso una Analisi FEM, è possibile valutare come variazioni nella geometria, nel materiale o nella disposizione dei componenti anche minime, possano avere in realtà un impatto significativo sulle prestazioni complessive del sistema.

Il metodo Pieffe Disegni per una corretta Analisi FEM

Si parte sempre, come è ovvio, dalle richieste del cliente: corse degli assi, ingombro dei pezzi, etc.

Gli aspetti fondamentali sono la tipologia di macchina e il metodo di produzione desiderato: una struttura realizzata in fusione, per esempio, ha caratteristiche diverse da una realizzata in elettrosaldatura o assemblata meccanicamente.

Il modello in 3D

In base a queste indicazioni si comincia con il disegno tecnico e si arriva a un primo modello in 3D dettagliato, con la definizione delle sagome delle strutture e della relativa massa: questi parametri consentono di arrivare a un primo dimensionamento degli assi.

A questo punto si fa una prima analisi applicando i vincoli alle sole superfici di collegamento delle strutture, ad esempio le superfici a contatto con i pattini delle guide a ricircolo: tanto basta per sgrossare ulteriormente e arrivare a una valutazione sul rapporto rigidezza/massa.

La prima Analisi FEM

Subito dopo si può lanciare la prima analisi FEM della macchina completa, considerando le rigidezze dei sistemi di guida (prismatiche, a ricircolo, idrostatiche….) e dei sistemi di trasmissione (vite, pignone e cremagliera, motori lineari….): anche qui, introducendo piccoli scostamenti, si capisce già in questa fase preliminare se l’impostazione scelta è adeguata o invece bisogna intervenire.

Qui entra in gioco l’esperienza di chi utilizza il software, perché una volta inseriti tutti i parametri il software produce dei risultati che vanno però analizzati ed interpretati.

In letteratura si parla di GIGO (“Garbage In – Garbage Out”), in quanto il software elabora i dati in ingresso e restituisce dei dati in uscita ma non esprime alcun giudizio sulla bontà dei dati inseriti. Se quindi i dati in ingresso non sono adeguati, anche il risultato ne soffrirà di conseguenza: spazzatura (in inglese garbage) in ingresso si traduce in spazzatura in uscita

Il passo successivo è una analisi di sensibilità sulla mesh, poiché la tipologia di elementi utilizzati per la discretizzazione del modello e la loro dimensione hanno una influenza notevole sul tempo richiesto per il calcolo; inoltre le tempistiche dipendono anche dal software utilizzato. In Pieffe Disegni adottiamo una procedura che ci permette di lanciare diverse analisi nell’arco di una giornata, in modo da velocizzare le operazioni pur mantenendo la massima affidabilità del risultato.

La scelta dei componenti più rilevanti

La sensibilità e l’esperienza di chi si occupa di progettazione meccanica per mestiere consentono di individuare rapidamente qual è il componente che influenza maggiormente la rigidezza statica dell’intera struttura.

In questi anni abbiamo utilizzato una procedura che consiste nel realizzare una serie di analisi sulla macchina completa applicando progressivamente set di vincoli sulle superfici principali delle strutture per bloccare i movimenti principali. Successivamente si valuta la differenza tra i risultati ottenuti in rapporto ai risultati ottenuti sulla macchina completa.

Smarcato questo aspetto, si può arrivare all’analisi modale della macchina completa e a un’analisi statica con la sola forza peso, che consentono di rilevare le prime frequenze proprie della macchina e il cedimento statico.

Casi concreti: analisi FEM per il retrofit di una macchina utensile

Recentemente siamo stati incaricati di analizzare il comportamento di una macchina utensile il cui progetto risale ai primi anni Duemila.

La prima Analisi FEM aveva confermato che la macchina era ben dimensionata, tuttavia con uno dei nostri test standard si è notato che l’attacco della chiocciola e il supporto della vite di due assi avevano un’influenza significativa sulla rigidezza complessiva, ed è bastato intervenire con la sola revisione dei fissaggi delle viti a ricircolo per ottenere un miglioramento tangibile.

Una procedura da personalizzare

Il modello descritto sopra è uno standard di base che adottiamo per ogni progettazione meccanica su cui è richiesta una Analisi FEM, ma non si tratta di un paradigma scolpito nella pietra: sequenza e tempi si possono adattare in base alla specificità di ogni progetto, per arrivare sempre al risultato più affidabile.

Per arrivare a ottimizzare, seguiamo un metodo sperimentale: variando i diversi fattori e tenendo traccia dei risultati, lanciamo un’elaborazione che ci permette di avvicinarci al miglior compromesso.

Nel caso in cui, invece, si debba raggiungere la massima rigidezza statica, per minimizzare gli spostamenti, a conferma dei risultati della Analisi FEM eseguiamo un confronto con un modello 3D in cui la struttura è uguale ma gli elementi sono “pieni” quindi senza alleggerimenti interni e nervature.

Si tratta di una estremizzazione, perché queste strutture sarebbero irrealizzabili dal punto di vista tecnico ed economico, ma è il metro di paragone più affidabile per arrivare al meglio della rigidezza statica della macchina completa.

Software e flessibilità

Se l’esperienza ha un ruolo di rilievo nell’individuazione dei componenti più impattanti, ovviamente oggi come oggi il supporto di software di progettazione meccanica consente di risparmiare tempo ulteriore e di ottenere risultati di eccezionale precisione e affidabilità.

Per la Analisi FEM di solito usiamo software come Catia di Dassault Systemes e Creo Simulate di PTC, di cui abbiamo le licenze per i nostri progettisti specializzati. Nel caso in cui sia richiesto, in accordo con il cliente siamo in grado di utilizzare anche altre risorse.

Un risultato adeguato nel rapporto tra investimento e risultati attesi

Raggiungere il giusto equilibrio tra il tempo dedicato all’ottimizzazione e i risultati ottenuti è essenziale. La sfida sta nel trovare soluzioni che soddisfino i requisiti di rigidezza della struttura rispettando le scadenze richieste.

Il nostro metodo impiega un processo rigoroso per confrontare i miglioramenti raggiunti con i valori limite teorici, assicurandosi che le soluzioni adottate siano non solo tecnicamente valide ma anche economicamente sostenibili.

Conclusione

L’analisi FEM rappresenta un pilastro fondamentale nella progettazione meccanica, consentendo ai progettisti di prevedere e ottimizzare le prestazioni delle macchine prima ancora della loro realizzazione.

Attraverso l’approccio meticoloso di Pieffe Disegni, che combina esperienza decennale e tecnologie avanzate, è possibile raggiungere un equilibrio ottimale tra rigidezza, massa, e costi di produzione, garantendo così soluzioni efficienti e sostenibili.

Adottando un metodo che si adatta alle specifiche esigenze di ogni progetto, Pieffe Disegni si conferma come un partner strategico per chi cerca soluzioni di progettazione meccanica all’avanguardia.