Leggeri, resistenti e infinitamente adattabili, i materiali compositi stanno ridefinendo le possibilità nel campo della progettazione dei prodotti. Un tempo limitati al settore aerospaziale e della difesa, oggi sono diventati un materiale strategico in quasi tutti i settori, dall'automotive alle attrezzature industriali, dall'energia al tempo libero e ai prodotti di consumo. Grazie agli strumenti avanzati di ingegneria digitale come PTC Creo, un processo che prima risultava difficile e disorganizzato è diventato oggi molto più rapido, intelligente e integrato.
Una domanda in crescita
Secondo Grand View Research, il mercato globale dei compositi era valutato 93,7 miliardi di dollari nel 2022 e dovrebbe crescere a un tasso annuo composto (CAGR) del 7,2% fino al 2030. Analogamente, altri analisti, tra cui Future Market Insights e Credence Research, prevedono una crescita a doppia cifra per i compositi polimerici avanzati e ad alte prestazioni.
Per i produttori, i fattori trainanti sono chiari: vantaggio in termini di rapporto resistenza/peso, efficienza energetica e sostenibilità. Una riduzione del 10% del peso dei veicoli, ad esempio, può migliorare l'efficienza del carburante fino all'8%, con un impatto enorme sui trasporti, sull'aviazione e sulle energie rinnovabili, dove ogni chilo conta. Materiali più leggeri significano anche motori più piccoli, emissioni inferiori e maggiore durata.
Con questi e altri vantaggi, non sorprende che i compositi si siano evoluti da materiale di nicchia a elemento fondamentale per progetti più leggeri, resistenti e sostenibili.
Perché i compositi sono importanti
Come spiega Paul Sagar, Vicepresidente della gestione dei prodotti CAD presso PTC, la spinta verso prodotti più leggeri ed ecologici sta guidando una nuova mentalità di progettazione.
"I produttori vogliono progettare componenti ottimizzati e i compositi forniscono i mezzi per farlo", afferma Sagar. "Grazie alla loro leggerezza e alla loro crescente adattabilità, i compositi sono fondamentali per migliorare l'efficienza e ridurre l'impronta di carbonio, soprattutto nel settore dei trasporti".
Questa flessibilità è esattamente ciò che richiede l'ingegneria odierna. Dalle pale delle turbine eoliche ai serbatoi di idrogeno, dalle racchette da tennis alle protesi, i compositi offrono una combinazione di resistenza, rigidità e leggerezza che i metalli semplicemente non possono eguagliare.
Contribuiscono inoltre a promuovere iniziative di sostenibilità. Adattando la resistenza dove è più necessaria, gli ingegneri possono ridurre al minimo gli sprechi e prolungare la durata dei prodotti, rendendo i compositi non solo una scelta ad alte prestazioni, ma anche responsabile.
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Progettazione di compositi in Creo
La sfida della complessità
Nonostante tutti i loro vantaggi, i prodotti a base di compositi non sono semplici da progettare. Il loro comportamento anisotropico, in cui la resistenza varia a seconda dell'orientamento delle fibre, rende l'analisi e la simulazione molto più complesse rispetto ai metalli. I progettisti devono definire ogni strato, orientamento e sequenza di impilamento, garantendo al contempo la producibilità. Una leggera modifica nella stratificazione può spostare i percorsi di sollecitazione, alterare la rigidità o persino influire sul modo in cui il pezzo si indurisce. E quando i progetti coinvolgono centinaia di strati e più zone, la gestione manuale di questi dati diventa un grosso ostacolo.
I flussi di lavoro tradizionali, in cui CAD, CAE e PLM sono scollegati, aggiungono nuove sfide a un processo già complesso e dispendioso in termini di tempo. Inoltre, i prototipi fisici semplicemente non riescono a stare al passo con i processi di sviluppo digitale accelerati di oggi.
Per sfruttare appieno le potenzialità dei compositi, gli ingegneri hanno bisogno di un flusso di lavoro integrato.
Creo: ridefinire la progettazione dei compositi
Creo di PTC riunisce la progettazione, l'analisi e la producibilità dei compositi in un unico ambiente connesso. Gli ingegneri possono passare dal concetto alla produzione senza lasciare il loro spazio di progettazione digitale.
A partire da Creo 10, PTC ha introdotto un kit completo di strumenti per i compositi: stratificazione dei fogli, visualizzazione del drappeggio e documentazione automatizzata della produzione. I progettisti potevano modellare la conformità dei materiali a geometrie complesse e verificare in tempo reale se un pezzo potesse essere effettivamente realizzato.
Con Creo 11, queste funzionalità sono state ampliate per includere la progettazione basata su zone, transizioni migliorate e supporto della proiezione laser per una posa manuale precisa e tracciabile o il posizionamento automatizzato delle fibre.
Introdotto all'inizio di quest'anno, Creo 12 ha alzato ulteriormente l'asticella. I miglioramenti principali includono:
- Modellazione 3D dei laminati più veloce e accurata per parti grandi e complesse
- Modelli di riferimento di produzione associativi per garantire l'allineamento tra progettazione e costruzione
- Funzionalità di zone unite per semplificare e ottimizzare i layup
- Controlli migliorati di drappeggio e transizione per una simulazione più realistica
Grazie a questi e altri miglioramenti, Creo 12 rappresenta un passo avanti in termini di velocità e precisione, colmando il divario tra la progettazione digitale e la produzione reale.
"Creo 12 dimostra quanto siamo arrivati lontano", afferma Sagar. "I progettisti possono ora passare dall'idea al modello producibile in una frazione del tempo e farlo con piena tracciabilità e sicurezza".
La strada da percorrere
Con l'accelerazione della domanda di prodotti a base di compositi, PTC sta già guardando al futuro. Le prossime versioni di Creo estenderanno il supporto per gli inserti compositi, approfondiranno l'integrazione della simulazione e incorporeranno l'automazione basata sull'intelligenza artificiale per semplificare la progettazione e la convalida.
"Il nostro obiettivo è rendere la progettazione dei compositi intuitiva come quella dei materiali tradizionali, fornendo agli ingegneri informazioni in tempo reale sulle prestazioni e sulla producibilità", afferma Sagar.
Quel futuro sta già prendendo forma. L'ingegneria digitale e i compositi stanno convergendo grazie alla progettazione generativa, all'ottimizzazione basata sull'intelligenza artificiale e ai sistemi PLM connessi come Windchill e ThingWorx, che creano un digital thread continuo dal concetto alla produzione. Immaginate di progettare un componente composito in cui ogni decisione, dalla direzione delle fibre al tipo di resina, è guidata dal feedback della simulazione in tempo reale, dai dati dei fornitori e dai parametri di sostenibilità.
Plasmare il futuro dell'innovazione dei compositi
Mentre le industrie cercano prodotti più leggeri, più resistenti e più sostenibili, i compositi sono diventati un fattore strategico. La combinazione di questi materiali con il set di strumenti digitali integrati di Creo consente ai produttori di accelerare lo sviluppo, migliorare le prestazioni e ridurre gli sprechi.
Il futuro dei prodotti basati sui compositi non riguarda solo la leggerezza o la resistenza, ma anche la smartness. La modellazione assistita dall'intelligenza artificiale valuterà e raccomanderà gli orientamenti ottimali degli strati. La collaborazione cloud collegherà i team di progettazione globali in tempo reale. La simulazione integrata convaliderà la producibilità man mano che i progetti evolvono e i sistemi PLM connessi garantiranno un flusso di lavoro integrato dalla progettazione alla produzione.
Questo è l'obiettivo di PTC: fornire agli ingegneri strumenti intelligenti e connessi che consentano una progettazione sicura, una collaborazione semplificata e un'innovazione sostenibile.
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