A case study

La selezione del materiale per una progettazione di successo in NCS Lab

Dr. Andrea Vecchi and Eng. Elisa Ferrari, NCS Lab, Via Pola Esterna 4/12, 41012 Carpi (MO), Italy

NCS Lab è una società privata italiana impegnata a sostenere la ricerca e lo sviluppo. La struttura e le risorse al suo interno permettono di compiere un processo di sviluppo completo dall’idea al prodotto finito: concept, progettazione, simulazione, prototipazione, test e validazione. Automotive, healthcare, energia, packaging ed altri settori industriali possono beneficiare di attrezzature tecniche all’avanguardia e di competenze multidisciplinari.

NCS Lab mette in pratica la definizione di progettazione formulata dall’eminente professor Ashby : "La progettazione è il processo di traduzione di una nuova idea o un bisogno del mercato nelle informazioni dettagliate da cui un prodotto può essere fabbricato."

Al giorno d’oggi i progettisti hanno accesso a diversi strumenti informatici in grado di supportare il "processo di traduzione di una nuova idea in un prodotto" . Tra questi strumenti i più noti sono certamente i software CAD / CAE. Tali software, tuttavia, non possono rispondere a domande come: "Qual è il miglior materiale per quel prodotto ?" o "qual è il più performante / il più economico / il più facile da trovare / il più facile da lavorare?"

La risposta a queste domande dipende dall’esperienza del progettista. Questa è spesso limitata a un campo specifico e così si rischia di escludere alcuni candidati potenzialmente idonei semplicemente a causa della mancanza di informazioni adeguate e facilmente accessibili.

Per questo motivo NCS Lab ha deciso di potenziare le proprie capacità attraverso l’adozione di Granta CES Selector ™ come strumento software aggiuntivo per supportare il processo di selezione dei materiali. Il suo vasto database e i suoi tools versatili e potenti sono un aiuto prezioso in tutte le attività dell’azienda: progettazione, consulenza su materiali e processi di produzione, caratterizzazione e identificazione di materiali, failure analysis. Soprattutto, consente ad un vasto gruppo di utenti con competenze distinte di consultare, comparare ed analizzare dati in modo rapido ed esaustivo, risparmiando tempo e riducendo costose iterazioni progettuali.

Questo case study mostra come CES Selector ha supportato un progetto di routine del laboratorio NCS: la progettazione preliminare di un dispositivo medicale.

Progettazione preliminare di una pinza chirurgica in materiale plastico

L’obiettivo era di riprogettare una pinza chirurgica da utilizzare nell’operazione di tracheotomia percutanea dilatativa secondo la tecnica Griggs, partendo dal dispositivo esistente.

La pinza attualmente utilizzata in questa tecnica esiste da molti anni: la sostituzione del metallo con un materiale polimerico sarebbe auspicabile.

La pinza attualmente utilizzata in questa tecnica esiste da molti anni: la sostituzione del metallo
con un materiale polimerico sarebbe auspicabile.

Definizione del problema

La pinza attualmente utilizzata in questa tecnica esiste da molti anni: è costituita da materiale metallico (acciaio inox) e può essere riutilizzata più volte previa sterilizzazione. Anche se il dispositivo esistente è funzionale, c’è stato un desiderio di miglioramento, considerando che gli strumenti chirurgici in generale svolgono un ruolo rilevante nel successo di una procedura chirurgica.

Assumendo sicurezza e affidabilità come caratteristiche essenziali del dispositivo, l’obiettivo finale è quello di ridisegnare la pinza esistente, migliorandola dal punto di vista della leggerezza, dell’economicità e dell’ergonomia. In particolare la sostituzione del metallo con un materiale polimerico sarebbe auspicabile.

Il progettista si propone di individuare la migliore soluzione che combina sicurezza, funzionalità, facilità di produzione, resa estetica ed economicità; lo fa attraverso varie fasi: l’analisi di strumenti chirurgici esistenti, la progettazione di una nuova pinza (CAD), la scelta del miglior materiale che soddisfa i requisiti del progetto (CES Selector), e la simulazione delle prestazioni della pinza (FEA).

Per operare una scelta del materiale appropriato, quando lo scopo è sostituire il materiale attualmente utilizzato (AISI 630 acciaio inossidabile, noto anche come 17-4 PH) con un altro, devono essere definiti una serie di requisiti minimi. Tali requisiti diventano i vincoli del processo di selezione dei materiali. In particolare il nuovo materiale deve: essere appropriato per l’uso medicale, essere adatto per la sterilizzazione, essere abbastanza resistente per sopportare i carichi di lavoro ed essere adatto alla trasformazione mediante stampaggio ad iniezione.

Scelta del materiale giusto

La ricerca del materiale inizia nell’”universo” dei polimeri: tra i 659 materiali plastici presenti nel database MaterialUniverse™ Granta, 512 soddisfano il criterio di stampabilità ad iniezione, ma solo 30 rispettano anche i criteri di idoneità alla sterilizzazione e la disponibilità in grado medicale conforme alla Classe IV USP e ISO 10993. Alcune famiglie polimeriche, quali PA / PEEK / PEI / PES / PARA / PPO / PPS / PSU / PPSU / SPS / LCP generalmente rinforzate con fibre di vetro o di carbonio, sono tra i materiali conformi.

I materiali che soddisfano i vincoli imposti nella prima selezione possono poi essere classificati in base agli obiettivi del progetto. In pratica sono classificati in base a quale proprietà è necessario massimizzare (ad esempio resistenza meccanica, resistenza termica , ecc ) o minimizzare (ad esempio la massa , il costo , ecc.).

Figure 1: Stiffness-limited selection, minimizing mass

Figure 1: Selezione con vincolo di rigidezza (stiffness-limited) e con minimizzazione della massa:
la linea rappresenta punti con lo stesso valore di indice prestazionale. I materiali che si trovano
sulla linea o sopra di essa sono valide alternative all’inox 17-4 PH.

La pinza è sottoposta a carichi flessionali su ogni braccio, pertanto, per quanto riguarda le caratteristiche meccaniche e fisiche del materiale, la resistenza a flessione e il modulo a flessione sono le proprietà più interessanti per il progettista. Inoltre la densità è considerata una priorità poiché la minimizzazione della massa è un plus (con riduzione dei costi, del dispendio energetico e dell’impatto ambientale).

E’ noto che, per un dato problema di ingegneria, le prestazioni dei materiali generalmente dipendono dalla combinazione di due o più proprietà. La funzione matematica che esprime questa combinazione è nota come indice prestazionale.

In questo caso particolare, CES Selector facilita l’identificazione degli indici prestazionali per una progettazione del tipo stiffness-limited o strength-limited, minimizzando la massa del componente assimilato ad una trave con rigidità (o resistenza), lunghezza e forma specificate, e con area della sezione variabile, sottoposta a sollecitazione flessionale.

Le potenti interfacce grafiche di CES Selector consentono al progettista di individuare facilmente materiali con un indice prestazionale pari o superiore a quello dell’acciaio assunto come riferimento. Come mostrato nelle figure 1 e 2, la linea rappresenta punti con lo stesso valore di indice prestazionale. I materiali che si trovano sulla linea o sopra di essa sono valide alternative all’inox 17-4 PH . L’elenco dei materiali idonei quindi si restringe ulteriormente passando da 30 a 10 candidati, tra cui PEEK / PARA / PPS / SPS / LCP rinforzati con vetro o fibre di carbonio.

Figure 2: Strength-limited selection, minimizing mass

Figure 2: Selezione con vincolo di resistenza (strength-limited) e con minimizzazione della massa:
la linea rappresenta punti con lo stesso valore di indice prestazionale. I materiali che si trovano sulla linea
o sopra di essa sono valide alternative all’inox 17-4 PH.

La scelta del materiale più conveniente è supportata dalla possibilità di visualizzare graficamente il costo di ciascun candidato. La figura 3 mostra che i materiali con un costo specifico (il costo per unità di massa) inferiore a quello dell’acciaio sono la PARA + 50 % GF e SPS + 30 % GF.

A questo punto possono essere studiate nel dettaglio le singole proprietà dei due materiali. CES Selector fornisce una scheda per ciascun candidato, contenente le informazioni relative alle specifiche tecniche (proprietà meccaniche, termiche ed elettriche, resistenza chimica, ecc.). Ciò consente al progettista di affrontare la scelta con i dati specifici, compresi i nomi commerciali dei materiali canditati e un elenco dei possibili fornitori. In questo modo è possibile verificare la disponibilità del materiale, i relativi prezzi, e richiedere schede informative dettagliate, guide di stampaggio e certificati di conformità.

In seguito a questo processo di selezione razionale, il materiale scelto è la PARA + 50 % GF, alla luce delle sue prestazioni meccaniche superiori.

La scelta del materiale è stata poi convalidata attraverso simulazioni FEM, che hanno permesso anche l’ottimizzazione della geometria ed ergonomia della pinza.

Figure 3: Confronto dei costi: i materiali con un costo specifico (il costo per unità di massa)
inferiore a quello dell’acciaio sono la PARA + 50 % GF e SPS + 30 % GF.

Conclusioni

Ci sono notevoli vantaggi nell’affrontare un problema di progettazione nel modo presentato. CES Selector permette la selezione sistematica del materiale utilizzando un metodo basato su dati oggettivi, equazioni matematiche (indici prestazionali) e un ampio database. Ciò è essenziale per prevenire numerosi tentativi computazionali con diversi materiali e per minimizzare la produzione di prototipi e il numero di prove sperimentali: sotto questo aspetto, ne consegue un risparmio di tempi e di costi stimati fino al 50%, e anche oltre,nella fase prototipale e di collaudo del progetto. Inoltre, il fatto di ottenere un’efficace ottimizzazione della selezione del materiale porta ad elevare le prestazioni, la durata e la visibilità del dispositivo, da cui deriva quindi un’ulteriore riduzione dei costi nel corso della vita dell’oggetto.

La semplicità e la versatilità di CES Selector lo rendono uno strumento adatto alle varie competenze professionali in azienda. Gli esperti dei materiali possono trovare risposte rapide utili per ampliare e supportare le loro conoscenze, mentre i progettisti meccanici possono confrontare immediatamente le potenzialità di tutte le classi di materiali, non limitando il loro progetto con scelte conservative dettate dalla tradizione, permettendo così la realizzazione di componenti realmente innovativi da tutti i punti di vista.

Granta Design Ltd

Granta Design Limited riunisce i principali esperti di Information Technology relativa ai materiali. Granta sviluppa il principale software di gestione delle informazioni sui materiali e sui processi di tutto il settore ingegneristico, oltre ad una serie di strumenti innovativi per applicare questi dati ai principali materiali e garantire le migliori decisioni sul design di prodotto. Granta opera in numerosi settori come quello aerospaziale, della difesa, dell'energia, attrezzature mediche, automotive, motorsport, prodotti industriali e di consumo, produzione di materiali ed editoria. I suoi clienti riescono a realizzare guadagni per milioni di dollari grazie alla riduzione dei costi e all'incremento delle performance dei prodotti, migliorandone la qualità e riducendo i tempi di produzione.

Granta è stata fondata nel 1994 come spin-out dall'Università di Cambridge, grazie al lavoro dei Professori Mike Ashby e David Cebon. www.grantadesign.com

CES Selector e MaterialUniverse sono marchi registrati di Granta Design Limited.

Maggiori informazioni

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