Definizione. Tecniche di prototipazione rapida. Layer Manufacturing. Confronto. Applicabilità delle tecniche RP. Caratteristiche delle tecniche RP

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1 Tecniche di prototipazione rapida Definizione Prototipazione rapida (RP): classe di tecnologie che consentono di costruire modelli fisici anche complessi partendo direttamente dalle rappresentazioni CAD 3D degli stessi. La fabbricazione avviene per progressiva sovrapposizione di materiale secondo sottili sezioni (layer) che concorrono a formare l oggetto. Layer Manufacturing Modello CAD Modello fisico Lavorazioni tradizionali: Tempi elevati per avviare la lavorazione (elaborazione CAM, preparazione delle macchine e degli utensili) Tempi di lavorazione relativamente brevi Operano per asportazione di materiale Richiedono buona preparazione tecnica Confronto Lavorazioni RP: Tempi molto brevi per avviare la lavorazione (preparazione del modello CAD) Tempi di lavorazione relativamente lunghi Operano per addizione di materiale Richiedono minima preparazione tecnica Layer Dispositivo mobile di fabbricazione Applicabilità delle tecniche RP Il RP è adatto alla produzione di pochi pezzi di cui si richiede la disponibilità in tempi brevi (non produzione in serie) Tempo Lavorazioni RP Lavorazioni tradizionali Caratteristiche delle tecniche RP I tempi di fabbricazione non dipendono dalla complessità geometrica E possibile ottenere con facilità geometrie altrimenti di difficile realizzazione Le dimensioni dei pezzi sono contenute La scelta dei materiali è limitata Precisione dimensionale e finitura sono normalmente inferiori a quelle conseguibili con lavorazioni tradizionali Quantità pezzi 1

2 Principio di funzionamento Preparazione della lavorazione File CAD 3D Importazione e preparazione del modello CAD 3D Impostazione e svolgimento della lavorazione RP Lavorazioni secondarie sul prototipo fisico Prototipo finito Importazione: formato di scambio.stl. Il solido viene rappresentato da una griglia (mesh) di triangoli che ne approssima le superficie. Infittendo il numero di triangoli si migliora la corrispondenza tra il modello.stl e quello originario ma si aumentano le dimensioni del file, cosa che può rallentare le successive operazioni. Preparazione della lavorazione Preparazione: Controllo ed eventuale correzione del modello.stl Scelta orientazione rispetto al piano di fabbricazione Disposizione delle parti sul piano di lavoro Eventuale aggiunta di supporti e rinforzi Generazione delle sezioni del modello (slicing) Trasferimento alla macchina RP IMPOSTAZIONE E SVOLGIMENTO LAVORAZIONE RP Impostazione parametri di lavorazione (ad es. spessore delle layer, velocità e percorso dei dispositivi di lavorazione) Preparazione della macchina per la lavorazione (ad es. caricamento materiale, raggiungimento condizioni di processo, etc.) Fabbricazione automatica del modello Finitura del prodotto La maggioranza delle tecnologie RP richiede una serie di interventi e lavorazioni successive sul prototipo prodotto per renderlo pienamente utilizzabile e migliorarne le caratteristiche: Distacco dal piano di lavorazione Rimozione supporti Finitura superficiale Trattamenti rinforzanti, impermeabilizzanti, estetici, etc. Campi di applicazione Le tecnologie RP sono adatte ad applicazioni di: Fabbricazione rapida di prototipi Rapid Tooling Rapid Manufacturing Replica di forme preesistenti (in combinazione con le tecniche di Reverse Engineering) 2

3 Prototipazione Rapida L impiego principale e originario delle tecnologie RP consiste nella realizzazione di modelli fisici di prodotti in fase di sviluppo (prototipi), in modo da consentire una migliore comunicazione e da eseguire verifiche di progetto (aspetto, assemblaggio, funzionalità). Il termine rapido fa riferimento alla facilità di realizzazione del prototipo (dal CAD al prototipo) ed ai tempi brevi in cui esso può essere reso disponibile. Prototipazione Rapida Vantaggi: Si migliora la fase iniziale di progettazione, riducendo al minimo la possibilità di riscontrare errori nelle fasi successive di sviluppo, quando le modifiche diventano più dispendiose in termini di tempi e costi (si riducono i tempi di immissione sul mercato, si riducono i difetti del prodotto finale) Si migliora la comunicazione: tra i settori dell azienda interessati allo sviluppo del prodotto, in modo che essi possano lavorare parallelamente piuttosto che in successione (concurrent engineering) con i committenti Rapid Tooling Fabbricazione di utensili, in particolare stampi, per mezzo dell ausilio di tecnologie RP. Il Rapid Tooling può essere: Indiretto: si impiegano le tecnologie RP per generare modelli ed anime necessarie alla realizzazione di stampi Diretto: si impiegano le tecnologie RP per generare direttamente stampi o parti di essi (inserti) Rapid Tooling o di creazione di stampo in sabbia per colata di metalli modello o di stampo in metallo per lo stampaggio di termoplastiche Rapid Tooling Modelli RP (ad es. in resina) per realizzare forme in sabbia Modelli RP (ad es. in resina) per realizzare stampi in silicone Modelli RP a perdere (ad es. in resina o carta) per realizzare conchiglie in materiale ceramico sull esempio delle tecniche di microfusione Stampi o inserti in metallo prodotti con tecnologie RP per lo stampaggio ad iniezione di termoplastiche Stampi in sabbia prodotti con tecnologie RP per fusione Rapid Manufacturing Realizzazione con tecnologie RP di parti finali direttamente utilizzabili. Visto il numero molto ridotto di parti producibili, tale applicazione è adatta per pezzi unici, ad esempio protesi mediche personalizzate, componenti di apparecchiature scientifiche specifiche, pre-serie. 3

4 Replicazione di prodotti esistenti Si tratta di una particolare applicazione non completamente ascrivibile alle precedenti. Con tecniche di Reverse Engineering si acquisisce il modello CAD di un oggetto preesistente (ad es. oggetti storico-culturali, parti anatomiche umane), il quale può essere successivamente riprodotto con tecnologie RP Tecnologie RP Fermo restando il principio di fabbricazione per sovrapposizione di layer solide, comune a tutte le tecnologie RP, ciascuna di esse può essere singolarmente caratterizzata da: Stato iniziale del materiale (liquido, polvere, laminato, etc.) Modalità di realizzazione delle layer solide (fotopolimerizzazione, sinterizzazione, estrusione, etc.) Tipologie di materiali impiegati (resine, termoplastiche, metalli, sabbie, carta, etc.) Tecnologie RP Stereolitography (SLA) Selective Laser Sintering (SLS) Laminated Object Manufacturing (LOM) Litografia ottica o Solid Ground Curing (SGC) Fused Deposition Modeling (FDM) 3D/Inkjet Printing Stereolitografia Principio di fabbricazione: resina liquida che polimerizza al passaggio di una luce laser UV Materiali: fotopolimeri (proprietà diverse dai termoplastici) concettuali, modelli per applicazioni fusorie Sinterizzazione laser Principio di fabbricazione: materiale finemente polverizzato che viene aggregato per effetto termico da una luce laser (sinterizzazione) Materiali: termoplastiche, metalli, sabbie concettuali e funzionali, stampi, parti finali. Costruzione per laminazione Principio di funzionamento: fogli di materiale laminato su cui un laser taglia la sezioni, le quali vengono incollate le une sulle altre Materiali: carta, carta speciale, plastica concettuali, modelli per applicazioni fusorie 4

5 Costruzione per laminazione Litografia ottica Principio di funzionamento: resina liquida che polimerizza per effetto di una luce UV, proiettata attraverso un vetro su cui è impresso il negativo della layer Materiali: fotopolimeri concettuali Litografia ottica Litografia ottica Deposizione Deposizione Principio di funzionamento: una termoplastica riscaldata viene estrusa attraverso una testina mobile e depositata a formare progressivamente il layer Materiali: termoplastiche, cera concettuali, funzionali, modelli in cera microfusione, parti finali 5

6 Deposizione 3D/INKJET Stampaggio Principio di funzionamento: del materiale legante viene spruzzato insieme o sopra un materiale in polvere da una testina mobile in modo da realizzare progressivamente la layer; può essere richiesto un successivo ciclo in forno Materiali: termoplastiche, farina, gesso concettuali e funzionali 3D INKJET Prototipo SLA di guscio per telefonino con prova di assemblaggio Modello SLA di corpo pompa prodotto con tecnica Quickcast per microfusione Tecnica di microfusione a partire da un modello SLA tipo Quickcast 6

7 Applicazioni medicali della stereolitografia Inserti per stampi realizzati con tecnologia SLS di polveri metalliche Impiego di un inserto SLS per lo stampaggio di un particolare in plastica o di inserto mobile SLS con canali di raffreddamento conformati 7

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