Prototipazione rapida: tecniche e applicazioni

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1 Prototipazione rapida: tecniche e applicazioni

2 Piano della presentazione La Prototipazione Rapida Classificazione delle tecniche di P.R. in funzione dell utilizzo Classificazione delle tecniche di P.R. in base ai materiali usati

3 Prototipazione Rapida Principi generali Definizione La Prototipazione Rapida (RP) è una tecnologia che rende possibile la produzione, in poche ore e senza l ausilio di utensili, di oggetti di geometria comunque complessa, direttamente dal modello matematico dell oggetto realizzato su un sistema CAD tridimensionale

4 Prototipazione Rapida Principi generali Scopi Realizzazione di un oggetto di stile utilizzabile per verificare il design dell oggetto oppure per la creazione di cataloghi o fogli pubblicitari. La realizzazione di un prototipo vero,adatto alla verifica funzionale dell oggetto, intesa come verifica degli accoppiamenti tra le parti e non come verifica strutturale dell oggetto progettato. Verifica dei flussi in ambito aerodinamico. La realizzazione di un master da utilizzare per la creazione di uno stampo per la replica dell oggetto; in molti casi il prototipo viene spesso distrutto o fuso per realizzare gli stampi

5 Prototipazione Rapida Principi generali disegno tecnico visualizzazione 3D rappresentazione realistica

6 Prototipazione Rapida Principi generali Utilizzo di un sistema CAD tridimensionale (3D) avente un uscita in formato STL (Standard Triangulation Language ) che rappresenta il formato standard per i modelli matematici nella PR. Il modello solido 3D viene convertito in un modello tipo Shell nel quale la superficie esterna è approssimata attraverso triangoli di dimensioni diverse (dipendente dalla risoluzione richiesta) in modo da seguire il profilo del modello. L utilizzo di questo formato pone tuttora diversi problemi ma, grazie alla diffusione di numerosi software correttivi, rimane attualmente il formato più affidabile e diffuso nell ambito della PR.

7 Prototipazione Rapida Principi generali MODELLO CAD MODELLO STL

8 Prototipazione Rapida Principi generali Pre-processore Il modello STL deve essere processato con un software che generi i supporti laddove siano necessari I supporti sono quegli elementi estranei al modello che però ne permettono la realizzazione Scopo dei supporti Ancorare il modello in costruzione all area di lavoro, permettendone comunque la successiva rimozione Proteggere le pareti laterali da azioni che ne possono compromettere la costruzione Supportare i sottosquadri

9 Prototipazione Rapida Principi generali

10 Prototipazione Rapida Principi generali Slicing Sezionamento del modello con piani perpendicolari all asse z Il file del modello sezionato è quello che la macchina di RP leggerà effettivamente

11 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo I PROTOTIPI Durante la fase di sviluppo vengono realizzate di solito le seguenti tipologie di prototipi: Modelli concettuali Prototipi per validazione Prototipi tecnici Pezzi finali Gli obiettivi di ciascuno sono ovviamente differenti così come il materiale impiegato per la costruzione e la tecnologia di fabbricazione

12 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Modelli concettuali Sono la rappresentazione fisica di un modello Valutazioni di stile Valutazioni ergonomiche Verifiche di progetto Valutazioni di costo Le macchine idonee a realizzarli vengono denominate MODELLATORI CONCETTUALI

13 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Modellatori concettuali La differenza fondamentale di queste macchine rispetto alle macchine di RP è quella di riuscire a realizzare il prototipo in tempi brevissimi così da permettere al progettista di verificare subito eventuali errori. Le caratteristiche peculiari di tali modellatori possono essere sintetizzate in: Elevata velocità di costruzione Utilizzo in ambiente d ufficio Basso costo di investimento

14 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Prototipi per validazione Rappresentazione fisica di un modello per prove di assemblaggio e test funzionali. In particolare per: Mock up fisici Test aerodinamici Analisi di flussi

15 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Verifiche di assemblaggio Assemblaggio di due o più componenti nei casi in cui l accoppiamento dei componenti determina la funzionalità dell assieme per la verifica del progetto

16 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Prototipo di un motore per auto per verifiche di ingombro e di assemblaggio - Componenti SLA assemblati - (Rover)

17 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Mock up fisici Assemblaggio fisico di pezzi e componenti in un pezzo di grosse dimensioni per verificare se i componenti sono difficili da montare, se certe distanze tra gli stessi sono sufficienti, se debba essere considerato un certo ordine nelle fasi di assemblaggio.

18 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Test funzionali Prove fisiche di una o più funzioni, di un particolare o di componenti, inclusi alcuni carichi fisici (es. termici, meccanici, ecc)

19 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Test Idrodinamici Test fisici di progetti per verifica di proprietà fluidodinamiche

20 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Test aerodinamici Test fisici di progetti per verifica di proprietà aerodinamiche

21 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Modello della sospensione anteriore di un autoveicolo per prove aerodinamiche in galleria del vento - Componenti SLA assemblati (Jaguar)

22 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Prototipi tecnici Sono prototipi che hanno anche le proprietà meccaniche identiche ai pezzi finali e vengono realizzati per: Certificazioni Verifiche di durata Verifiche di rispondenza alle normative di sicurezza

23 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Pezzi finali Produzioni in piccole serie: pz nel materiale finale Produzioni in medie serie: pz nel materiale finale Produzioni in grande serie: >50000 pz nel materiale finale Si può ancora parlare di prototipi o entriamo in un mondo di applicazioni industriali alternative ai metodi produttivi usati sino ad oggi?

24 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Applicazioni industriali Le principali applicazioni sono: RAPID TOOLING RAPID CASTING RAPID MANUFACTURING

25 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo RAPID TOOLING Si tratta di applicazioni industriali della PR e possono essere definite come un insieme di tecniche mirate alla costruzioni in tempi brevi di attrezzature destinate alla pre-serie in alternativa allo stampo di alluminio fresato

26 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Classificazione Tecniche dirette dove la macchina RP produce direttamente le attrezzature Tecniche indirette dove si combina il prototipo rapido con processi convenzionali per ottenere l attrezzatura In alternativa Tecniche di soft-tooling per produzioni limitate a poche decine di pezzi Tecniche di hard-tooling destinate a pre-serie estese oltre i pezzi

27 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo TECNICHE DIRETTE Alcuni processi industriali come: SLA, SLS, FDM possono generare inserti per stampi garantendo un limitato numero di componenti, approssimativamente da 50 a 100 pezzi. INSERTI SINTERIZZATI

28 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Esempio di produzione di media serie Requisiti : Media serie di contenitori di componenti elettronici per servosterzo Soluzione: Laserform ST 100 Materiale iniettato: PBT GF 30 N. pezzi stampati: Tempo totale dal progetto CAD alla consegna: 3 settimane

29 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Esempio di produzione piccola serie Requisiti: piccola serie di prototipi di un portalampade da produrre in breve tempo Soluzione: Direct Metal 20 Risultato: 200 parti stampate in ABS in 7 giorni lavorativi MATRICE E PUNZONE COSTRUITI IN UN UNICA LAVORAZIONE DI 25 ORE COSTRUZIONE IMMEDIATA DI GEOMETRIE CHE AVREBBERO RICHIESTO NORMALMENTE L USO DI ELETTRODI DATI DI PROGETTO DIRETTAMENTE DA CATIA AL PROCESSO DMLS SENZA NESSUNA ELABORAZIONE CAM

30 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Esempio di integrazione dei sistemi di prototipazione MODELLO CAD MODELLO CAD STAMPO IL PROGETTO INIZIALE PROTOTIPO ANALISI FEA

31 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo PROTOTIPI DI MATRICE E PUNZONE L OGGETTO STAMPAGGIO

32 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo TECNICHE INDIRETTE Stampi in silicone Stampi in lega bassofondente

33 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo RAPID CASTING Le tecniche RP che meglio si prestano per la fabbricazione di modelli sacrificali sono: Stereolitografia (SLA) Selective laser sintering (SLS) Fused deposition modelling (FDM) Drop on demand (DOD) Multi jet modelling (MJM)

34 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Prototipi in lega di Al di un assale per gruppo AUDI Tecnologia scelta: microfusione, parte sacrificale in polistirene PS 2500 costruita da sistema di sinterizzazione plastica Eosint P700 MODELLO IN POLISTIRENE E RELATIVO GETTO MICROFUSO

35 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo PREPARAZIONE DATI: DIMENSIONI 490x414x131 mm COSTRUZIONE MODELLI SACRIFICALI: 18 ORE X 2 PARTI INFILTRAZIONE CON CERA PER SIGILLARE E MIGLIORARE QUALITA SUPERFICI RAFFREDDAMENTO; RIMOZIONE POLVERE, CONTROLLO VISIVO

36 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo PREPARAZIONE DELLE CONCHIGLIE E DEI GETTI FUSIONI IN LEGA DI AL DA FONDERIA PICCOLE LAVORAZIONI MECCANICHE DI FINITURA CONTROLLO QUALITA PROVE MECCANICHE - CONCLUSIONI TEMPO TOTALE DEL PROGETTO GIORNI LAVORATIVI PROTOTIPI ALTAMENTE RAPPRESENTATIVI SIA IN TERMINI GEOMETRICI CHE MECCANICI GRANDI RISPARMI DI TEMPO E SOLDI RISPETTO AD ATTIVITA CONVENZIONALI

37 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Fabbricazione di stampi per l iniezione della cera Le tecniche RP che meglio si prestano per la fabbricazione di attrezzature per l iniezione della cera sono: Stereolitografia (SLA) Selective laser sintering (SLS) Vantaggio: riduzione dei tempi di fabbricazione delle attrezzature

38 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Stereolitografia stampi in silicone Modello costruito in SLA Si crea uno stampo in silicone Si cola cera nella cavità dello stampo Si usano i modelli in cera per fusioni a cera persa

39 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo Schema del processo di preparazione e colata

40 Classificazione delle tecniche di RP in funzione dell utilizzo RAPID MANUFACTURING L uso di tecniche additive per la costruzione di parti definitive in quantità da 1 a di pezzi Senza ausilio di stampi od attrezzature Geometria qualsiasi Varietà di materiali (plastica, ceramica, metallo) Con rapid manufacturing si vogliono dunque descrivere i processi che permettono di accorciare in modo sostanziale i passi necessari per ottenere parti definitive da portare nel mercato. Al limite eliminando gli stampi come vengono comunemente intesi, producendo direttamente da dati CAD. In generale si dovrebbe sostituire al termine rapid il concetto direct, che rende probabilmente meglio il senso dello sviluppo tecnologico.

41 Classificazione delle tecniche di P.R. in base ai materiali utilizzati

42 Fotopolimerizzazione con Laser La Stereolitografia Definizione e principi La stereolitografia è stata la prima tecnica ad essere impiegata per il Rapid Prototyping; attraverso l impiego di un laser viene tracciata la sezione di un pezzo. Il laser cede energia, la resina epossidica polimerizza e si ottiene uno strato solido. Successivamente viene aggiunto un altro strato di materiale liquido ed il procedimento si ripete fino a che da strati successivi si ottiene il prototipo.

43 Fotopolimerizzazione con Laser La Stereolitografia SCHEMA DI FUNZIONAMENTO

44 Fotopolimerizzazione con Laser La Stereolitografia Vantaggi Spessore degli strati 0,05-0,025 mm dettagli accurati Precisione del modello ottenuto al di sotto di 0,1 mm Semitrasparenza del materiale che consente la vista interna degli oggetti realizzati Applicazioni tipiche Modelli per stampi in silicone Modelli per test aerodinamici Analisi di flussi Particolari con dettagli molto precisi Progetti di stile Verifiche di assemblaggio

45 Fotopolimerizzazione con Laser La Stereolitografia Esempi di modelli

46 Fotopolimerizzazione con lampada U.V. Definizioni e principi La tecnologia di queste macchine a getto di fotopolimero è la base dei sistemi per depositare fotopolimeri per la costruzione di modelli 3D complessi. La testa di stampa deposita i fotopolimeri strato su strato. Ogni strato, che ha una risoluzione di 20 micron, viene trattato dalla luce UV immediatamente dopo che è stato depositato il fotopolimero.

47 Fotopolimerizzazione con lampada U.V. SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DELLA MACCHINA DETTEGLI DELLA TESTA DI STAMPA 1536 UGELLI RISOLUZIONE DI STAMPA X: 600 dpi ; y: 300 dpi ; z: 1270 dpi

48 Fotopolimerizzazione con lampada U.V. Vantaggi Utilizzo di materiali (fotopolimeri) non nocivi Struttura dei supporti facile da rimuovere (sia con un pennello che con un getto d acqua) Accuratezza del pezzo dato lo spessore degli strati di soli 0,02 mm Applicazioni tipiche Modelli per stampi in silicone Modelli per test aerodinamici Analisi di flussi Particolari con dettagli molto precisi Progetti di stile Verifiche di assemblaggio

49 Fotopolimerizzazione con lampada U.V. Esempi di modelli

50 Stampa a getto - Multi jet modeling Definizioni e principi Deposito di materiale simile a cera (Tm ~80 C) attraverso una testina di stampa che provvede a creare sia il modello che i supporti. Una volta terminato il ciclo di stampa si preleva il modello dalla piattafoma e si rimuovono i supporti. A questo punto la macchina è pronta per un nuovo ciclo di stampa.

51 Stampa a getto - Multi jet modeling SCHEMA DI FUNZIONAMENTO

52 Stampa a getto - Multi jet modeling Vantaggi Rapidità nella costruzione del modello Buona fondibilità del prototipo Utilizzo in ambiente d ufficio Applicazioni tipiche Modelli per stampi in silicone Progetti di stile Modelli per fusioni

53 Stampa a getto Drop on demand Definizioni e principi La tecnologia D.O.P. brevettata dalla Sanders (oggi Solidscape), consiste nel depositare attraverso due getti gocce micrometriche di materiale termoplastico verde (del tutto simile a cera) per la costruzione del modello ed una cera rossa per la costruzione dei supporti. Oltre al processo additivo tipico dei sistemi RP interviene un processo sottrattivo, tipico delle macchine CNC, costituito da una fresa che provvede a spianare lo strato appena depositato. Questa combinazione permette di realizzare prototipi molto precisi.

54 Stampa a getto Drop on demand SCHEMA DI FUNZIONAMENTO TESTINE DI DEPOSITO

55 Stampa a getto Drop on demand Vantaggi E la più precisa delle macchine RP Flessibilità nella scelta della risoluzione Precisione 13 micron su 23 cm sull asse Z 25 micron su 15 cm sugli assi X ed Y Semplice utilizzo e affidabile Applicazioni tipiche Modelli per stampi in silicone Modelli per fusione (gioielleria) Direct manufacturing

56 Stampa a getto Drop on demand Esempi di modelli

57 Tecnologia LOM (Laminate Object Manufacturing) Definizioni e principi Per tecnologia LOM si intende quel processo tecnologico in cui il modello è realizzato tramite la sovrapposizione di fogli di materiale simile alla carta I supporti non sono necessari in quanto il modello è comunque immerso nel materiale non facente parte delle sezioni

58 Tecnologia LOM (Laminate Object Manufacturing) SCHEMA DI FUNZIONAMENTO PROCESSO IL MATERIALE E UNA SPECIE DI CARTA FACILMENTE TAGLIABILE CON UN RAGGIO LASER E VIENE UTILIZZATO SOTTO FORMA DI FOGLI LE SINGOLE SEZIONI VENGONO TAGLIATE CON UN LASER E POI INCOLLATE ALLO STRATO PRECEDENTE

59 Tecnologia LOM (Laminate Object Manufacturing) Vantaggi Non avviene alcuna modifica della struttura del materiale durante il processo di costruzione quindi non si hanno deformazioni dovute alle tensioni interne Non si hanno perdite di tempo dovute alla generazione di supporti Processo molto veloce in quanto il laser taglia solo i perimetri delle sezioni Buona finitura superficiale Applicazioni tipiche Modelli per stampi in silicone Anime di formatura per fusioni in sabbia Modelli di stile

60 Tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling) Definizioni e principi Per estrusione di materiale si intende quel processo tecnologico in cui le sezioni ( slicing ) sono realizzate tramite estrusione e deposizione di materiale allo stato fuso e non tramite polimerizzazione Anche in queste macchine la generazione dei supporti, ove necessaria, è completamente automatica

61 Tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling) SCHEMA DI FUNZIONAMENTO PROCESSO LA TECNOLOGIA FDM COSTRUISCE STRATO SU STRATO PROTOTIPI FUNZIONALI PER ESTRUSIONE E DEPOSIZIONE DI MATERIALE PLASTICO ALLO STATO FUSO. I MATERIALI POSSONO ESSERE: ABS, ELASTOMERI, CERA, POLICARBONATO.

62 Tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling) Vantaggi Resistenza elevata dei modelli grazie a materiali simili al prodotto finito Buona precisione dimensionale Semplice rimozione dei supporti nei casi di solubilità Applicazioni tipiche Modelli per stampi in silicone Modelli per test aerodinamici Particolari con dettagli precisi Progetti di stile Verifiche di assemblaggio

63 Tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling)

64 Tecnologia FDM (Fused Deposition Modeling)

65 Sinterizzazione delle polveri - SLS Definizioni e principi Le macchine per la sinterizzazione laser diretta delle polveri lavorano per strati come tutte le macchine con logica additiva. Ciò è reso possibile da un opportuno fascio laser che viene pilotato attraverso processi non presidiati e completamente automatici. Con tali sistemi è possibile la costruzione rapida di parti tecniche in materiali definitivi, sia di plastica che di metallo. Tecniche disponibili Sintering plastico Sintering metallico Sintering di sabbia

66 Sinterizzazione delle polveri Sintering plastico Sintering plastico Sinterizzazione di materiali termoplastici 4 materiali : Polistirene P12 fine P12 caricato vetro DSM Somos 201 (elastomero) Massima utilizzazione e produttività (no cicli di raffreddamento/riscaldamento, no azoto diretto)

67 Sinterizzazione delle polveri Sintering plastico Il polistirene viene usato tipicamente per costruire forme per processi di replica, come le anime a perdere per la microfusione, grazie all ottima compatibilità con le cere da fonderia, oppure per modelli geometrici di verifica anche di grandi dimensioni. Una grande varietà di poliammidi (incluse miscele caricate vetro ed in futuro altri componenti come l alluminio) è disponibile per produrre modelli funzionali con eccellenti proprietà strutturali sia dal punto di vista meccanico che termico Applicazioni. Parti funzionali, anime per microfusione (polistirene) Ideale per make&test immediato, prove strutturali (temperature e vibrazioni)

68 Sinterizzazione delle polveri Sintering plastico

69 Sinterizzazione delle polveri Sintering plastico

70 Sinterizzazione delle polveri Sintering plastico Alcuni esempi

71 Sinterizzazione delle polveri Sintering metallico Sinterizzazione diretta di polveri di metallo Tecnologia DMLS ( Direct Metal Laser Sintering) Lega base bronzo a granulometria fine Lega base acciaio a granulometria fine Strati di 0,05 mm e 0,02 mm Modello trattabile con tecniche convenzionali

72 Sinterizzazione delle polveri Sintering metallico Applicazioni Costruzione diretta di inserti con tutte le loro caratteristiche (piani di divisione, movimenti, canali di raffreddamento) Ideale per: Stampi iniezione plastica, master per spincasting, stampi di estrusione, vulcanizzazione, pressofusione e deformazione lamiera.

73 Sinterizzazione delle polveri Sintering metallico IL PROCESSO DELLA DTM PASSO 1 GENERAZIONE DI PARTI GREZZE IN POLVERE DI ACCIAIO MISCELATO CON POLIMERO PASSO 2 DEBINDING DEI PEZZI GREZZI IN FORNO E INFILTRAZIONE CON BRONZO PASSO 3 OTTENIMENTO DI UN PEZZO FINITO DA UTILIZZARE PER ES. COME INSERTO DI STAMPI

74 Sinterizzazione delle polveri Sintering metallico IL PROCESSO DELLA EOS

75 Sinterizzazione delle polveri Sintering metallico Alcuni esempi

76 Sinterizzazione delle polveri Sintering sabbia E una delle più grandi rivoluzioni nel mondo della fonderia negli ultimi 2000 anni Grande libertà progettuale nelle prime fasi perché non serve sformare o definire piani di divisione Sinterizzazione diretta di sabbia Doppio sistema di scansione per max produttività Materiali pre-rivestiti sia a base silice che ceramica

77 Sinterizzazione delle polveri Sintering sabbia Applicazioni Costruzione diretta di anime e conchiglie senza l ausilio di alcun attrezzaggio Prototipi per prove funzionali Produzione piccola/media serie Ideale per assistere la progettazione di parti in metallo fin dall inizio del progetto (varianti), anime non sformabili (prodotti speciali), piccole serie di oggetti complessi Vantaggi Varietà dei materiali utilizzabili Utilizzo diretto dei prototipi nel processo produttivo

78 Sinterizzazione delle polveri Sintering sabbia

79 Sinterizzazione delle polveri Sintering sabbia Alcuni esempi

80 3D Print Definizioni e principi Il progetto nasce da un brevetto del M.I.T. di Boston, acquisito dalla Zcorp, che prevede l utilizzo di una o più cartucce di stampanti commerciali che anziché spruzzare inchiostro monocromatico o a colori, spruzzano un liquido a base di colla su uno strato di materiale quale l amido, il gesso e recentemente anche la polvere ceramica. Strato dopo strato sulla tavola viene consolidato un modello tridimensionale. E attualmente considerata la macchina più veloce nel mondo del RP Utilizza materiali atossici (amido, gesso o polvere ceramica) La polvere in cui il modello viene costruito fa da supporto al modello stesso Possibilità di costruire modelli con sottosquadri senza la difficoltà di eliminare i supporti

81 3D Print SCHEMA DI FUNZIONAMENTO MUOVENDOSI DA SX A DX IL CILINDRO RACCOGLIE LA POLVERE IL RULLO STENDE UN SOTTILE STRATO DI POLVERE SUL PISTONE DI COSTRUZIONE IL RULLO SCARICA LA POLVERE IN ECCESSO NEL CANALE DI RACCOLTA MENTRE SI MUOVE DA DA A SX LA CARTUCCIA STAMPA LA SEZIONE DEL PEZZO IL PISTONE DI ALIMENTAZIONE SALE DI UNO STRATO, QUELLO DI COSTRUZIONE SCENDE DI UNO STRATO ED IL CICLO SI RIPETE

82 Alcuni esempi 3D Print

83 Vantaggi 3D Print Riesce a creare più modelli fisici in meno di un ora I modelli creati possono essere verniciati e metallizzati Sistema semplice ed affidabile Applicazioni tipiche Verifiche di progetto Verifiche ergonomiche Modelli per stampi in silicone Modelli per fusioni a cera persa o in sabbia