E-MANUFACTURING: DAL MODELLO ELETTRONICO 3D DIRETTAMENTE AL COMPONENTE IN METALLO. LA PRODUZIONE DEL FUTURO

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1 Seminario E-MANUFACTURING: DAL MODELLO ELETTRONICO 3D DIRETTAMENTE AL COMPONENTE IN METALLO. LA PRODUZIONE DEL FUTURO 4 Ottobre 2012 Sala Convegni CSMT Scarl Via Branze, 45 - Brescia

2 Il servizio di rapid manufacturing con la tecnologia DMLS - Ing. Riccardo Ferrari, MET Company Srl - ing. Cesare Zanetti, Protoservice Srl

3 Agenda 1. Tecnologia 2. I materiali disponibili 3. Comparazione costi con tecnologie tradizionali 4. Applicazioni e case-studies 5. La potenzialità produttiva 6. Indicazione per un nuovo modo di progettare 3

4 DMLS: fusione! non sinterizzazione DMLS (Direct Metal Laser Sintering): Melting (Fusione) e non Sintering (Sinterizzazione) Evoluzione della ben conosciuta SLS (Selective Laser Sintering) dei primi anni 90, applicata alle polveri di nylon (PA 6.6): 1992: DTM, Università del Texas, Sinterstation : EOS GmbH, Monaco di Baviera, EOSINT P 350 Applicazione SLS alle polveri metalliche e sviluppo di un polvere con coefficiente di dilatazione termica /restringimento molto basso: 1994: sistema brevettato da EOS (Germania) ERD (Finlandia) Messa a punto parametri di processo per microfusione metalli 1995: brevetto esclusivo di Fraunhofer ILT 1997: Acquisizione diritti per sfruttamento tecnologia, Trumpf AG 2002: Accordo EOS GmbH - Trumpf AG, per sfruttamento tecnologia Fonte: DMLS - Development history and state of the art, M. Shellabear, O. Nyrilha 4

5 Principali players e brevetti Sviluppo e proliferazione tecnologie similari alla DMLS, ad EOS si sono aggiunti I seguenti players che utilizzano il Laser Concept Laser GmbH (Germania)con la tecnologia Laser Cousing Renishaw plc. (UK), SLM Solutions GmbH (Germania), Realizer GmbH (Germania) con la tecnologia Selective Laser melting (SLM) Phenix Systems (Francia) con la tecnologia Laser Sintering La società svedese ARCAM AB utilizza come sorgente il fascio di elettroni ed il processo è chiamato EBM Electron Beam Melting Differenza fra EBM e DMLS: EBM: processo caldo, maggiore produttività, minore precisione DMLS: processo freddo, minore produttività, maggiore precisione Fonte: forum RM Metal Sintering, Settembre 2012, Prof. Luca Juliano 5

6 Quote di mercato Quote di mercato Europa relative al 2011 Renishaw Plc.; 6% SLM Solutions GmbH; 8% EOS GmbH; 32% Phenix Systems SA; 10% Realiser; 11% Arcam AB; 11% Concept Laser GmbH; 22% Fonte: forum RM Metal Sintering, Settembre 2012, Prof. Luca Juliano, Presidente APRI 6

7 Principio base della tecnologia Il principio base della tecnologia DMLS consiste nella microfusione selettiva, tramite un fascio laser ( W) di un letto di polvere metallica a granulometria controllata in modo da realizzare sottili strati (20 60 µm) di metallo fuso/solidificato sovrapposti. Strato per strato o Layer by layer, è possibile far crescere in maniera additiva qualsiasi forma e/o geometria, anche quelle che sono impossibili da realizzare con ogni altro tipo di tecnologia. La precisione ottenibile è fino a ± 0,05mm Clip Schematic functioning principle of DMLS 7

8 Principio base della tecnologia 8

9 Confronto impianti 9

10 Tecnologia: caratteristiche dei materiali Grana Grana molto molto fine fine e e distribuzione distribuzione omogenea omogenea dei dei componenti componenti stechiometrici. stechiometrici. Rispetto Rispetto di di norme norme ISO ISO e e ASTM ASTM per per la la composizione composizione chimica. chimica. Proprietà Proprietà meccaniche meccaniche simili simili a a prodotti prodotti equivalenti equivalenti da da barra, barra, fusione fusione e e forgiatura forgiatura a a caldo caldo 10 Fonte: datasheet EOS

11 Comparazione con le tecnologie tradizionali 11 Fonte: datasheet EOS

12 Caratteristiche meccaniche Materiale EOS UTS Rp0,2 A test di Fatica (*) Durezza MPa MPa % MPa HRC AlSi10Mg ,5-6,5 97 n.d. NickelAlloy IN n.d. 30 SS PH >90 HRB Ti6Al4V n.d CoCr MP (*) Fatigue test with test frequency of 50 Hz, R=-1, measurement stopped on reaching 5 million cycles without fracture. 12 Fonte: datasheet EOS

13 Struttura del materiale

14 StainlessSteel17-4 Micrografia di Stainless Steel 17-4 mostra una struttura completamente fusa, densa. Vista trasversale. Micrografia di Stainless Steel Vista da sopra. 100µm 100µm Si mostra una struttura completamente rifusa, densa 14 Fonte: datasheet EOS

15 StainlessSteel17-4 Density: approx. 7.8 g/cm³ Max. operating temperature: 550 C UTS (MPa) Thermal conductivity: at 20 C:13 W/mK at 100 C:14 W/mK at 200 C:15 W/mK at 300 C:16 W/mK Coefficient of thermal expansion: C:14 x10-6m/mk A% 15 Fonte: datasheet EOS

16 CobaltChrome MP1 Densità relativa: approx. 100 % Densità: 8.29 g/cm3 Temp. operativa Max C Fusione: C UTS: approx MPa Allungamento: 5-15 % Durezza: HRC Conducibilità termica: 20 C: 13 W/mK 300 C: 18 W/mK 500 C: 22 W/mK 1000 C: 33 W/mK Micrografia campione di CobaltChrome MP1 che mostra una struttura densa con fusione completa del materiale durante la fase di risolidificazione Coefficiente di espansione termica: C: 13.6 x10-6 m/mk C: 15.1 x10-6 m/mk 16 Fonte: datasheet EOS

17 CobaltChrome MP1 Micrografie di campioni di CobaltChromeMP1 10x 1000x SEM 5000x SEM EOS Cobalt Chrome MP1 produce parti con strutture a grana molto fine e dimensioni tipiche di µm 17 Fonte: datasheet EOS

18 CobaltChrome MP1 UTS (MPa) A Fonte: datasheet EOS Grafico prove di trazione Università di Parma. Fonte: Protoservice Srl Risponde alla norma DIN EN ISO 16744:2003, Type 4 dental alloy La composizione del materiale è stata disegnata per avere un coefficiente di dilatazione termica nell intervallo C identico a quello delle ceramiche dentali di ricopertura ed evitare, quindi, rischi di criccatura oppure delaminazione durante le operazioni di cottura. La tecnologia di sinterizzazione consente di: Costruire circa 200 capsule singole in circa 12 ore Realizzare capsule con pareti sottili fino a 0,3 mm e permettere, quindi, al dentista un migliore e più agevole adattamento meccanico sul moncone. 18

19 Ti6Al4V e CP Ti Previsti: Ti6Al4V grado ELI e Grado 5 ; CP Ti Grado2-4 Risponde alle norme ASTM F1472 ed ASTM F136 Materiale leggero, eccellenti proprietà meccaniche, grande biocompatibilità Proprietà: materiale completamente denso; solo pori singoli UTS: approx MPa trazione: approx MPa Spessore pareti tipico 0,2-0,3 mm; Accuratezza tipica +\-50 µm; Proprietà meccaniche e resistenza a fatica pari se non migliori a prodotto equivalente da fusione. Ad esempio il titanio sinterizzato si frattura per duttilità e non fragilità Micrografia ottica EOS Titanium Ti64, struttura densa con pori isolati ed orientamento di tipo dentritico e martensitico 19 Fonte: datasheet EOS

20 Ti6Al4V e CP Ti Micrografia ottica per Titanium CP2. Vista trasversale. UTS (MPa) Micrografia ottica per Titanium CP2.Vista da sopra. A% 20 Fonte: datasheet EOS

21 Resistenza a fatica Il fenomeno della fatica è parametro critico per settore Aeronautico e Difesa Criticità: mancanza di letteratura tecnica Prova standard: carico max 440 MPa 10 milioni di cicli frequenza di 45Hz CrCo DMLS samples after fatigue test Approccio: Eliminare le irregolarità nelle superfici Eliminare le inclusioni di ossidi Report of STORK Laboratories 21

22 Costi

23 Confronto costi Case study Fabbricazione di un corpo carburatore (circa 1kg) in lega di alluminio. Confronto fra Pressocolata e DMLS 23

24 Confronto costi Zona di convenienza economica della tecnologia DMLS DMLS Pressocolata complessità del pezzo 24

25 Trend dei costi Trends Trends in in costs costs & build build rates rates Cost per part ( ). Cost per part ( ) EOS M270 EOS M Cost Cost per per part part ( ) ( ) Build Build Rate Rate (cm3/h) (cm3/h) Build rate (cmc/h). Build rate (cmc/h). Il calcolo è basato sulla situazione odierna della tecnologia È plausibile un miglioramento dei processi ed una diminuzione dei costi La richiesta di produzioni in piccola serie favorirà la riduzione costi 25 Fonte: forum RM Metal Sintering, Settembre 2012, Karl-Heinz Dusel MTU

26 itech Metal for Future Design Microfusione laser per un nuovo modo di progettare Approccio MET Company al processo DMLS Il servizio itechmetal

27 Servizio itech Metal: obiettivi

28 Settori 28

29 esempi di applicazione e case-studies

30 Aeronautico, elicotteristico, aerospazio Case Study: diffusore per turbina aviogetto Tecnologia: DMLS Materiale: Ti6Al4V Vantaggio: riduzione di costo e risparmio di peso. Applicazioni Criticità Vantaggio con DMLS Materiale DMLS Struttura Pedale per postazione guida elicottero Componente complesso, in alluminio, lavorato con 5 assi Riduzione costo e peso Titanio Honeycomb Palettatura completa per rotore elicottero Componente complesso, in acciaio 38NCD4, lavorato con 5 assi Riduzione di costo. Riduzione tempo di sviluppo prototipo. Acciaio inox SS PH1 Compatta Struttura per UAV (Drone) Componente complesso, in alluminio o magnesio, lavorato con 5 assi Ottimizzazione della forma con riduzione dei pesi. Alluminio Honeycomb. Forma ottimizzata. 30

31 Armi & Difesa Case Study: impugnatura con struttura a nido d ape Tecnologia: DMLS Materiale: Ti6Al4V Vantaggio: riduzione di peso 50% e design innovativo. Applicazioni Criticità Vantaggio con DMLS Materiale Struttura Caricatori e Componenti d arma Componente complesso ricavato da lamiera piegata Riduzione tempi di sviluppo da 6 settimane a 1 settimana. Notevole riduzione costo. Acciaio inox EOS SS PH1 Compatta Bascula Componenti complessi ricavato dal pieno con CdL Riduzione tempi di sviluppo da 6 settimane a 1 settimana. Acciaio inox EOS SS PH1 Compatta Fusto Componente realizzato in MIM riduzione di peso e design innovativo. Titanio Honeycomb 31

32 Energia & Engineering Case Study: palettatura per turbine fredde Tecnologia: DMLS Materiale: Acciaio SS PH1 Vantaggio: Riduzione tempi di sviluppo e costi di produzione Possibili canali di raffreddamento interni. Applicazioni Criticità Vantaggio con DMLS Materiale Struttura Palettatura near-net-shape e componenti per banchi prova turbine a gas settore aeronautico. Realizzate di fusione con lunghissimi tempi di sviluppo e alti costi. Oltre a tipici problemi delle fusioni. Riduzione tempi di sviluppo e riduzione costi. Acciaio inox SS PH1 Compatta Palettatura completa per turbina fredda Componente complesso, in acciaio 38NCD4, lavorato con 5 assi Riduzione di costo. Riduzione tempo di sviluppo prototipo. Acciaio inox SS PH1 Compatta Supporti sensori, tubo di Pitot Componenti complessi con cavità interne. Riduzione costi. Acciaio inox SS PH1 Compatta 32

33 Motorsport 1 Case Study: protezione condotto scarico Tecnologia: DMLS Materiale: Ti6Al4V Vantaggi: Struttura leggera, resistente al calore e alle sollecitazioni. Design innovativo. Applicazione Criticità Vantaggio con DMLS Materiale Struttura Valvola motore kart 2 tempi Peso Riduzione peso Titanio Alleggerita Supporti Peso, complessità Riduzione peso e costo Titanio Compatta Pistone Racing per motori a 2/4 tempi Peso, Lubrificazione, Anticipo accensione Riduzione peso, fattibilità di strutture complesse, nuovi materiali Acciaio SS PH1, Lega di Titanio (in fase sperimentale) Compatta 33

34 Motorsport 2 Case Study: pistone DUCATI racing 4 tempi Tecnologia: DMLS Materiale: Superlega acciaio Vantaggi: miglioramento della lubrificazione biella e riduzione delle masse in testa. Sviluppato da: 34

35 Biomedicale e implantologia dentale STEP 1: STEP 2: STEP 3: STEP 4: STEP 5: Ricostruzione modello 3D da immagini TAC Invio file 3D o replica in PA per pianificazione Progettazione dispositivi e invio file 3D per approvazione Realizzazione della protesi INDIVIDUALIZZATA in Ti o CrCo, dime, attrezzature Analisi post operatoria 35

36 Biomedicale Tecnologia tradizionale Case Study: dima operatoria ortopedia Tecnologia: DMLS Materiale:CrCo Vantaggi: Riduzione peso in geometrie complesse Produzione di particolari personalizzati DMLS 36

37 Biomedicale 37

38 Alimentare Case Study: Rulli inerzia ridotta Tecnologia: DMLS Materiale: Acciaio inox Tecnologia tradizionale Vantaggi: Riduzione massa e riduzione dell inerzia di rotazione Risparmio energetico DMLS 38

39 Bikes & Kite-surf Case Study: gruppo freno per PRO s bikes Tecnologia: DMLS Materiale: Ti6Al4V Vantaggio: riduzione di peso 50% e design innovativo. Case Study: gancio vela Tecnologia: DMLS Materiale: SS PH1 Vantaggio: riduzione costi e design innovativo. Applicazioni Criticità Vantaggio con DMLS Materiale Struttura Pedivelle alleggerite Peso, forma complessa Riduzione di peso Titanio Cava Manicotti collegamento piantone - manubrio Peso, forma complessa Riduzione di peso Titanio o alluminio Cava 39

40 Industrial Design & Light contracts Case Study: modello di stile e prototipo di teiera in alluminio Tecnologia: DMLS Materiale: AlSi10Mg Vantaggio: prototipo nel materiale definitivo Applicazione Criticità Vantaggio con DMLS Materiale Struttura Componenti per lampade nel settore Contracts (serie limitata su misura) Costi elevati causa costi attrezzature su serie limitate. Riduzione costi e tempi. Alluminio, Acciaio inox, Titanio Compatta o a nido d ape Componenti di occhiale in lega di Titanio per serie limitata ed edizione speciale Costi elevati per serie limitate. Difficoltà nella lavorazione meccanica del Titanio Riduzione costi e tempi. Ti6Al4V Compatta Chiusure per borse di alta gamma in edizione speciale Costi elevati per serie limitate/pezzi unici. Riduzione costi e tempi. Alluminio, Acciaio inox, Titanio Compatta o a nido d ape 40

41 Costruzione Stampi Case Study: produzione di 5000 pz in PA 6.6. GF per joystick (14 stampi) cabina macchina movimento terra Tecnologia: realizzazione stampi con DMLS Materiale: Bronzo DM20 Vantaggi: In meno di 9 settimane consegnata l intera produzione con risparmi di costo del 50% Applicazioni Criticità Vantaggio con DMLS Materiale Struttura Componenti in plastica per campionature componenti settore elettrico I prototipi sono realizzati non nel materiale definitivo e non con il processo definitivo. Riduzione tempi di sviluppo e tempi di consegna stampi e preproduzione Bronzo, Alluminio Compatta 41

42 Costruzione Stampi Injection moulding Case Study: produzione pezzi di componente in PP Ottimizzare tempi e costi Soluzione: Inserti in acciaio maraging EOS MS1 Ridisegnati i canali di raffreddamento Vantaggi Riduzione di costo e lead time stampo (da 300h a 85h) Incremento produttività e qualità dei pezzi prodotti Applicazioni Criticità Vantaggio con DMLS Materiale Struttura Settore elettrico. Stampaggio placche e scheletri interruttori. Costi e tempi di consegna stampi. Riduzione di costo e lead time stampo. Acciaio maraging MS1 Compatta Settore automotive. Stampaggio fanali per iniezione plastica. Tempo ciclo. Qualità. Riduzione tempo ciclo e miglioramento qualità. Acciaio maraging MS1 Compatta Produzione componenti in plastica con impianti per soffiaggio Tempo ciclo Riduzione tempo ciclo fino al 50%. Acciaio maraging MS1 Compatta 42

43 Protoservice 43

44 Protoservice Srl Partnership MET Company Srl 15 anni di esperienza nella motor valley Esperienza con la tecnologia DMLS Solidità finanziaria Costi competitivi 44

45 Gli impianti e capacità produttiva 2 EOS M270 1 EOS M280 5 impianti per SLS Impianti per il trattamento termico e per la finitura superficiale Videoclip impianti: M270_1.mp4 M270_2.mp4 M280_3.mp4 45

46 Materiali disponibili Acciai inox: SS PH1 SS GP1 Superleghe: Ti6Al4V CrCo AlSi10Mg (in fase di qualificazione) Inconel 46

47 La qualificazione del materiale Ogni inserimento di nuovo materiale è affiancato da prove di qualificazione eseguite presso l Università di Parma Tracciabilità della materia prima Utilizzo solo di lotti unificati (non si mescolano lotti diversi) Rintracciabilità della materia prima (lotto di materia prima e job di lavorazione) Prove di trazione e verifica porosità (micrografie) su ogni cambio lotto 47

48 Quali garanzie sulla qualità? Dipende molto dall applicazione e dalle richieste del cliente Caratterizzazione chimica (analisi chimiche) Caratterizzazione meccanica ( su provini realizzati insieme ed accanto ai pezzi realizzati) Prove non distruttive: liquidi penetranti, radioscopia,.. 48

49 Accorgimenti per la produzione La tecnologia DMLS può realizzare componenti di forma complessa sfruttando anche alcune flessibilità del processo: Possibilità di realizzare canali interni di forma toroidale o che seguono esattamente il profilo del tassello Un componente in cui prevale una dimensione rispetto alle altre può offrire due possibilità: sviluppo secondo l asse z o sviluppo nel piano x-y La disposizione del pezzo sulla piastra deve necessariamente tenere conto dei supporti Terminata la lavorazione la piastra subisce un trattamento termico di distensione La precisione può arrivare a +/- 0,05 mm, le parti di precisione maggiore devono richiedere un sovrametallo che verrà poi asportato di macchina utensile 49

50 Un nuovo modo di progettare Alcune caratteristiche: Precisione: +/- 0,05 mm Sovrametallo solo se la precisione non è sufficiente Minimo spessore pareti: 0,2-0,3 mm Rugosità superficiale: >1µm Non servono angoli di spoglia File: STP, IGS 50

51 Un nuovo modo di progettare Quando si può pensare di passare alla tecnologia DMLS? DMLS dovrebbe essere usata in alternativa ad altre tecnologie quando, per produrre pezzi complessi: Si sta usando l elettroerosione Si sta usando un CdL a 5 assi Si stanno usando complesse attrezzature di piegatura Si è costretti a riprendere il pezzo più volte Si sta usando la microfusione a cera persa È necessario utilizzare metalli biocompatibili Si stanno realizzando prototipi in metallo 51

52 Riepilogo su tecnologia DMLS Punti di forza Capacità di produrre parti complesse. Riduce fortemente costi e tempi di sviluppo prodotto Adatto per prototipi, pre-serie e campionature nel materiale definitivo Caratteristiche meccaniche simili e/o superiori al forgiato. Tecnologia lean (senza sprechi) Punti di debolezza Dimensioni limitate dalla camera di processo Non c è ancora una letteratura tecnica adeguata Richiede talvolta un post-trattamento La qualificazione delle parti può essere lunga soprattutto per le parti critiche. Alta resa (buy to fly) Il processo è basato interamente su dati digitali (e-manufacturing) È applicabile trasversalmente in vari settori 52

53 Grazie! Il servizio di rapid manufacturing con la tecnologia DMLS Ing. Riccardo Ferrari, MET Company Srl Ing. Cesare Zanetti, Protoservice Srl 53