METODI E TECNICHE DI PROTOTIPAZIONE RAPIDA

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1 METODI E TECNICHE DI PROTOTIPAZIONE RAPIDA DANIELE REGAZZONI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE... IN QUESTA LEZIONE Proto9pazione rapida e metodologie Tecniche per accrescimento Applicazioni CAD- RP MODELLO FISICO Fabbricazione CAM, RP MODELLO VIRTUALE Generazione Modello CAD 2 1

2 CONTESTO Per produrre oggen fisici modelli proto9pi aprezzature per produrre proto9pi Mo9vazioni ridurre tempi e cos9 ridurre fino ad eliminare il numero di proto9pi fisici ridurre gli errori e le modifiche dovute ad errori di progepazione 3 TRE PROBLEMI DI TIPO DIVERSO Rapid Prototyping Produzione automa9ca di modelli fisici a par9re da modelli CAD Rapid Tooling Produzione automa9ca o semiautoma9ca di stampi per produrre proto9pi a par9re da modelli CAD dell oggepo Rapid Manufacturing Produzione automa9ca di proto9pi fisici a par9re da modelli CAD Applicazioni di proto9pazione e fabbricazione: RAPID PROTOTYPING AND MANUFACTURING (RP&M) 4 2

3 TECNICHE PER LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Tradizionali per asportazione per deformazione per formatura Per accrescimento 5 TECNICHE TRADIZIONALI (1/4) per asportazione oggepo costruito a par9re da un grezzo per asportazione successiva di volumi (lavorazioni per asportazione di truciolo o eleproerosione) pur disponendo del modello CAD è necessario generare i percorsi utensili e verificarli (CAM) 6 3

4 TECNICHE TRADIZIONALI: MU- CN (2/4) Macchina Utensile a Controllo numerico 5 assi Percorso utensile Controllo Numerico Macchina Utensile Pezzo 7 TECNICHE TRADIZIONALI (3/4) per deformazione oggepo openuto a par9re da un semilavorato per deformazioni plas9che successive (a caldo e/o a freddo) mediante stampi pur disponendo del modello CAD dell oggepo è necessario progepare e generare il modello CAD degli stampi generare i percorsi per la lavorazione degli stampi e verificarli ( CAM ) produrre gli stampi 8 4

5 TECNICHE TRADIZIONALI (4/4) per formatura oggepo openuto a par9re da materiale allo stato di liquido o polvere formato mediante uno stampo pur disponendo del modello CAD dell oggepo è necessario progepare e generare il modello CAD dello stampo di formatura generare i percorsi per la lavorazione dello stampo e verificarli (CAM) produrre lo stampo 9 TECNICHE PER ACCRESCIMENTO (1/2) OggePo/proto9po openuto per accrescimento mediante aggiunta ed aggregazione successiva di par9celle, fili o stra9 di materiale disponendo del modello CAD dell oggepo il proto9po può essere prodopo automa9camente 10 5

6 TECNICHE PER ACCRESCIMENTO (2/2) Primi tenta9vi di produrre oggen partendo da modelli solidi risalgono agli inizi degli anni 70 Nuova tecnologia denominata: Rapid Prototyping Layered Manufacturing 3D prin9ng Desktop Manufacturing Solid Freeform Manufacturing 11 PREREQUISITI COMUNI Disporre di un modello 3D solido del pezzo proveniente dal sistema CAD Disporre di un conver9tore nel formato STL Il soiware di controllo del sistema RP che provvede a: sezionare per piani paralleli il modello generare contorni e traieporie di riempimento delle singole sezioni generare in modo più o meno automa9co strupure di supporto se e dove necessario 12 6

7 DAL CAD AL RAPID PROTOTYPING Sistema CAD 3D Generazione modello Verifica modello CAD ed ev. modellazione Verifica/correzione errori file STL Piazzamento/orientamento modello Generazione strupure di supporto Preparazione parte Generazione file STL File STL Proto9po Slicing File di costruzione Macchina RP - SW controllo processo Generazione proto9po per sezioni Post- processamento e Finitura 13 GEOMETRIA DI INPUT (1/3) Rappresentazione approssimata dell oggepo mediante una mesh di triangoli Formato STL (.stl) introdopo da 3D Systems nel 1987 Solid example facet normal e e e- 02 outer loop vertex e e e+01 vertex e e e+01 vertex e e e+01 endloop endfacet : : endsolid example Esempio file STL in formato ASCII 14 7

8 GEOMETRIA DI INPUT (2/3) Esempio: scatola pompa a pistoni Modello CAD 3D Rappresentazione a triangoli 15 GEOMETRIA DI INPUT (3/3) Vantaggi Conversione semplice Qualsiasi forma geometrica può essere conver9ta in un modello a triangoli Algoritmo di slicing è semplice poiche lavora su triangoli Modelli STL sono facilmente suddivisibili per adaparli allo spazio di lavoro della macchina Svantaggi Verbosità e ridondanza dei da9 nei file STL Errori dovu9 all approssimazione (superfici ridope a faccepe) Mancanza di informazione (modello iniziale ha informazioni su geometria, topologia e materiali) 16 8

9 VERIFICA E CORREZIONE ERRORI FILE STL Errori nella conversione da modello 3D a formato STL Gap Piano sezione Sezione generata Normali inconsisten9 Normali non correpe POSIZIONAMENTO DEL PEZZO QuaPro aspen chiave del processo di RP&M accuratezza della costruzione tempo di costruzione strupura di supporto volume trapped 18 9

10 SLICING Lo slicing è un operazione cri9ca perché condiziona in modo determinante la precisione del proto9po due possibilità Slicing uniforme: stra9 di spessore costante Slicing adanvo: lo spessore viene scelto in funzione della curvatura superficiale, per limitare al massimo l aspepo a gradini della superficie esterna uniforme adapa9vo 19 TECNICHE PER ACCRESCIMENTO (1/2) PROCEDIMENTI Fotopolimerizzazione Sinterizzazione Spruzzatura Incollaggio Taglio. MATERIALI Resine- fotopolimeri Cere- termoplas9ci Polis9ene Polveri metalliche Carta Nylon- ABS. La precisione openibile con queste tecniche è nell ordine di 1 decimo di millimetro sull asse Z 20 10

11 TECNICHE PER ACCRESCIMENTO (2/2) Stereo Lithography Selec9ve Laser Sintering Laminated Object Manufacturing Fused Deposi9on Modeling Solid Ground Curing 3- D Prin9ng Mul9 Jet Modeling Selec0ve Laser Mel0ng Electron Beam Mel0ng.. 21 STEREO LITHOGRAPHY E la prima tecnologia ad introdurre il metodo per accrescimento Le prime dimostrazioni di laboratorio nel 1984 Il primo sistema disponibile sul mercato alla fine del 1988 Basato sulla fotopolimerizzazione (Immagine 1997, 1998 ProtoGpazione Rapida, Publitec) 22 11

12 SELECTIVE LASER SINTERING SLS (1/2) Basato sulla sinterizzazione direpa di polveri mediante laser (Immagine 1997, 1998 ProtoGpazione Rapida, Publitec) 23 SELECTIVE LASER SINTERING (2/2) Cere, plastiche ABS e PVC, nylon, sabbia da fonderia e polveri metalliche In linea teorica, ogni materiale che dimimuisca di viscosità con il calore Immagine cortesia di EOS Immagine cortesia di EOS Sinterizzazione laser di Plas9ca Forme per microfusione e modelli in plas&ca Modelli in poliammide per protogpi funzionali con proprietà strulurali, di precisione per verifica design e master copia per stampi solovuoto in silicone. Forme in polisgrene per microfusione a cera persa Sinterizzazione laser di Metallo Inser& in metallo per stampi ad iniezione, quindi Rapid Tooling Cavità ed inserg sinterizzag direlamente in metallo da uglizzare per stampaggio ad iniezione di preserie nel materiale termoplasgco definigvo

13 î LAMINATE OBJECT MANUFACTURING LOM (1/2) Basato sulla sovrapposizione di fogli sagoma9 Università degli Studi di Bergamo Caterina Rizzi î 25 LAMINATE OBJECT MANUFACTURING (2/2) (Immagini cortesia di DemoCenter Scrl) Università degli Studi di Bergamo Caterina Rizzi 26 13

14 FUSED DEPOSITION MODELING - FDM Basato sulla estrusione di materiali termoplas9ci Deposizione di stra9 successivi si materiale riscaldato fino alla temperatura di fusione Necessarie strupure di supporto (Immagine 1997, 1998 ProtoGpazione Rapida, Publitec) D PRINTING Object Printing head Powder dispenser & recoater Basato su liquid binder jebng su stra9 di polveri (ceramiche, di cellulosa e metalliche) Sviluppato presso MIT Prima macchina: Z402 della Z- corp Powder Build platform Immagine cortesia di Z- Corp Giò Style 28 14

15 î SCELTA DELLA TECNOLOGIA Università degli Studi di Bergamo Caterina Rizzi î 29 TECNOLOGIE LOW- COST EMERGENTI Basate principalmente su tecnologia FDM Soluzioni costrunve ampiamente diffuse - > bassi cos9 delle macchine (0,5-3 k ) Materiali di costruzione Plas9ca: più diffuse sono ABS o PLA Campi applica9vi Le ridope dimensioni e i materiali impiegato le limitano alla creazione di proto9pi per la fase di concept Pro (oltre al costo) Facilità di u9lizzo Ingombro stampante ridopo No post- processing Manutenzione limitata Contro RidoN volumi di costruzione Risoluzione limitata Università degli Studi di Bergamo Caterina Rizzi 30 15

16 VALUTAZIONE DEL PROGETTO valutazione non solo visuale, ma anche tanle valutazione este9ca La precisione raggiunta è sufficiente, ed i materiali u9lizza9 (plas9ca, cera e carta) soddisfacen9 Alcune tra le più nuove macchine RP sono vere e proprie stampan9 tridimensionali, fape per trovare posto accanto alla stazione CAD e in grado di lavorare in silenzio e con la sicurezza richiesta alle comuni macchine da ufficio Par9 in cera con dimensioni di massima di 25x20x20cm, sono realizzabili nell ordine di tempo di un ora 31 VERIFICA FUNZIONALE Verifica di montabilità e di accessibilità delle par9 Bisogna garan9re una sufficiente precisione Verifica delle prestazioni cinema9che Verifica delle prestazioni aerodinamiche Altre verifiche strupurali (tenuta, fa9ca, resistenza a corrosione, ) non sono possibili con RP il materiale con cui viene realizzato il proto9po non sempre ha le stesse caraperis9che fisiche del materiale con cui verrà realizzato il pezzo finale 32 16

17 ULTERIORI PROCESSI DI FABBRICAZIONE Rapid Tooling (aprezzaggio rapido) produzione di tool apraverso tecniche di proto9pazione rapida tecnica usata per produrre stampi per iniezione e stampi per fusione per temperature di iniezione inferiori ai 400 C e per produzioni inferiori ai 100 pezzi, è possibile realizzare direlamente con tecniche RP stampi in silicone, oppure ricoprire lo stampo in plasgca con tecniche di metal spray o mediante eleproplaccatura... anche HSC (High Speed CuNng) 33 PICCOLA SERIE Realizzare il pezzo finito con il materiale e la precisione sufficiente a soddisfare gli scopi per cui il pezzo viene prodopo Può essere conveniente quando l'oggepo da realizzare e' caraperizzato da una forma par9colarmente complessa. Al contrario di cio' che accade per le tecnologie di 9po tradizionale infan, la complessita' geometrica non e' un vincolo determinante per le tecniche di RP 34 17

18 SETTORI INDUSTRIALI Automobilis9co Aerospaziale ElePromeccanico Meccanica Medicale Beni Culturali Casalinghi Orificiera.. 35 INDUSTRIAL ENGINEERING 36 18

19 î SETTORE MEDICALE Università degli Studi di Bergamo Caterina Rizzi î 37 BENI CULTURALI Università degli Studi di Bergamo Caterina Rizzi 38 19

20 COSTI E BENEFICI Per coprire interamente il proprio campo di interesse si rischia di dover acquistare più macchine di 9po diverso Cos9 aggiun9vi per aprezzare l ambiente di lavoro in cui la macchina funzionerà Speciali norme di sicurezza Cos9 limita9 e semplicità d uso solo per macchine basate sulla tecnologia del Mul0- Jet Modeling, il cui campo applica9vo tupavia è ristrepo ai proto9pi des9na9 alla verifica este9ca 39 CENTRI DI SERVIZIO (1/2) Sono generalmente dota9 di sistemi CAD, di soiware per la traduzione dei da9 da un formato all altro e di diversi 9pi di macchine RP I da9 del proto9po da realizzare sono richies9 in forma digitale, in uno dei forma9 standard in uso (solitamente.stl, più raramente IGES) Spesso i da9 forni9 sono parzialmente incorren o incomple9 Il centro di servizio è generalmente in grado di rimediare a quesg inconvenieng, sia pure con un aumento del tempo di consegna del protogpo e dei cosg 40 20

21 CENTRI DI SERVIZIO (2/2) In alcuni casi è possibile fornire al centro di servizio un modello fisico di cui si desiderano realizzare copie mediante scanner tridimensionale Talvolta i centri offrono anche il supporto necessario a realizzare il modello con un sistema CAD a par9re da un insieme di schizzi o di disegni tecnici 41 21

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