Prototipazione Rapida

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1 Introduzione Prototipo Prototipazione rapida Tecniche di prototipazione rapida I processi consolidati Stereolitografia Solid Ground Curing Selective Laser Sintering Fused Deposition Modeling Laminated Object Manufacturing Le tecniche emergenti Multi Jet Modelling (MJM) Ballistic Particle Manufacturing (MJM) Sanders Prototype Inc (SPI) Three Dimensional Printing (3DP) I sistemi in fase di sviluppo Caratteristiche riepilogative Rapid Tooling 1

2 Introduzione Modi generali di classificare una tecnologia: Interazione energetica pezzo-sistema: Forma d energia Caratteristiche pezzo durante la trasformazione: Stato della materia Variazione di massa Tipo di interazione: Superficiale Volumetrica 2

3 Criteri di classificazione di una tecnologia di produzione in funzione della variazione di massa: Asportazione di materiale: asportazione di truciolo lavorazioni non convenzionali Formatura di materiale: fusione deformazione plastica Aggiunta di materiale: prototipazione rapida 3

4 PROTOTIPO E la prima esplicitazione dell idea progettuale, quindi rappresenta il primo oggetto di una serie, ma ha valenze diverse in relazione alle tipologie di prodotto per un azienda che produce satelliti il prototipo è il prodotto finale per un azienda che produce penne a sfera lo sviluppo del prodotto può richiedere alcune decine di prototipi Scopo: verifiche di stile (analisi visive, studi di tipo ergonomico, etc) prove funzionali prove di montaggio (verifica degli accoppiamenti tra le parti) realizzazione di un master da utilizzare per la creazione di uno stampo per la replica dell oggetto 4

5 TIPOLOGIE di Prototipi Prototipi concettuali Prototipi funzionali Prototipi tecnici Prototipi preserie Obiettivi Valutazione della forma Verifiche di montaggio Analisi delle difficoltà tecnologiche Analisi delle sollecitazioni con metodi fotoelastici Valutazione delle prestazioni con prove funzionali Ottimizzazione del prodotto per la funzione Valutazione delle prestazioni del prodotto e del ciclo di fabbricazione Ottimizzazione delle tecnologie di fabbricazione Valutazione finale del prodotto (sono ammesse poche modifiche marginali) Materiale qualsiasi simile Molto simile definitivo Tecnologia di fabbricazione non è considerato non è considerato simile definitiva 5

6 PROTOTIPAZIONE RAPIDA Tradizionalmente la realizzazione di prototipi è assegnata a modellisti, che sulla base delle indicazioni dei progettisti e dei disegnatori, li realizzano manualmente con costi e tempi assai elevati. La PROTOTIPAZIONE RAPIDA (RP) è una tecnologia innovativa che rende possibile la produzione, in poche ore e senza l uso di utensili, di oggetti di geometria comunque complessa, direttamente dal modello matematico dell oggetto realizzato su di un sistema CAD tridimensionale. Concetto base Ogni elemento può essere pensato come un unione di tante sezioni di spessore infinitesimo. Il prototipo viene così realizzato sezione dopo sezione, trasformando in tal modo il problema tridimensionale in bidimensionale. 6

7 CRONOLOGIA: fine anni Settanta: gli americani Herbert e Hull e il giapponese Kodama sviluppano indipendentemente un sistema di solidificazione selettiva di un fotopolimero per costruire un oggetto tridimensionale per strati successivi 1986: Hull brevetta un sistema che chiama stereolitografia : si sviluppa la maggior parte dei sistemi alternativi di RP 1987: la 3D System presenta la prima macchina (SLA1) 1989: la macchina SLA 250 viene posta in commercio dalla 3D System : vengono commercializzate le macchine Cubital, DTM, EOS, Helysys, Stratasys con tecnologie alternative alla stereolitografia 1994: la Sanders commercializza la prima macchina RP avente un costo inferiore ai $ 1996: la 3D System e la Stratasys introducono sul mercato i modellatori concettuali da destinare all ufficio tecnico dal 1996 ad oggi: diffusione in tutto il mondo di nuove tecniche RP 7

8 Altre denominazioni di Rapid prototyping Fast Prototyping Direct Cad Manufacturing Instant Manufacturing Rapid Manufacturing Solid Freeform Fabrication Material Incress Manufacturing Layer by layer Manufacturing Desktop Manufacturing 8

9 Fasi del CICLO 1. Trasformazione dell oggetto progettato al CAD in un formato compatibile con il SW di gestione della macchina RP (lo standard grafico tipico è.stl) 2. Lettura del file.stl da parte del SW della macchina RP per l esecuzione di: orientamento del pezzo per costruzione ottimale in termini di precisione dimensionale e rugosità superficiale generazione dei supporti, operazione necessaria per sostenere le parti sporgenti del pezzo 3. Esecuzione slicing per la definizione delle sezioni di costruzione 4. Definizione del file dati da inviare al calcolatore di gestione della macchina 5. Costruzione fisica delle varie sezioni del prototipo sulla macchina RP 6. Esecuzione dell eventuale post-trattamento 7. Rimozione dei supporti e finitura manuale del pezzo 9

10 Fasi del CICLO 10

11 File.STL Lo standard grafico.stl (Solid To Layer) è stato introdotto dalla società americana 3D System. Permette di rappresentare in maniera semplificata le superfici interne ed esterne del pezzo tramite faccette triangolari che per definizione sono piane. Pericolo di cracking del modello Si possono commettere degli errori nella realizzazione del file e quindi generare delle strutture che non possono essere costruite in quanto non hanno un senso dal punto di vista fisico. Occorre porre attenzione particolare alla chiusura ed alla connessione di tutte le superfici. 11

12 Orientamento: è importante sia per la rugosità superficiale sia per ridurre i tempi macchina. Oggetto da realizzare 12

13 Generazione dei supporti: evitano fenomeni di distorsione (ad es. curl distorsion) evitano l ancoraggio diretto sull elevatore che renderebbe difficoltosa la rimozione del modello devono essere robusti per sostenere il peso proprio del modello facilmente identificabili ed asportabili devono richiedere un consumo ridotto di resina disponibili procedure automatiche (mediante software) 13

14 Slicing: Intersezione del modello, completo di supporti, con una serie di piani la cui normale è parallela alla direzione di costruzione, per ottenere le singole sezioni ( s = 0,05 0,5 mm) Dalle fasi precedentemente descritte derivano due sorgenti di errore (da sommare ai limiti di precisione della macchina RP) : Facetting (o faccettatura): Errore dovuto alla approssimazione delle superfici con una serie di triangoli. L effetto può essere contenuto andando ad aumentare il numero di triangoli. Si appesantisce il modello CAD il tempo necessario alla elaborazione del file. 14

15 Staircase (o effetto scala): Errore dovuto alla costruzione di sezioni di spessore finito che determinano la rugosità superficiale del particolare. Attualmente i sistemi RP, operano con slicing fisso (a) e non con slicing adattivo (b). Consente la modifica dello spessore degli strati in funzione della curvatura La superficie reale è tenuta all interno dall operazione di slicing. 15

16 Tecniche di prototipazione rapida 16

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18 Confronto tra sistemi di prototipazione convenzionale e rapida * * Studio condotto dalla Swinburne University of Technology 18

19 Vantaggi derivanti dalla introduzione di tecniche RP Vantaggi strategici: Costi e tempi inferiori per la realizzazione di modelli Riduzione del tempo di lancio del prodotto Possibilità di realizzare produzione simultanea Rapidità nello sviluppo e nella gestione delle modifiche del progetto Capacità di trovare errori e problemi di progetto nelle fasi di sviluppo Maggiore flessibilità Maggiore soddisfazione del cliente Maggiore competitività Vantaggi di produzione: Nella produzione di oggetti complessi le tecniche RP permettono di trovare errori prima di preparare e disegnare le attrezzature principali e ausiliarie I modelli possono essere usati per fusione a cera persa, per ottenere stampi in silicone o di metallo per oggetti in plastica Si riduce il numero complessivo di attrezzature di prova perché esse entrano in produzione solo quando è stato creato il prototipo Il modello matematico realizzato con un CAD 3D può essere interfacciato con altri sistemi di produzione assistita La qualità finale del manufatto migliora rispetto alle tecniche tradizionali 19

20 Svantaggi derivanti dalla introduzione di tecniche RP Svantaggi: I costi delle macchine sono attualmente elevati La velocità di fabbricazione del particolare è piuttosto bassa l integrità strutturale e la finitura superficiale sono ancora inferiori rispetto alle tecniche tradizionali 20

21 Classificazione delle Tecniche di PROCESSI CONSOLIDATI TECNICHE EMERGENTI SISTEMI IN FASE DI SVILUPPO 21

22 I processi consolidati Principali produttori Stereolitografia (SLA): basata sulla fotopolimerizzazione di una resina liquida sensibile alla radiazione ultravioletta emessa da una sorgente laser e focalizzata sul pelo liquido con un sistema di specchi. Solid Ground Curing (SGC): basata sulla fotopolimerizzazione di un fotopolimero ma utilizza un lampada ad ultravioletti che permette l indurimento contemporaneo dell intera sezione. Selective Laser Sintering (SLS): viene sfruttata la radiazione emessa da una sorgente laser CO 2 per sinterizzare polveri precompresse di materiali differenti su di una struttura di supporto. Fused Deposition Modeling (FDM): ciascuna sezione del prototipo viene realizzata mediante la deposizione di un polimero termoplastico mediante un ugello di estrusione. Laminated Object Manufacturing (LOM): basata sull incollaggio o sul taglio di fogli di carta per la costruzione del prototipo. Si utilizza carta prerivestita su un lato con politene per realizzare l incollaggio allo stato precedente e la radiazione laser per il taglio della sezione. 3D System e EOS Cubital DTM e EOS Stratasys Helysis 22

23 Stereolitografia (SLA) il primo brevetto di stereolitografia viene depositato nel 1986 da Charles Hull primo sistema di RP reso commercialmente disponibile dalla società californiana 3D Systems (1987) il più diffuso sul mercato mondiale (oltre 700 installazioni) SLA è l abbreviazione di StereoLitographic Apparatus coinvolge quattro differenti tecnologie: laser, ottica, chimica dei fotopolimeri, software Si basa sulla polimerizzazione mediante una sorgente laser di una resina liquida fotosensibile 23

24 Una resina fotopolimerica viene investita da una sorgente laser che fa solidificare il profilo voluto. La radiazione giunge al materiale dopo essere stata riflessa da prismi a partire da un laser di qualche decina di watt. Al termine di questa fase una lama livellatrice rende uniforme il piano solido che viene abbassato e successivamente ricoperto con nuova resina. L oggetto viene costruito strato per strato dal basso verso l alto. I supporti devono essere integrati nel progetto (con l aiuto del software di gestione) e vengono rimossi al termine della lavorazione 24

25 IL PROCESSO preparazione del file macchina, fotopolimerizzazione, pulizia, post-trattamento, finitura a partire dal file.stl del modello CAD tridimensionale PREPARAZIONE del file macchina Avviene su workstation, e prevede: - l esecuzione dello slicing, per ricavare le sezioni del modello - la generazione dei supporti, ove necessari, per il sostegno del modello durante la fase di costruzione 25

26 FOTOPOLIMERIZZAZIONE Il fascio di una sorgente laser (P decine di mw) viene focalizzato, sotto il controllo del calcolatore, mediante un opportuno sistema di ottica, sulla superficie della vasca contenente la resina liquida Sorgenti laser a gas HeCd : bassi costi di acquisto e gestione, basso assorbimento, limitata potenza di uscita, limitata produttività, macchine più piccole Ar+ : potenza di uscita più elevata e costi di acquisto e gestione maggiori, macchine più grandi Sorgenti laser allo stato solido Nd:YVO: lavora in modalità pulsata, garantisce maggiore durata di vita rispetto alle altre sorgenti 26

27 L interazione sorgente laser - fotopolimero innesca una reazione chimica a catena che ha per effetto la solidificazione di esso. Per ragioni di tempo di polimerizzazione, il laser non può solidificare integralmente la sezione ma si limita al suo profilo e ad un certo numero di linee che congiungono il perimetro (hatch). La loro geometria influenza la distorsione del modello. 27

28 Una volta realizzata la prima sezione del pezzo, su una piastra di acciaio forata denominata elevatore, questa si abbassa di una quantità pari allo spessore di fotopolimero solidificato ( mm). Inizia quindi la fase di ricoprimento e livellamento: una lama ricopre la sezione appena costruita con uno strato di fotopolimero liquido. Alcuni µm dello strato indurito a contatto con l atmosfera rimangono liquidi, poiché l ossigeno inibisce la reazione chimica, e questo agevola la successiva adesione tra gli strati. Il pezzo prodotto (green part) contiene liquido intrappolato al suo interno e anche le pareti non sono completamente polimerizzate. 28

29 PULIZIA - estrazione del pezzo dalla vasca. - eliminazione della resina liquida con isopropanolo - successiva applicazione di acetone. POST-TRATTAMENTO - esposizione ad una lampada a raggi ultravioletti per completare il processo di fotopolimerizzazione sia delle parti già solidificate che della resina liquida intrappolata all interno del pezzo (red part). Durata del post-trattamento: 1 12 ore in funzione del tipo di resina utilizzata, della complessità del pezzo e delle sue dimensioni FINITURA - asportazione dei supporti - finitura manuale del prototipo. - successiva verniciatura, sabbiatura o altra finitura superficiale 29

30 Elevatore e sistema di livellamento (3D System) A: abbassamento elevatore e attesa perché vengano riempite tutte le cavità B: sollevamento sopra il pelo libero C: livellamento. La lama è ad una distanza dal pezzo pari allo spessore degli strati 30

31 Elevatore e sistema di livellamento (3D System) D: posizionamento per la formazione dello strato successivo E: attesa per il ritorno del livello naturale della resina F: il processo può riprendere. Una sequenza così complessa ( 45 s per strato) è necessaria per limitare la formazione di cavità all interno del prototipo 31

32 Elevatore e sistema di livellamento (EOS) A: abbassamento elevatore di uno spessore B: distribuzione resina liquida C: livellamento D: il processo può riprendere Questa strategia attiva riduce i tempi di questa fase ( 20 s per strato) e limita la probabilità di produrre vuoti 32

33 Fattori che influenzano la qualità del prodotto 33

34 Proprietà del materiale influenti sulla qualità del prodotto viscosità: influenza l uniformità e la precisione del ricoprimento ed è legata al ritiro volumetrico bassa alta elevati ritiri elevati tempi di ricoprimento tensione superficiale: capacità della resina liquida di bagnare lo strato polimerizzato uniformità e stabilità: la seperazione dei componenti della resina determina un comportamento non uniforme, pregiudicando la qualità del pezzo 34

35 Parametri macchina influenti sulla qualità del prodotto potenza del laser: la distribuzione dell irraggiamento deve essere gaussiana per ottenere una perfetta polimerizzazione sistema di focalizzazione del laser precisione e ripetibilità di posizionamento dell elevatore garantiscono la costanza dello spessore e l allineamento delle sezioni sequenza di ricoprimento (altezza costante, velocità) 35

36 Parametri di processo influenti sulla qualità del prodotto spessore dello strato: compromesso tra la rugosità ed i tempi di costruzione velocità di scansione: compromesso tra gli errori del sistema di focalizzazione ed i tempi di costruzione strategia di scansione: la polimerizzazione degli strati sempre nella stessa direzione causa il concentramento del ritiro in certe zone hatch (strategia di riempimento) compensazione: parametri per compensare ritiro e distorsioni, funzione del materiale e della geometria del pezzo 36

37 Curl distorsion Si verifica in presenza di parti sporgenti come conseguenza del ritiro di ciascuno strato Il primo strato è libero di ritirarsi Il ritiro del secondo strato è vincolato dallo strato sottostante Introduce grosse deformazioni del pezzo, rotture e delaminazioni Può essere ridotto con appositi supporti che vincolano il primo strato 37

38 I MATERIALI fotopolimero acrilico (bassa viscosità) produzione di modelli estetici o repliche anatomiche, dove il tempo di costruzione è più importante della precisione del pezzo fotopolimero epossidico (elevata viscosità) produzione di prototipi funzionali, dove è fondamentale minimizzare gli errori geometrici resine per la produzione di elementi assimilabili ad elastomeri resine viniliche per applicazioni di microfusione Principali caratteristiche : elevata reattività alla radiazione laser utilizzata viscosità stabile e controllabile limitata volatilità limitata tossicità basso ritiro bassa energia di attivazione buone proprietà meccaniche dopo la polimerizzazione 38

39 LE MACCHINE Macchine 3D System SLA190 SLA250 SLA350 SLA500 Dimensioni max del pezzo (mm) 190x190 x x250 x x350 x x508 x584 Tipo laser HeCd HeCd Nd:YV04 Ar+ Durata min laser (h) Potenza del laser (mw) Dimensioni dello spot (mm) Velocità di scansione (m/s) Risoluzione elevatore (mm) Ripetibilità pos. elevatore (mm) Max peso sopportato (kg) Capacità della vasca (l) Spessore min strato (mm) Ingombro (m) 0.7x1.2 x x1.2 x x 1.02x2 3.5x1.8 x1.8 Peso (kg) Precisione dichiarata (mm) ±0.2 ±0.2 ±0.1 ±0.2 Costo di massima ($)

40 LE MACCHINE Macchine EOS Stereos Desktop Stereo max 600 Dimensioni massime del pezzo (mm) 250x250 x x600 x400 Tipo di laser HeCd Nd:YAG Durata minima laser (h) Potenza del laser (mw) Dimensioni dello spot (mm) Velocità di scansione (m/s) Fino a 2 Fino a 10 Spessore minimo strato (mm) Capacità della vasca (l) Ingombro (m) 1.25x0.7x x2x2.2 Peso (kg) Precisione dichiarate (mm) ±0.1 ±0.1 Costo di massima ($)

41 Solid Ground Curing (SGC) è stata sviluppata dalla Cubital Ltd., una società di ricerca e sviluppo del gruppo Scitex fondata nel 1987 dalla Harwix GmbH, dalla Cial Electronics Industries, dalla stessa Scitex Corporation e da una gruppo di investitori privati unico produttore e depositario dei brevetti è la società israeliana Cubital (sedi sussidiarie: Stati Uniti e Germania) l obiettivo è quello di eliminare i due inconvenienti della stereolitografia: la generazione dei supporti ed il post-trattamento Si basa sulla polimerizzazione mediante una lampada ad ultravioletti di un fotopolimero 41

42 IL PROCESSO PREPARAZIONE del file macchina Fase 1 un sottile strato di fotopolimero liquido viene deposto su di una tavola portapezzo movimentata da un elevatore la sezione generata dal software viene utilizzata per produrre, su un una lastra di vetro, una maschera che riproduce in negativo la sezione stessa (simile al toner nelle fotocopiatrici) la lastra di vetro viene posizionata al di sopra dell elevatore e la successiva esposizione alle radiazioni ultraviolette generate da una lampada consente la solidificazione dell intera sezione del prototipo 42

43 Fase 2 l elevatore trasla sotto una stazione di aspirazione per eliminare la resina non polimerizzata Fase 3 sull'intera superficie viene deposto uno strato di cera liquida che immediatamente dopo verrà solidificata impiegando una piastra raffreddata Fase 4 lo strato costituito da cera e resina solidificate viene fresato per ottenere una sezione di spessore costante; i trucioli vengono asportati con un dispositivo a depressione 43

44 Fase 5 l'elevatore si abbassa di una quantità pari allo spessore della sezione costruita, la lastra di vetro viene ripulita, un nuovo sottile strato di fotopolimero viene deposto sull'elevatore e il processo riprende fino al completamento del prototipo CICLO Al termine si ottiene un blocco compatto di cera e resina solidificata. La cera viene eliminata mediante lavaggio finale con miscela di acqua e acido citrico a

45 Vantaggi rispetto alla stereolitografia Assenza di supporti Solidificazione contemporanea di tutta la sezione e quindi: tempi minori non necessaria la definizione dei riempimenti software più semplice riduzione deformazioni Assenza del post-trattamento Spessore delle sezioni più uniforme per effetto della lavorazione meccanica di ciascuno strato E possibile utilizzare resine ad alta viscosità che permettono di ridurre i ritiri di solidificazione Tempi di generazione di uno strato ( 70s) indipendenti dalla sezione Sorgente a ultravioletti meno costosa e di maggiore durata Assenza del sistema di focalizzazione 45

46 Svantaggi rispetto alla stereolitografia La divergenza delle radiazioni determina una leggera inclinazione del profilo della sezione Il blocco di cera ha sempre le stesse dimensioni. Per ridurre gli sprechi è imperativo ottimizzare il volume di lavoro producendo più elementi contemporaneamente La resina scartata, essendo mista a cera, non può essere recuperata Il sistema di aspirazione può causare bolle d aria tra gli strati Macchina più complessa rispetto alle altre tecniche 46

47 I MATERIALI 1. Fotopolimero: su base acrilica ad alta viscosità. Periodo di conservazione 6 mesi se protetti dalla luce e a T<50 C 2. Cera: solubile in acqua con punto di rammollimento di 65 C, densità di 1,2 g/cm 3, viscosità di 1500mPa/s a 67 C. Periodo di conservazione illimitato a T< 90 C 3. Toner: di tipo ionografico solido, sotto forma di polvere nera fine (10 20 µm), peso specifico 1,5 1,7 g/cm 3, punto di fusione superiore a 100 C. Periodo di conservazione illimitato 47

48 LE MACCHINE Sono attualmente in produzione due tipi di macchine: Solider 4600 Solider

49 Selective Laser Sintering (SLS) è stata sviluppata da Carl Deckard presso l'università del Texsas a Austin. Nel 1986 Paul F. McClure, venuto a conoscenza del lavoro di Deckard, fondò la Dtm Corporation. La società mise in commercio la prima macchina basata su questa tecnologia (la SLS Model 125) nel La Dtm inoltre collabora con le strutture del proprio socio di maggioranza, la BF Goodrich Company, per sviluppare nuovi materiali da utilizzare con questa tecnologia. Si basa sulla sinterizzazione mediante laser di polveri metalliche, polimeriche e sabbie rivestite 49

50 IL PROCESSO preparazione del file macchina, sinterizzazione delle sezioni, pulizia e finitura a partire dal file.stl del modello CAD tridimensionale PREPARAZIONE del file macchina Avviene su workstation, e prevede: - l esecuzione dello slicing, per ricavare la geometria delle singole sezioni del modello Non è necessaria la predisposizione di supporti per il sostegno delle parti sporgenti 50

51 SINTERIZZAZIONE DELLE SEZIONI Uno strato di polvere viene depositato dal rullo e pressato sull elevatore La camera è mantenuta in atmosfera inerte e a temperatura prossima a quella di fusione della polvere per: minimizzare l energia richiesta dal laser minimizzare gli effetti del cambiamento del volume indotto dal cambiamento di fase prevenire fenomeni di ossidazione del materiale 51

52 Il laser sinterizza i granelli di polvere dando origine al profilo della sezione. La polvere in eccesso viene recuperata ed utilizzata per lo strato successivo. Uso improprio della parola sinterizzazione : - fusione delle polveri in tempi rapidi - manca l effetto della pressione Raffreddamento lento per evitare fenomeni di distorsione. 52

53 PULIZIA E FINITURA Il pezzo viene estratto dal letto di polvere che lo circonda e pulito La finitura del pezzo non può essere effettuata con tela abrasiva, per eliminare la porosità delle superfici si ricorre quindi ad infiltrazioni di cera o a verniciatura con resina epossidica 53

54 I MATERIALI Cera per microfusione: costruzione di elementi destinati alla microfusione, problemi per la bassa temperatura di fusione Policarbonato: migliori precisioni dimensionali, non consente la costruzione di prototipi funzionali Nylon: elevate rugosità superficiali, consente la costruzione di prototipi funzionali Metallo rivestisto: polvere di acciaio rivestita di uno strato sottile di resina termoplastica True-Form: polvere costituita da particelle sferiche molto piccole di una particolare e brevettata resina termoplastica. Ottima finitura superficiale, buone tolleranze dimensionali, semplicità di finitura. Consente la costruzione di prototitpi concettuali precisi, master per stampi in silicone, applicazioni di microfusione 54

55 LE MACCHINE Soluzione costruttiva della DTM Può sinterizzare polveri di materiali aventi punto di fusione fino a 200 C. E dotata di un sistema per il cambio manuale rapido degli alimentatori della polvere Può essere impiegata per la costruzione di attrezzaggi metallici (rapid tooling) Sintestation 2000 Dimensioni massime pezzo (mm) F304x410 Sorgente laser CO 2 da 50 W Durata sorgente laser (h) Tempo di costruzione (mm/h) 5-30 Tempo per deposito polvere (s) 8-10 Precisione dichiarata (mm) ±0.25 Spessore strato (mm) Risoluzione piano XY (mm) 0.1 Ingombro (m) 2.9x1.5x1.9 Peso (kg) 4000 Potenza assorbita (kw) 4 Costo sistema base ($)

56 LE MACCHINE Soluzione costruttiva della EOS Il sistema differisce : nella geometria della camera di lavoro nel sistema di alimentazione e pressatura nel sistema di focalizzazione 56

57 LE MACCHINE Soluzione costruttiva della EOS P 350 M 250 S 350 S 700 Dimensioni massime pezzo (mm) 340x340 x x250 x x320 x x350 x350 Tipo laser CO2 CO2 CO2 CO2 Potenza laser (W) da 50 Velocità scansione (m/s) <2 <2 <2.5 <2.5 Precisione posizionamento spot (mm) ±0.1 ±0.05 ±0.1 ±0.1 Spessore strato (mm) Ingombro (m) 2x1.2x x1.1x2 2x1.2x1.9 2x2x1.6 Peso (kg) Precisione dichiarata (mm) ±0.2 ±0.2 ±0.2 ±0.2 Costo di massima ($) P 350 M 250 S 350 Polveri di materiali termoplastici Polveri metalliche sabbie prerivestite 57

58 Fused Deposition Modelling (FDM) sviluppata da Scott Crump, presidente della Stratasys Inc. di Minneapolis nel 1988 la prima macchina (la 3D Modeler) è stata introdotta sul mercato nel 1992 in base ad un accordo tra Stratasys e IBM nel marzo 1996 viene annunciato un nuovo prodotto, battezzato Genesys, pubblicizzato come stampante tridimensionale è una tecnologia che utilizza materiali differenti (termoplastici, cera per microfusione) sottoforma di fili per la costruzione del proptotipo Si basa sulla deposizione a filo di polimeri termoplastici 58

59 IL PROCESSO preparazione del file macchina, costruzione delle sezioni, pulizia e finitura a partire dal file.stl del modello CAD tridimensionale PREPARAZIONE del file macchina Avviene su workstation, e prevede: - la predisposizione dei supporti, ove necessari, per il sostegno delle parti sporgenti - l esecuzione dello slicing, per ricavare la geometria delle singole sezioni del modello 59

60 COSTRUZIONE DELLE SEZIONI Sotto il controllo del calcolatore di processo, la testa di estrusione deposita il filo allo stato fuso muovendosi nel piano XY La temperatura di estrusione è tale che lo strato appena deposto si aggrappa stabilmente alla sezione inferiore Una volta realizzati i perimetri interni ed esterni della sezione questi vengono collegati con un certo numero di nervature, per incrementare la resistenza meccanica del prototipo Dopo che una sezione è stata costruita il piano di lavoro si abbassa e ricomincia il ciclo 60

61 PULIZIA E FINITURA E sufficiente eliminare i supporti ed eseguire la finitura manuale per migliorare la rugosità delle superfici del pezzo Sono possibili lavorazioni successive e la verniciatura È un processo pulito dal punto di vista dell impatto ambientale e non sono necessarie precauzioni per la sicurezza degli operatori La qualità del prodotto è fortemente legata alla temperatura della testa di estrusione e della camera di lavoro Ottimo rapporto qualità/prezzo 61

62 I MATERIALI Termoplastici avvolti sottoforma di fili su bobine: Cera Poliammina P301 ABS P400 cera per microfusione poliamide P301 ABS P400 MABS Elastomero Per ogni materiale ne esiste un secondo con proprietà termo-meccaniche leggermente inferiori e colore diverso destinato ai supporti. Per non avere distorsioni nel prototipo le temperature di fusione dei due materiali non possono essere troppo diverse. Caratteristiche generali Colore Materiali termoplastici Marron e Trasparente Bianco Densità specifica a 20 (g/cm 3 ) Temperatura di rammollimento ( C) Temperatura di fusione ( C) Carico di rottura (MPa) Resistenza a flessione (MPa) Modulo elastico (MPa) Modulo di flessione (MPa) Allungamento a rottura (%) > Resilienza (J/m) Durezza (Shore D) Costo ($/kg)

63 LE MACCHINE La camera di lavoro è termicamente isolata e durante la fase di costruzione viene mantenuta a temperatura costante. Il cuore del sistema è la testa di estrusione che fonde il materiale e lo deposita tramite un ugello calibrato. La testa di estrusione è specifica per ogni coppia di materiali del modello e dei supporti. FDM 1650 FDM 8000 Dimensioni massime del pezzo (mm) 254 x 254 x x 421 x 610 Larghezza strato (mm) Da a 2.54 Da a 2.54 Spessore dello strato (mm) Da 0.05 a Da 0.05 a Temperatura ugello estrusione ( C) Ingombro (m) 0.66 x 0.93 x Peso (kg) Precisione dichiarata (mm) ± ± Costo di massima ($) Le macchine sono dotate di un sistema per il cambio rapido delle teste e dei materiali di costruzione. Le macchine sono progettate per funzionare stabilmente in condizioni di non presidio. 63

64 Laminated Object Manufacturing (LOM) sviluppata nel 1985 da Michael Feygin, presidente della Hydronetics, Inc., la cui sede si trovava allora a Chigago tecnologia scarsamente diffusa per la lentezza, per problemi dimensionali di notevole imprecisione e per la deperibilità dei prototipi tecnica idonea a costruire prototipi di grandi dimensioni in tempi ridotti rispetto a quanto si può ottenere con gli altri sistemi rp Si basa sull incollaggio progressivo di fogli di carta 64