IDEA GENERALE ADDITIVE MANUFACTURING. Prof. Daniele Regazzoni. Sovrapponendo strati sottili è possibile generale un oggetto 3D

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Silvano Righi
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1 CdL in INGEGNERIA DELLE TECNOLOGIE PER LA SALUTE ADDITIVE MANUFACTURING Prof. Daniele Regazzoni University of Bergamo Department of Management, Information and Production Engineering IDEA GENERALE Sovrapponendo strati sottili è possibile generale un oggetto 3D Processo concettualmente molto semplice e facilmente automatizzabile 2 1

CONTESTO Prototipazione rapida e metodologie Tecniche per accrescimento Applicazioni CAD RP MODELLO FISICO Fabbricazione CAM, AM MODELLO VIRTUALE Generazione Modello CAD CONTESTO Per produrre oggetti

2 CONTESTO Prototipazione rapida e metodologie Tecniche per accrescimento Applicazioni CAD RP MODELLO FISICO Fabbricazione CAM, AM MODELLO VIRTUALE Generazione Modello CAD CONTESTO Per produrre oggetti fisici modelli prototipi attrezzature per produrre prototipi/prodotti finiti prodotti finiti Motivazioni ridurre tempi e costi ridurre gli errori e le modifiche dovute ad errori di progettazione produrre geometrie complesse delocalizzare la produzione ridurre magazzini (ricambi) 2

TRE APPROCCI DI TIPO DIVERSO Rapid Prototyping Produzione automatica di modelli fisici a partire da modelli CAD Rapid Tooling Produzione automatica o semiautomatica di stampi per produrre prototipi a

3 TRE APPROCCI DI TIPO DIVERSO Rapid Prototyping Produzione automatica di modelli fisici a partire da modelli CAD Rapid Tooling Produzione automatica o semiautomatica di stampi per produrre prototipi a partire da modelli CAD dell oggetto Rapid Manufacturing Produzione automatica di component o prodotti finite a partire da modelli CAD Applicazioni di prototipazione e fabbricazione: RAPID PROTOTYPING AND ADDITIVE MANUFACTURING LA TERMINOLOGIA 3

TECNICHE PER ACCRESCIMENTO Oggetto/prototipo ottenuto per accrescimentomediante aggiunta ed aggregazione successiva di particelle, fili o strati di materiale disponendo del modello CAD dell oggetto

4 TECNICHE PER ACCRESCIMENTO Oggetto/prototipo ottenuto per accrescimentomediante aggiunta ed aggregazione successiva di particelle, fili o strati di materiale disponendo del modello CAD dell oggetto il prototipo può essere prodotto automaticamente PREREQUISITI COMUNI Disporre di un modello 3D solido del pezzo proveniente dal sistema CAD Disporre di un convertitore nel formato STL Il software di controllo del sistema AM che provvede a: sezionare per piani paralleli il modello generare contorni e traiettorie di riempimento delle singole sezioni generare in modo più o meno automatico strutture di supporto se e dove necessario 4

5 CAD ADDITIVE MANUFACTURING Sistema CAD 3D Generazione modello Generazione file STL File STL Preparazione parte Verifica modello CAD ed ev. modellazione Verifica/correzione errori file STL Piazzamento/orientamento modello Generazione strutture di supporto Slicing File di costruzione Macchina AM - SW controllo processo Generazione prototipo per sezioni Prototipo Post-processamento e Finitura GEOMETRIA DI INPUT (1/3) Rappresentazione approssimata dell oggetto mediante una mesh di triangoli Formato STL (.stl) introdotto da 3D Systems nel 1987 Esempio file STL in formato ASCII 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 5

GEOMETRIA DI INPUT (2/3) Esempio: scatola pompa a pistoni Modello CAD 3D Rappresentazione a triangoli GEOMETRIA DI INPUT (3/3) Vantaggi Conversione semplice Qualsiasi forma geometrica può essere

6 GEOMETRIA DI INPUT (2/3) Esempio: scatola pompa a pistoni Modello CAD 3D Rappresentazione a triangoli GEOMETRIA DI INPUT (3/3) Vantaggi Conversione semplice Qualsiasi forma geometrica può essere convertita in un modello a triangoli Algoritmo di slicing è semplice poiche lavorasu triangoli Modelli STL sono facilmente suddivisibili per adattarli allo spazio di lavoro della macchina Svantaggi Verbositàe ridondanza dei dati nei file STL Errori dovuti all approssimazione (superfici ridotte a faccette) Mancanzadi informazione (modello iniziale ha informazioni su geometria, topologia e materiali) 6

7 VERIFICA E CORREZIONE ERRORI FILE STL Errori nella conversione da modello 3D a formato STL Gap Sezione Piano sezione generata Normali inconsistenti Normali non corrette... POSIZIONAMENTO DEL PEZZO Quattro aspetti chiave del processo di AM accuratezza della costruzione tempo di costruzione struttura di supporto volume intrappolato 7

SLICING Lo slicing è un operazione critica perché condiziona in modo determinante la precisione del prototipo due possibilità Slicing uniforme: strati di spessore costante Slicing adattivo: lo

8 SLICING Lo slicing è un operazione critica perché condiziona in modo determinante la precisione del prototipo due possibilità Slicing uniforme: strati di spessore costante Slicing adattivo: lo spessore viene scelto in funzione della curvatura superficiale, per limitare al massimo l aspetto a gradini della superficie esterna uniforme adattativo TECNICHE DI ADDITIVE MANUFACTURING (1/2) Processi fisici Tipologie di materiali Fotopolimerizzazione Sinterizzazione Spruzzatura Incollaggio Estrusione. Resine-fotopolimeri Cere-termoplastici Polveri ceramiche e metalliche Carta PLA-ABS. La precisione ottenibile con queste tecniche è nell ordine di 1 decimo di millimetro sull asse Z 8

TECNICHE DI ADDITIVE MANUFACTURING (2/2) Terminologia unificata (ASTM approved) Vat Photopolymerization (Stereolitografia) Powder Bed Fusion (Sinterizzazione) Material Extrusion (FDM) Material

9 TECNICHE DI ADDITIVE MANUFACTURING (2/2) Terminologia unificata (ASTM approved) Vat Photopolymerization (Stereolitografia) Powder Bed Fusion (Sinterizzazione) Material Extrusion (FDM) Material Jetting (Poly/Multi jet) Binder Jetting (3D Printing) Sheet Lamination (LOM) Direct Energy Deposition (Electrobeam melting) VAT PHOTOPOLYMERIZATION (STEREOLITOGRAFIA) 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 Prototipazione Rapida, Publitec) 9

POWDER BED FUSION (SINTERIZZAZIONE) Basato sulla sinterizzazione diretta di polveri mediante laser metallo plastica http://www.custompartnet.com/wu/images/rapid-prototyping/sls.

10 POWDER BED FUSION (SINTERIZZAZIONE) Basato sulla sinterizzazione diretta di polveri mediante laser metallo plastica POWDER BED FUSION (SINTERIZZAZIONE) 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 Plastica Forme per microfusione e modelli in plastica Modelli in poliammide per prototipi funzionali con proprietà strutturali, di precisione per verifica design e master copia per stampi sottovuoto in silicone. Forme in polistirene per microfusione a cera persa Sinterizzazione laser di Metallo Inserti in metallo per stampi ad iniezione, quindi Rapid Tooling Cavità ed inserti sinterizzati direttamente in metallo da utilizzare per stampaggio ad iniezione di preserie nel materiale termoplastico definitivo. 10

MATERIAL EXTRUSION (FDM) Basato sulla estrusione di materiali termoplastici Deposizione di strati successivi si materiale riscaldato fino alla temperatura di fusione Necessarie strutture di supporto

11 MATERIAL EXTRUSION (FDM) Basato sulla estrusione di materiali termoplastici Deposizione di strati successivi si materiale riscaldato fino alla temperatura di fusione Necessarie strutture di supporto (Immagine 1997, 1998 Prototipazione Rapida, Publitec) TECNOLOGIE LOW COST EMERGENTI Basate principalmente su tecnologia FDM Soluzioni costruttive ampiamente diffuse > bassi costi delle macchine (0,5 3 k ) Materiali di costruzione Plastica: più diffuse sono ABS o PLA Campi applicativi Le ridotte dimensioni e i materiali impiegato le limitano alla creazione di prototipi per la fase di concept Pro (oltre al costo) Facilità di utilizzo Ingombro stampante ridotto No post processing Manutenzione limitata Contro Ridotti volumi di costruzione Risoluzione limitata 11

MATERIAL JETTING (POLY/MULTI JET) Deposizione diretta di materiale Tecnologia derivata da Ink Jet 23 SHEET LAMIANTION LOM(1/2) Basato sulla sovrapposizione

12 MATERIAL JETTING (POLY/MULTI JET) Deposizione diretta di materiale Tecnologia derivata da Ink Jet 23 SHEET LAMIANTION LOM(1/2) Basato sulla sovrapposizione di fogli sagomati

SHEET LAMIANTION LOM (2/2) (Immagini cortesia di DemoCenter Scrl) BINDER JETTING Deposizione di un legante su strati di polveri (ceramiche, di cellulosa e

13 SHEET LAMIANTION LOM (2/2) (Immagini cortesia di DemoCenter Scrl) BINDER JETTING Deposizione di un legante su strati di polveri (ceramiche, di cellulosa e metalliche) Sviluppato presso MIT Prima macchina: Z402 della Z corp Immagine cortesia di Z-Corp

DIRECTED ENERGY DEPOSITION http://blog.cafefoundation.org/?

14 DIRECTED ENERGY DEPOSITION TECNOLOGIE IBRIDE Additive e sottrattive nella stessa macchina Vantaggi delle tecnologie additive Tolleranze di lavorazione da normale MU 28 14

15 VALUTAZIONE DEL PROGETTO valutazione non solo visuale, ma anche tattile valutazione estetica La precisione raggiunta è sufficiente, ed i materiali utilizzati (plastica, cera e carta) soddisfacenti Alcune tra le più nuove macchine AM sono vere e proprie stampanti tridimensionali, fatte per trovare posto accanto alla stazione CAD e in grado di lavorare in silenzio e con la sicurezza richiesta alle comuni macchine da ufficio Partiin cera con dimensioni di massima di 250x200x200mm, sono realizzabili nell ordine di tempo di un ora VERIFICA FUNZIONALE Verifica di montabilità e di accessibilità delle parti Bisogna garantire una sufficiente precisione Verifica delle prestazioni cinematiche Verifica delle prestazioni aerodinamiche Altre verifiche strutturali (tenuta, fatica, resistenza a corrosione, ) non sono possibili con AM il materiale con cui viene realizzato il prototipo non sempre ha le stesse caratteristiche fisiche del materiale con cui verrà realizzato il pezzo finale 15

16 ULTERIORI PROCESSI DI FABBRICAZIONE Rapid Tooling (attrezzaggio rapido) produzione di tool attraverso tecniche di additive manufacturing tecnica usata per produrrestampi per iniezione e stampi per fusione per temperature di iniezione inferiori ai 400 C e per produzioni inferiori ai 100 pezzi, è possibile realizzare direttamente con tecniche AM stampi in materiale ceramico, oppure ricoprire lo stampo in plastica con tecniche di metal spray o mediante elettroplaccatura... anche HSC (High Speed Cutting) PICCOLA SERIE Realizzare il pezzo finito con il materiale e la precisione sufficiente a soddisfare gli scopi per cui il pezzo viene prodotto Può essere conveniente quando l'oggetto da realizzare è caratterizzato da una forma particolarmente complessa. Al contrario di ciò che accade per le tecnologie di tipo tradizionale infatti, la complessità geometrica non è un vincolo determinante per le tecniche di AM 16

17 SETTORI INDUSTRIALI TRAINANTI Rappresentazione percentuale sull intero volume del business accreditata ai principali settori industriali Source: Wohlers Report 2014 Additive Manufacturing State of the Industry INDUSTRIAL ENGINEERING 17

18 SETTORE MEDICALE Salmi M et al., Patient specific reconstruction with 3D modeling and DMLS additive manufacturing. Rapid Prototyping Journal, 18: , ORTODONZIA Apparecchi ortodontici invisibili 18

19 BENI CULTURALI AEROSPACE: BOEING 19

20 SWOT ANALYSY TREND DI SVILUPPO INDUSTRIA STA ACCETTANDO LE TECNOLOGIE ADDITIVE COME PROCESSO DI PRODUZIONE PIUTTOSTO CHE PER LA CREAZIONE DI PROTOTIPI 20

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