TECNICHE DI PRODUZIONE ADDITIVE

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1 TECNICHE DI PRODUZIONE ADDITIVE

2 Introduzione Un prototipo può essere usato per: verifiche di stile prove di montaggio prove funzionali Vengono realizzate le seguenti tipologie di prototipi: concettuali funzionali tecnici pre-serie

3 Introduzione La stampa 3D 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

4 Introduzione Il prototipo viene realizzato per piani paralleli, trasformando in tal modo il problema tridimensionale in bidimensionale: determinazione di un numero di sezioni con spessore finito dal modello CAD 3D realizzazione della prima sezione costruzione delle successive sezioni che verranno fatte aderire ognuna alla precedente

5 Introduzione La possibilità di costruire un prototipo direttamente da modello CAD permette di ottenere i seguenti vantaggi strategici: riduzione dei tempi e dei costi di produzione dei prototipi e conseguente contenimento del time to market; possibilità di correggere gli errori e che in passato venivano rilevati e corretti solo in fase avanzata di sviluppo del prodotto, con forti penalizzazioni economiche

6 Fasi del processo

7 Fasi del processo Triangolarizzazione delle superfici esterna ed interna di un guidafili per macchina tessile per generare il file.stl

8 Fasi del processo Rappresentazione schematica dei supporti per la costruzione corretta del prototipo

9 Fasi del processo Esecuzione dello slicing per la definizione delle sezioni di costruzione 5. Costruzione fisica delle varie sezioni del prototipo sulla macchina RP

10 Difetti Slicing: a) a spessore costante; b) adattativo

11 Difetti Facetting (o sfaccettatura) dovuto all'approssimazione delle superfici con una serie di triangoli. L'effetto può essere contenuto aumentando il numero di triangoli, appesantendo però il tempo necessario all'elaborazione del file.stl Gli effetti di queste due sorgenti di errore si sommano ai limiti di precisione della macchina di prototipazione rapida

12 Classificazione In base allo stato della materia prima (e alla modalità di costruzione del prodotto): liquida, polvere, o solida In base ai possibili usi dei prodotti: semplice analisi visiva o possibilità di svolgere prove funzionali

13 Classificazione

14 Classificazione

15 VANTAGGI Migliorie di progetto e costruzione che comportano una migliore qualità dell'oggetto ed una riduzione dei costi di produzione. Si possono così sintetizzare: nel produrre oggetti complessi le tecniche additive permettono di trovare errori prima di preparare e disegnare le attrezzature principali ed ausiliarie; i modelli possono essere usati per fusione a cera persa, per ottenere stampi in silicone o di metallo per oggetti in plastica riduzione del numero di attrezzature di prova perché esse entrano in produzione solo quando è stato creato il prototipo

16 LOM (Laminated Object Manufacturing ) Schema di costruzione della macchina LOM

17 LOM Quando un pezzo presenta curvature in più di un piano, una possibilità è quella di costruirlo posizionandolo, sullo schermo, con uno spigolo inclinato rispetto agli assi

18 LOM (Laminated Object Manufacturing ) Sistema LOM 1015

19 LOM TECNICA DI COSTRUZIONE

20 LOM TECNICA DI COSTRUZIONE Fase di adesione del processo LOM. Un rullo caldo attiva il retro adesivo del foglio per farlo aderire al precedente strato

21 LOM La figura mostra la fase di taglio della sezione trasversale del pezzo, delle pareti di supporto e del reticolo

22 LOM La larghezza del foglio di carta è maggiore rispetto all'area effettivamente realizzata, consentendo quindi un avanzamento continuo della carta nella zona di lavoro

23 LOM FINITURA PEZZI Rimozione della parete di supporto esterna, dopo quella degli strati di base del pezzo

24 LOM FINITURA PEZZI Rimozione degli strati di supporto con uno scalpello o attrezzo simile

25 LOM FINITURA PEZZI Rimozione dei blocchi di crosshatching, che circondano il pezzo, senza l'utilizzo di utensili

26 LOM FINITURA PEZZI Completata la decubettatura, il pezzo è ora pronto per essere sigillato e/o sabbiato per una migliore finitura

27 LOM crosshatching

28 LOM Settaggio Potenza del laser Velocità del rullo caldo Margine di avanzamento del materiale Compressione

29 LOM HARDWARE La società commercializza attualmente due sistemi, il LOM 1015 ed il più grande LOM 2030, completamente automatizzati e gestiti da un personal computer Sono dei plotter dove il pennino è stato sostituito dal raggio laser, e si differenziano unicamente per la dimensione della tavola di lavoro: il LOM 1015 può costruire pezzi con una dimensione massima di 254 x 381 x 356 mm 3, mentre il LOM 2030 può arrivare fino a 508 x 762 x 610 mm 3

30 LOM Specifiche tecniche delle macchine LOM in commercio

31 LOM Si può notare anche la presenza di cubetti attorno al pezzo, che saranno poi tolti nella fase di post-processing

32 LOM FINITURA PEZZI I pezzi di solito sono sigillati usando della comune colla per truciolato per prevenire l'assorbimento di umidità nel materiale. L'umidità assorbita può causare distorsione o delaminazione dei pezzi. La colla predispone anche i pezzi ad essere sabbiati o levigati: per una finitura migliore e per rimuovere ogni possibile residuo del reticolo. I pezzi possono essere ora anche verniciati

33 LOM PROPRIETA DEI MATERIALI I modelli LOM presentano delle tolleranze dimensionali di circa +/ mm e le proprietà dei materiali, fornite dal venditore, sono mostrate nelle tabelle seguenti: Proprietà meccaniche materiali

34 LOM Pezzi prodotti con il LOM

35 LOM Pregi e difetti pregi Capacità di produrre modelli di grandi dimensioni con materiale poco costoso ed atossico come la carta La capacità di finitura dei pezzi e la buona resistenza alla manipolazione, accoppiate con la velocità di costruzione e la precisione delle forme, ne fanno un sistema di modellazione di ottima qualità

36 UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing) Le lamiere vengono giuntate mediante saldatura ad ultrasuoni Il materiale non fonde => minori distorsioni È possibile saldare insieme materiali diversi Il materiale in eccesso viene rimosso mediante fresatura CNC

37 UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing)

38 Fused Deposition Modelling (FDM) Tali modellatori sono delle unità da tavolo compatte e semplici da utilizzare Sistema Genisys della Stratasys

39 Fused Deposition Modelling (FDM) Schema del processo FDM

40 Fused Deposition Modelling (FDM) Il software di supporto, QS, converte il file CAD nel linguaggio macchina comprensibile dal sistema FDM scelto visualizza sullo schermo il bounding box: parallelepipedo che rappresenta il volume di lavoro della macchina consente di scegliere: il sistema FDM usato, lo spessore degli strati, i materiali del prototipo e del supporto, le misure degli ugelli

41 Fused Deposition Modelling (FDM) QS verifica che il pezzo possa essere incluso nel bounding box In caso contrario l'accoppiamento avviene su superfici piane. La persona addetta al postprocessing deve allineare correttamente le due porzioni durante l incollaggio

42 Fused Deposition Modelling (FDM)

43 Fused Deposition Modelling (FDM) In QS lo spessore della fetta può essere fissato in un intervallo compreso tra 0,127 a 0,381 mm QS di solito ha parametri di costruzione ottimizzati in funzione dello spessore delle fette e del materiale scelto, ma permette anche l'intervento manuale per modificare le impostazioni

44 Fused Deposition Modelling (FDM) HARDWARE Nella macchina + piccola il materiale è sotto forma di barrette collocate in un caricatore, nelle macchine + grandi è introdotto nella testa di estrusione sotto forma di fili; La macchina piccola lavora con un unico ugello di estrusione, mentre nell FDM c è quello per il materiale della forma e quello per il supporto;

45 Fused Deposition Modelling (FDM) Fotografia dell FDM 2000 della Stratasys

46 Fused Deposition Modelling (FDM) Specifiche tecniche del modellatore Genisys

47 Fused Deposition Modelling (FDM) Specifiche tecniche di alcune macchine FDM

48 Fused Deposition Modelling (FDM) MATERIALE DA COSTRUZIONE E un una resina poliestere Nella macchina + piccola le strutture di supporto sono realizzate con lo stesso materiale della forma e devono essere rimosse meccanicamente

49 Fused Deposition Modelling (FDM) SUBSTRATO DI SUPPORTO La costruzione del modello inizia depositando il materiale su di un substrato di schiuma Il substrato di schiuma è un supporto a perdere con spessore di circa 25 mm sul quale viene costruito il pezzo. E fissato all interno di un vassoio rimovibile per mezzo di spine, per stabilizzarlo durante la costruzione

50 Fused Deposition Modelling (FDM) Costruzione degli strati La macchina costruisce uno strato delimitando anzitutto il contorno della sezione trasversale con un cammino perimetrale, qualche volta seguito da uno o più percorsi concentrici Poi riempie la rimanente area interna con una modalità a linee parallele continue o tratteggiate finché lo strato non è completato

51 Fused Deposition Modelling (FDM) Costruzione degli strati La spaziatura tra i passaggi eseguiti nella costruzione di uno strato è regolabile, una spaziatura impostata a zero significa che il pezzo è pieno Uno spazio da una a tre volte la larghezza dei passaggi funziona bene. Questo riduce molto il tempo di costruzione mantenendo un aspetto, e fornendo una sensazione, di pieno Dovrebbero essere usati circa 10 strati con spaziatura 0 quando ci si avvicina alle superfici esposte

52 Fused Deposition Modelling (FDM) Materiali Bobine di materiale caricate sull FDM

53 Fused Deposition Modelling (FDM) Macchina FDM giusto prima della costruzione. Si noti che i due ugelli sono leggermente immersi nella schiuma di substrato, fornendo un ancoraggio per il pezzo da realizzare.

54 Fused Deposition Modelling (FDM) Si vede il modello dopo 15 minuti. Esso è per lo più materiale di supporto, cioè non è ancora il pezzo vero e proprio.

55 Fused Deposition Modelling (FDM) FINITURA In genere i componenti prodotti con questa tecnica richiedono una finitura molto limitata prima della consegna, comunque in funzione dell'applicazione. I materiali sono facili da finire per sabbiatura, e le parti plastiche in ABS possono essere rese veramente lisce strofinandole con un panno inumidito con acetone o un simile solvente leggero.

56 Fused Deposition Modelling (FDM) Prototipi concettuali realizzati con la macchina Genisys

57 Fused Deposition Modelling (FDM) Pregi e difetti pregi: La resistenza meccanica e la capacità di sopportare temperature relativamente elevate sono probabilmente i principali vantaggi attribuiti ai pezzi realizzati con l FDM. Altri importanti vantaggi includono la sicurezza delle operazioni, che non richiedono laser, ed un facile post-processing con il nuovo materiale di supporto solubile in acqua.

58 Fused Deposition Modelling (FDM) Pregi e difetti difetti: Il processo è più lento dei sistemi che impiegano laser. caratteristiche geometriche come ad esempio una sottile colonna verticale risultano difficili da fare con l FDM, perché ogni strato deve avere un punto di attacco e di fine estrusione. In altre parole, il contatto fisico con l'ugello può fare cadere, o almeno spostare, le colonne e le pareti verticali e sottili

59 Fused Deposition Modelling (FDM) Anche questa tecnica è stata adattata alla produzione di componenti metallici Sono derivate tecniche che hanno nomi diversi ma sono accomunate di utilizzare come materia prima fili metallici Le differenze tra le varie tecniche derivano soprattutto dalla fonte di energia: fascio elettronico, laser, plasma

60 Fused Deposition Modelling (FDM)

61 Stereolitografia Costruisce i pezzi polimerizzando un monomero liquido fotosensibile con un laser di potenza relativamente bassa focalizzato sulla superficie di una vasca contenente il monomero Il solido così ottenuto è un termoindurente con una struttura fortemente reticolata per via dei legami trasversali e che quindi ha subìto un indurimento irreversibile

62 Stereolitografia Fasi del processo Realizzazione dello slicing

63 Stereolitografia Fasi del processo Realizzazione dello slicing Fotopolimerizzazione

64 Stereolitografia Fasi del processo Realizzazione dello slicing Fotopolimerizzazione Post-trattamento

65 Stereolitografia Materiali Dovrebbero possedere (i) elevata reattività alla radiazione laser, (ii) viscosità stabile, (iii) volatilità e tossicità limitate, (iv) basso ritiro, (v) bassa energia di attivazione, (vi) buone proprietà meccaniche

66 Stereolitografia Materiali Resine acriliche: caratterizzate da bassa viscosità, si usano quando si privilegia la rapidità del processo alla precisione del prodotto Resine epossidiche: con caratteristiche opposte, richiedono anche laser + potenti Resine viniliche: impiegabili in microfusione

67 Stereolitografia Fattori che influenzano la qualità del pezzo

68 Stereolitografia Sequenza di operazioni per garantire un corretto ricoprimento e livellamento

69 Stereolitografia Parametri che determinano la qualità del prodotto Strategia di riempimento (hatch) per ridurre la distorsione

70 Stereolitografia Parametri che determinano la qualità del prodotto Materiale: entità del ritiro, viscosità Macchina: potenza del laser, forma e movimentazione dello spot, precisione e ripetibilità di posizionamento dell elevatore, spessore del liquido x ogni strato da aggiungere Parametri di processo: strategie di scansione e di hatching, compensazione del ritiro Parametri di postprocesso: pulizia e trattamento

71 Stereolitografia Difetti dei prodotti Curl distortion Formazione della curl distortion: a) primo strato polimerizzato; b) secondo strato; c) dopo molti strati

72 Stereolitografia Hardware In tabella si hanno i valori approssimativi di funzionamento delle macchine SLA

73 Stereolitografia Hardware Specifiche tecniche principali delle macchine SLA più comuni

74 Stereolitografia Pregi e difetti pregi I pezzi prodotti con tale tecnica hanno probabilmente la migliore qualità delle superfici di tutti gli altri sistemi RP, e sono anche molto competitivi per quanto riguarda la precisione dimensionale ottenuta Gli ultimi sistemi SLA hanno aumentato significativamente anche la velocità di produzione dei pezzi Sottili pareti verticali, spigoli vivi ed alte colonne possono essere fatti con semplicità anche sui sistemi più vecchi

75 Stereolitografia Pregi e difetti Difetti Lo svantaggio principale del processo SLA è molto probabilmente la necessità del postprocessing Un altro svantaggio è il costo relativamente alto delle resine fotosensibili: da 600 a 800 dollari ogni 5 litri di materiale

76 Stereolitografia Pezzi SLA

77 Solid Ground Curing (SGC)

78 Solid Ground Curing Vantaggi rispetto alla stereolitografia: 1. assenza dei supporti per il pezzo 2. solidificazione contemporanea di tutta la sezione senza la necessità di definire i riempimenti e di ridurre la deformazione del prototipo 3. assenza del post-trattamento anche se l operazione di eliminazione della cera può richiedere tempi dello stesso ordine di grandezza

79 Solid Ground Curing Vantaggi rispetto alla stereolitografia: 4. spessore delle sezioni più uniforme per effetto della lavorazione meccanica di ciascuno strato; 5. assenza delle problematiche inerenti al livellamento della resina e possibilità di utilizzare fotopolimeri più viscosi per ridurre i ritiri di solidificazione; 6. sorgente ad ultravioletti meno costosa e di maggiore durata, ed assenza del sistema di focalizzazione.

80 Solid Ground Curing Svantaggi rispetto alla stereolitografia 1. vi sono problemi di smaltimento della cera che al suo interno contiene tracce di fotopolimero, infatti non è pensabile che il sistema di aspirazione possa eliminare del tutto la resina liquida 2. il sistema di aspirazione causa la formazione di bolle d aria tra i vari strati del pezzo; 3. la macchina ha una maggiore complessità rispetto alle altre tecniche, poiché sono necessari due sistemi meccanici per la movimentazione dell elevatore e della lastra di vetro al di sotto delle stazioni di lavoro.

81 Solid Ground Curing Software E consigliabile produrre più elementi contemporaneamente, per ridurre il consumo di resina e produrre il maggior numero possibile di pezzi nel tempo di processo a disposizione. La Cubital ha sviluppato un software per ottimizzare la disposizione dei vari pezzi nel volume di lavoro della macchina, partendo dai file.stl dei vari elementi; solo successivamente viene eseguito lo slicing per generare le singole sezioni

82 Solid Ground Curing Schema dell'impianto Solider della Cubital

83 Solid Ground Curing Specifiche tecniche principali delle macchine della Cubital

84 Solid Ground Curing Materiali Fotopolimero, cera e toner sono i tre materiali necessari per la costruzione del prodotto Il toner è del tipo ionografico solido sotto forma di polvere nera fine con un punto di fusione superiore ai 100 C. Dopo l'esposizione viene asciugato e raccolto in un contenitore per essere riutilizzato La cera utilizzata è solubile in acqua con un punto di rammollimento di 65 C, una densità di 1,2 g/cm 3 e una viscosità di 1500 mpa/s a 67 C. Il periodo di conservazione è illimitato purché non venga esposta ad una temperatura superiore a 90 C.

85 Solid Ground Curing Caratteristiche principali delle resine per SGC

86 Selective Laser Sintering (SLS) Software Il software, una volta ricevuti uno o più files.stl, consente all operatore di orientare o mettere in scala i pezzi secondo le necessità, per poi eseguire lo slicing per determinare la geometria delle singole sezioni

87 Selective Laser Sintering (SLS) Schema del processo SLS

88 Selective Laser Sintering (SLS) Funzionamento del sistema Schema del processo SLS proposto dalla DTM

89 Selective Laser Sintering (SLS) Funzionamento del sistema Camera di costruzione della macchina SLS

90 Selective Laser Sintering (SLS) Funzionamento del sistema Metodologia di pulizia dei pezzi ottenuti con il processo SLS

91 Selective Laser Sintering (SLS) Funzionamento del sistema Alcuni materiali richiedono un processo aggiuntivo di finitura mentre altri sono già nella forma finale pronta all'uso Tra le tecniche di finitura usate sono la granigliatura, la sabbiatura e lucidatura, foratura e maschiatura, rivestimento o infiltrazione

92 Selective Laser Sintering (SLS) a) fasi del processo DTM per il rapid tooling; b) schema del processo

93 Selective Laser Sintering (SLS) Materiali Materiali x fonderia. Questo gruppo include 5 differenti materiali usati x la realizzazione di modelli a perdere o modelli permanenti Il gruppo comprende il policarbonato e altre resine termoplastiche e sabbie da fonderia

94 Selective Laser Sintering (SLS) Pezzo SLS in policarbonato

95 Selective Laser Sintering (SLS) Modello SLS in TrueForm

96 Selective Laser Sintering (SLS) Modelli SLS in Castform e Sandform

97 Selective Laser Sintering (SLS) Materiali Materiali x realizzare prototipi. Anche questo gruppo è costituito da 5 materiali Ne fanno parte vari poliammidi, tra cui 3 tipi di nylon e un elastomero termoplastico

98 Selective Laser Sintering (SLS)

99 Selective Laser Sintering (SLS) Materiale Somos 201 per il sistema SLS

100 Selective Laser Sintering (SLS) Materiali Materiali per il rapid tooling. Inizialmente questa categoria comprendeva 3 materiali

101 Selective Laser Sintering (SLS) Elementi metallici prodotti con il processo rapid tooling della DTM

102 Selective Laser Sintering (SLS) RapidSteel; confronto delle caratteristiche con una lega di alluminio ed un acciaio da stampi

103 Selective Laser Sintering (SLS) Pregi e difetti I sistemi Sinterstation hanno 3 principali qualità che le caratterizzano: notevole varietà di materiali da costruzione elevata produttività non necessitano di supporti

104 Selective Laser Sintering (SLS) Pregi e difetti I principali difetti sono invece: l'elevato costo iniziale del sistema l esigenza di unità periferiche il fabbisogno di attrezzature i costi di funzionamento e manutenzione del sistema

105 Selective Laser Sintering (SLS) Pezzi SLS realizzati con diversi materiali

106 Formatura laser (Laser Engineered Net Shaping LENS) Sinterizzazione di polveri metalliche

107 Formatura laser Testa di deposizione Schema del processo LENS

108 Formatura laser Testa di deposizione Dettaglio della testa di deposizione della macchina LENS in azione

109 Formatura laser Testa di deposizione Dettaglio della testa di deposizione della macchina LENS in azione

110 Formatura laser Substrato del pezzo Il substrato di costruzione è essenzialmente un piatto realizzato nello stesso materiale del pezzo, che sarà costruito sopra di esso. Il modello è saldato a questo piatto per impedirne qualsiasi movimento o deformazione durante il processo di costruzione. Il pezzo dovrà poi essere rimosso per via meccanica dal substrato, una volta che è stato completato.

111 Formatura laser Caratteristiche del sistema Secondo i dati dichiarati dalle aziende fornitrici delle macchine, i pezzi prodotti con il sistema LENS sono caratterizzati da una precisione dimensionale di ± 0.5 mm, da una precisione e ripetibilità del posizionamento dello spot laser di circa ± 0.13 mm nel piano X- Y e di ± 0.5 mm lungo l'asse Z.

112 Formatura laser Post-processing Come prima cosa il pezzo deve essere separato dal substrato di costruzione. Il modello ha una finitura superficiale piuttosto scadente, quindi sarà necessaria anche una lavorazione a macchina che varierà in funzione dell'applicazione che il pezzo stesso dovrà avere. Comunque non è richiesta alcuna postsinterizzazione o trattamento poiché i prototipi hanno già una buona resistenza, solidità e densità all'uscita dalla macchina LENS

113 Formatura laser Materiali da costruzione Gli attuali materiali da costruzione utilizzati nei sistemi LENS, con una notevole base di dati a disposizione, includono acciaio inossidabile AISI316, acciaio da utensili o da attrezzi (H13) e titanio con il 6% di alluminio e il 4% di vanadio (Ti-6Al-4V). Altri materiali metallici e ceramici sono stati testati ed utilizzati anche nella ricerca di attrezzature.

114 Formatura laser Proprietà dei materiali Proprietà meccaniche dei provini realizzati con materiali LENS

115 Formatura laser Semplice pezzo LENS a fianco di un altro componente RP realizzato in materiale polimerico

116 Formatura laser Pregi e difetti Pregi il sistema LENS è in grado di costruire robusti e funzionali elementi metallici hardware in modo rapido Eccellenti proprietà dei materiali così come la possibilità di scelta tra di essi accentuano questo vantaggio, come pure il fatto che non siano necessari trattamenti termici successivi una volta che il pezzo è rimosso dalla macchina

117 Formatura laser Pregi e difetti Difetti L'attuale svantaggio è l'ottenimento di pezzi con una superficie rugosa e di bassa precisione dimensionale. Solitamente i modelli LENS devono essere lucidati o finiti con lavorazioni alle macchine utensili per ottenere le tolleranze dimensionali richieste.

118 Binder jetting Si alterna la deposizione di uno strato di materiale e lo spruzzo di legante Il materiale viene distribuito mediante rullo

119 Binder jetting Vantaggi e svantaggi può lavorare con una vasta gamma di materiali il processo di incollaggio delle particelle è veloce, semplice ed economico I prodotti presentano limitate proprietà meccaniche e un elevata fragilità

120 Binder jetting Prestazioni Dimensioni massime di costruzione: 4000 x 2000 x 1000 mm Tolleranza tipica: +/-0.13 mm Spessore minimo dello strato: 0,09 mm Alta velocità di costruzione Creazione di oggetti completamente colorati