MECCATRONICA Modulo 9: Prototipazione Rapida

MECCATRONICA Modulo 9: Prototipazione Rapida Manuale (concetto) prof. dr. hab. inz. Edward Chlebus dr inż. Bogdan Dybała, dr inż. Tomasz Boratyński dr inż. Jacek Czajka dr inż. Tomasz Będza dr inż. Mariusz Frankiewicz mgr inż. Tomasz Kurzynowski Università Tecnica di Breslavia, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no. 2005-146319 Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute. www.minos-mechatronic.eu

Partners per la creazione, valutazione e diffusione dei progetti MINOS e MINOS**. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Articolazione del materiale didattico Minos : moduli 1 8 (manuale, soluzioni e esercizi): Conoscenze fondamentali/ competenze interculturale, gestione del progetto/ tecnica pneumatica/ azionamenti elettrici e controlli automatici/ componenti meccatronici/ sistemi meccatronici e funzioni/ attivazione, sicurezza e teleservizio/ manutenzione remota e diagnosi Minos **: moduli 9 12 (manuale, soluzioni e esercizi): Prototipazione Rapida/ robotica/ migrazione/ Interfacce Tutti i moduli sono disponibili nelle seguenti lingue: tedesco, inglese, spagnolo, italiano, polacco, ceco e ungherese Per ulteriori informazioni si prega di contattare Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität Chemnitz Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz Tel.: + 49(0)0371 531-23500 Fax.: + 49(0)0371 531-23509 Email: minos@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch oder www.minos-mechatronic.eu

1. INTRODUZIONE 5 2. CAD (DISEGNO ASSISTITO DAL CALCOLATORE) 7 3. CAD RP COMUNICAZIONE 12 3.1. FORMATO STL 12 3.1.1. Struttura e creazione di un file STL 12 3.1.2. Orientamento dei Triangoli 13 3.1.3. Sistema di coordinate e unità nel formato STL 14 3.1.4. Creazione di un File STL 15 3.1.5. Errori e difetti più frequenti del formato STL 15 3.1.6. Regole di costruzione di un file STL 19 3.1.7. Generazione di file *.stl in diversi programmi 20 4. PRE PROCESS ACTIVITIES IN RP 26 4.1. MODIFICA DEI FILE STL 30 4.2. FISSAGGIO DEI FILE STL 35 4.3. GENERAZIONE DEI SUPPORTI 36 5. RAPID PROTOTYPING RP (PROTOTIPAZIONE RAPIDA) 38 5.1. STEREOLITOGRAFIA(SLA, SL) 46 5.2. SELECTIVE LASER SINTERING/MELTING SLS/SLM 48 5.2.1. MCP Realizer II dispositivo MCP HEK company 50 5.2.2. EOSINT M 270 dispositivo RP di EOS company 51 5.2.3. M3 Linear un dispositivo della società Concept Laser 52 5.2.4. TrumaForm LF 250 dispositivo della società TRUMPF 53 5.2.5. EBM S12 dispositivo della società ARCAM 54 5.2.6. Sistema di sinterizzazione HiQ dispositivo della società 3D SYSTEMS 55 5.3. LAMINATED OBJECT MANUFACTURING (LOM) 56 5.4. FUSED DEPOSITION MODELING FDM 58 5.5. METODO DI FORMATURA LASER DELLE POLVERI 59 5.6. INK JET PRINTING 60 5.7. 3DP STAMPANTE A 3 DIMENSIONI 62 3

5.8. SGC SOLID GROUND CURING METHOD 64 6. INGEGNERIZZAZIONE INVERSA 66 6.1. INTRODUZIONE 66 6.2. AREE DI APPLICAZIONE DELL INGEGNERIZZAZIONE INVERSA 67 6.3. METODI DI DIGITALIZZAZIONE 70 6.3.1. Metodi di digitalizzazione mediante contatto 72 6.3.2. Metodi basati su punti ottici 74 6.3.3. Metodi ottici lineari 77 6.3.4. Metodi basati sulla zona ottica 78 6.3.5. Scansione distruttiva 80 6.4. APPARECCHIATURE E SOFTWARE 81 6.5. DIGITALIZZAZIONE DELLA GEOMETRIA 83 6.5.1. Fasi di digitalizzazione 83 6.5.2. Pianificazione del processo di digitalizzazione 84 6.5.3. Acquisizione di dati 86 6.5.4 Elaborazione dei dati e costruzione di modelli CAD 87 7. LETTERATURA 93 4

1. Introduzione Attualmente, nel mondo altamente industrializzato, un bisogno incessante di ridurre i tempi di pianificazione e progettazione di beni e la necessità di garantire la massima qualità dei prodotti al momento del lancio forza lo sviluppo di nuove tecnologie, finalizzate alla riduzione del lancio dei prodotti. Le nuove tecnologie forniscono strumenti che consentono l'estensione del concetto di garanzia della qualità dalla zona di produzione all intero ciclo di vita del prodotto. Essi consistono in tecniche e metodi, che consentono la riduzione dei tempi di sviluppo prodotto, a partire dalla fase di formulazione dei bisogni fino alla fase di introduzione di un prodotto finito sul mercato. Uno degli obiettivi fondamentali è quello di minimizzare il tempo di inattività con un contemporaneo miglioramento della qualità del prodotto. Il modello matematico di oggetti (CAD 3D) è considerato il componente di base di tutte queste tecniche. Tale modello è un insieme di dati che consentono una descrizione accurata della forma geometrica di un oggetto tridimensionale. Le regole fondamentali e gli strumenti potenziali sono noti da anni, ma a causa di taluni problemi, soprattutto connessi con i costi, strumenti dedicati e di cultura, le applicazioni di solito sono dirette a clienti facoltosi o a clienti strategici. Il modello matematico può essere ottenuto in due modi diversi: Direttamente, utilizzando strumenti informatici per la progettazione tridimensionale (CAD-Computer Aided Design) Copiando un elemento con l'uso di strumenti, come videocamere, sistemi di reverse engineering, CAT (Tomografia Assiale Computerizzata), che sono scelte in funzione del tipo di elemento, la zona di applicazione,la richiesta di precisione,ecc Una volta ottenuto, il modello può essere utilizzato per vari scopi, a partire dall archiviazione alla possibilità di eseguire le prove, migliorando la geometria, l'uso in applicazioni multimediali, nonché nelle analisi e test FEM di processi reali di produzione, preparazione di prototipi e forme con l'uso di prototipazione rapida e delle tecniche di lavorazione rapide [19]. 5

Tali tecnologie sono la prototipazione rapida e le tecniche di strumenti rapidi che utilizzano i vari dispositivi e materiali, in grado di produrre, secondo un materiale target, un prototipo o una serie di prototipi di un oggetto basandosi sul suo modello numerico ottenuto da un sistema CAD 3D o da un processo di reverse engineering. Il modo di costruire il prototipo, che è costruito con l'uso di processi che minimizzano gli scarti in base alle informazioni contenute in un file STL. L RP, che è uno strumento visuale, aiuta le aziende a ridurre la probabilità di rilascio di un prodotto di bassa qualità sul mercato. Tali modelli hanno numerose applicazioni. Rendono in un modo visuale perfetto mentre si scambiano idee con i collaboratori o clienti. Inoltre, possono essere utilizzate nelle fasi di test. Per esempio, un ingegnere dell'aviazione può utilizzare il modello di un ala di aereo e misurare le interazioni aerodinamiche (forze di resistenza). Oltre a preparare i prototipi, le tecniche di RP possono essere utilizzate per la fabbricazione di strumenti (i cosiddetti strumenti rapidi) o anche prodotti di alta qualità (produzione rapida). Ovviamente, la prototipazione rapida non è perfetta. Il volume degli elementi creati sono limitati, la loro dimensione dipende dal tipo di dispositivo. Per le grandi produzioni in serie o di semplici oggetti, le tecniche di produzione tradizionali sono di solito più economiche. Se si ignorano queste limitazioni, tuttavia, la prototipazione rapida è una tecnologia degna di nota che aiuta in modo significativo il processo di fabbricazione. Con il tempo, la ricerca e lo sviluppo consentirà un'ulteriore evoluzione di questi sistemi in termini di efficienza (tempi di costruzione più brevi, minore variabilità, qualità di superficie migliore, un aumento della resistenza dei modelli RP nei confronti delle condizioni meccaniche, termiche e chimiche). Si è affermata l introduzione sul mercato e il successo più recente di queste tecnologie, ed è frutto di una tendenza incondizionata a ridurre i tempi di sviluppo di nuovi prodotti. E 'stato il principale fattore di successo. 6

2. CAD (Disegno assistito dal calcolatore) CAD è l'acronimo di Computer Aided Design. Questo tipo di software permette di progettare un elemento singolo o un meccanismo inventato da un ingegnere. I sistemi CAD contemplano processi di costruzione e di progettazione, e sono utilizzati per il disegno e la modellazione geometrica. La modellazione geometrica è utilizzata per rappresentazioni 3D di parti modellate e assiemi. La rappresentazione degli assemblati contiene anche la descrizione della struttura di montaggio, che viene indicata come struttura del prodotto. La rappresentazione in 3D di parti e assiemi è utilizzata per la creazione di documentazione tecnica, ad esempio, disegni, elenchi di parti, distinte materiali. I primi sistemi CAD sviluppati hanno offerto funzionalità che hanno permesso la creazione di documentazione in piano. Nel corso del tempo, sono state aggiunte le funzioni per la generazione di modelli 3D. Era disponibile una libreria di primitive (cono, cilindro, sfera, ecc), che potevano essere utilizzate durante la costruzione dei modelli 3D. Si poteva supporre di creare prima una documentazione 2D e poi, sulla sua base, i modelli 3D. Tuttavia questo approccio è cambiato con il tempo a causa di uno sviluppo dinamico dei moduli 3D. Infine, gli strumenti per la progettazione 3D sono diventati abbastanza semplici ed efficaci tanto che che cominciarono ad essere il modulo base del sistema CAD 2D considerando che sono stati solo un supplemento. Infine, è stato precisato che i disegni 2D sono a dir poco una presentazione di un modello 3D, che consente di generare documentazione 2D quasi automaticamente. I sistemi CAD includono librerie di oggetti pronti (viti, cuscinetti, chiavette, ecc) che possono essere utilizzate in opere di design. Un costruttore non ha ad utilizzare vari tipi di cataloghi, mentre cerca un qualsiasi elemento. Lui può trovare nell archivio o, in aggiunta, scaricare il suo modello 3D per il suo design. Le librerie di parti di solito sono aperte e gli utenti possono arricchirle con pezzi da loro stessi creati. In tal caso questi diventano accessibili per gli altri utenti di sistemi CAD in una azienda ed hanno accesso alle librerie di parti. Le librerie di questo tipo rendono il processo di progettazione più efficiente. La modellazione geometrica è una tecnica utilizzata per descrivere le certe forme di oggetti. I sistemi CAD consentono di migliorare il processo di progettazione, nonché ridurre i tempi di sviluppo del prodotto. L'applicazione di computer e programmi di grafica facilita o migliora le 7

opere connesse con la progettazione del prodotto - dal concepimento alla documentazione. Lavorare con il sistema CAD è una sessione interattiva con un sistema informatico, che conduce alla modellazione delle parti. Poi, possono essere eseguite varie operazioni su un modello costruito. In contemporanea i sistemi CAD consentono la modellazione parametrica, che si basa sulla relazione biunivoca tra le dimensioni, che possono essere presentati in modalità sketch, in modalità 3D o 2D disegno e in geometria 3D e vice-versa. Ciò significa che in qualsiasi fase della progettazione di componenti, possiamo cambiare ognuna delle dimensioni prima introdotte. Esempi di tali programmi sono SolidWorks e CATIA. Tali sistemi registrano ogni fase di progettazione e tutta la storia della creazione di un modello viene presentata in forma di un albero. La modifica dei parametri del modello avviene attraverso l'operazione di accertamento della struttura e la modifica dei suoi parametri. Gli schizzi sulla base dei quali l'operazione è stata fatta possono anche essere modificati. Dopo aver salvato le modifiche, viene aggiornato l'intero modello. L'attualizzazione del modello può essere un fallimento, perché le seguenti operazioni possono essere basate sulla geometria dell'operazioni modificate. In tal caso, il sistema indica che le operazioni sono critiche e richiedono l'intervento dell'utente. Attualmente, tutti i sistemi CAD consentono di rispettare: la creazione di progetti tridimensionali, la creazione di schemi di montaggio di vari elementi distinti, controllando se corrispondono l'un all'altro, lavorando a un grande progetto di molti, aggiornamento automatico di tutti i disegni di montaggio dopo la modifica di un singolo dettaglio, creazione automatica della lista dei dettagli, stima dei costi, la cooperazione con il magazzino, ecc, visualizzazioni. Le principali caratteristiche dei sistemi CAD sono: modellazione degli oggetti geometrici, creazione e la modifica della documentazione di costruzione, il risparmio e la conservazione di documentazione in forma elettronica - sia come file sia come database, lo scambio di dati con altri sistemi, la creazione di progetti tridimensionali di elementi costruiti, la creazione di schemi di montaggio di diverse parti distinte, Lavorare su un singolo progetto di molte persone, 8

aggiornamento automatico di tutti i disegni di montaggio dopo la sostituzione di uno di essi, stima dei costi automatico, la cooperazione con il magazzino, ecc Il disegno assistito dal calcolatore si compone di tre livelli: prototipo, in cui le analisi, la compilazione della soluzione e la stima della stessa sono condotte dal punto della correttezza, sviluppo del prototipo, in cui ha luogo la specificazione del concetto di soluzione, impostando la portata del progetto, la costruzione del modello e la stima della soluzione, dettaglio, in cui si verifica la rappresentazione individuale di parti e la stima di soluzioni Un processo CAD è composto da 6 fasi [7]: bisogno di riconoscimento definizione del problema, sintesi, analisi e ottimizzazione, valutazione, presentazione. Fig. 2.1 Processo di disegno usando il CAD I vantaggi dell'utilizzo di sistemi CAD: possibilità di determinare la soluzione ottimale, miglioramento della qualità della soluzione ottenuta (precisione dei modelli matematici (CAD 3D)), 9

alleviare il progettista da perdite di tempo e in genere da noiosa routine (redazione, calcoli), maggiore possibilità di utilizzare soluzioni progettuali esistenti, grazie alle banche dati informatiche delle norme esistenti e cataloghi, possibilità di simulare il comportamento del manufatto progettato in varie condizioni, già nella fase di progettazione. I vantaggi derivanti dalla realizzazione di un sistema CAD sono indiscutibili e l'azienda può migliorare la propria posizione competitiva in questo modo. La posizione strutturale di un prodotto come l'intero knowhow della pianta è solo uno degli anelli della catena di attività tecniche di preparazione di produzione. Se non è collegato in modo ottimale e in modo interattivo con tutti i campi, come gli altri classificati del know-how della pianta, poi la medesima installazione del miglior sistema CAD non porterà l'azienda benefici (a parte l'incremento di comfort, cultura e l'efficienza di lavoro nel reparto di costruzione). Fig. 2.2 Models of objects in a CAD system Nel CAD sono utilizzati due tipi di modelli geometrici: 1. piano - con contorno, modello grafico 2D, in cui alcuni accordi di linea collegano una serie di punti, il modello viene creato utilizzando elementi, quali: linee rette, archi, cerchi, parabole, ecc modello grafico 2,5D, cioè la modellazione di oggetti prismatici o di rotazione definiti mediante elementi piani (un modello solido 10

viene creato mediante la traslazione o la rotazione di un elemento di superficie piana intorno all'asse di rotazione / rivoluzione). 2. spazio - con elementi tridimensionali. modellazione solida che consiste nel montaggio di un disegno tridimensionale di solidi di base matematica, come cilindro o toro; modellazione di superfici utilizzate per la creazione di oggetti di superficie, che consistono di bordi collegati da superfici, le cosiddette sfaccettature (emerge una griglia poligonale, la cui superficie è piana); modellazione all'avanguardia, utilizzata per la creazione di oggetti - scheletri di figure con elementi lineari e ad arco. Fondamentalmente, i software CAD sono utilizzati per la progettazione di costruzioni, di conseguenza, essi sono per lo più associati con la meccanica. Alcuni dei più popolari sistemi CAD sono elencati di seguito: CATIA Solid Works ProEngineer SolidEdge Unigraphics Inventor AutoCAD Ulteriori informazioni relative ai singoli sistemi possono essere consultate sui siti web del produttore. I sistemi CAD sono utilizzati per quanto riguarda le seguenti caratteristiche: Precisione di progettazione, minore quantità di lavoro, Possibilità di analizzare i modelli, Visualizzazione, Automazione della progettazione, rapida introduzione di modifiche, Facilità di gestione del progetto, Possibilità di integrazione con altri sistemi, Altri. 11

3. CAD RP Comunicazione 3.1. Formato STL L'idea di creare un formato STL (Standard Triangulation Language) è stata proposta dalla società di 3D Systems, che è pioniere nel settore della stereolitografia. Su suo ordine, la prima versione del STL è stato creato da Albert Consulting Group nel 1987. Il formato divenne presto un modello di base dello scambio di dati in processi di prototipazione rapida. Il successo del STL è venuto dalla sua semplicità, originalità e sufficientemente precisa rappresentazione (mappatura) del modello progettato. Il compito principale del formato discusso è il trasferimento di modelli CAD 3D a dispositivi di Rapid Prototyping. Attualmente la maggior parte programmi CAD / CAM ha la possibilità di salvare il modello in formato STL, che potrebbe essere letta da quasi tutti i sistemi di Rapid Prototyping [10]. 3.1.1. Struttura e creazione di un file STL Un file STL è costituito da un elenco di superfici triangolari, chiamata anche griglia triangolare, che è definita come un insieme di vertici, spigoli e triangoli collegati fra loro in modo tale che ogni spigolo e vertice è condiviso da almeno due triangoli adiacenti (regola vertice -a- vertice). In altre parole, la griglia triangolare presenta approssimativamente le superfici di un modello 3D salvato in formato STL. La rappresentazione, tuttavia, ignora elementi quali: punti, linee, curve, livelli e colori Fig. 3.1 Approssimazione del modello mediante l utilizzo di triangoli BRAK FOTO I file STL vengono salvati con l'estensione *. stl, comunque parte dei programmi consentono anche l utilizzazione di altre estensioni. La dimensione del file dipendono dal numero di triangoli in cui le superfici del modello sono state divise e, di conseguenza, dalla precisione con cui i triangoli descrivono la geometria del modello. 12