PROTOTIPAZIONE RAPIDA Prof. Luca Iuliano Presidente APRI
I PROTOTIPI Durante la fase di sviluppo di un prodotto vengono realizzate le seguenti tipologie di prototipi: concettuali funzionali tecnici Preserie Gli obiettivi di ciascuno sono ovviamente differenti così come il materiale impiegato per la costruzione e la tecnologia di fabbricazione.
I PROTOTIPI Prototipi Concettuali Prototipi funzionali Prototipi tecnici Prototipi preserie Valutazione della forma Valutazione delle presta-zioni con prove Valutazione delle presta- funzionali zioni del prodotto e del ciclo di fabbricazione Valutazione finale del prodotto (sono ammesse poche modifiche marginali) Obiettivi Verifiche di montaggio Ottimizzazione del prodot-to Ottimizzazione delle per la funzione tecno-logie di fabbricazione Analisi della difficoltà tecnologiche Analisi delle sollecitazioni con metodi fotoelastici Materiale Qualsiasi Simile Molto simile Definitivo Tecnologia di fabbricazione Non è considerato Non è considerato Simile Definitiva Caratteristiche dei prototipi costruiti durante la fase di sviluppo
PROTOTIPAZIONE RAPIDA La Prototipazione Rapida (RP) è una tecnologia innovativa che rende possibile la produzione, in poche ore e senza l uso l di utensili, di oggetti di geometria comunque complessa, direttamente dal modello matematico dell oggetto realizzato su di un sistema CAD tridimensionale.
PREREQUISITO L adozione delle tecniche di prototipazione rapida è subordinata alla disponibilità del modello matematico del componente realizzato su di un sistema CAD tridimensionale.
LA MOTIVAZIONE ECONOMICA Numero di varianti Tempo di vita 1980 1990 2000 1980 1990 2000 Complessità Tempi di consegna 1980 1990 2000 1980 1990 2000
LA MOTIVAZIONE ECONOMICA 40 33 Perdite di utile (%) 30 20 10 22 3,5 0 Ritardo di consegna di 6 mesi Costi di produzione superiori del 9 % Costi di sviluppo superiori del 50%
LA MOTIVAZIONE ECONOMICA 40 30 Prototipo Stampo Tempo in mesi 20 10 0 Giappone USA Europa
LA MOTIVAZIONE ECONOMICA LA MOTIVAZIONE ECONOMICA Tipo di prototipo necessario 100 80 Impegnati 60 40 Spesi % dei costi 20 0 Idea Formaliz. Disegno Progetto Preserie Produzione Schizzo Mod. CAD Prot. conc. Prot. funz. Prot. tecn. Pre-serie Fasi dello sviluppo del prodotto
Il CICLO RP CAD 3D Sistema CAD Orientamento Generazione supporti Software macchina RP File STL Esecuzione Slicing Costruzione sezioni Macchina RP Rimozione supporti Pulizia Finitura Operazioni manuali
IL FORMATO.STL 1. Lo standard universale nella Prototipazione Rapida per i modelli matematici e il formato STL (Standard Triangulation Language) 2. Si converte il modello CAD di tipo solido (3D) in un modello tipo Shell in cui la superficie esterna è approssimata attraverso triangoli di diverse dimensioni (a seconda della risoluzione richiesta) in modo da seguire il profilo del modello 3. L utilizzo di questo formato pone tuttora molti problemi, ma, grazie anche alla diffusione di numerosi software correttivi, rimane attualmente il formato più affidabile e diffuso nell ambito del RP.
IL FORMATO.STL Modello CAD 3D Modello a triangoli
IL FORMATO.STL Triangolarizzazione delle superfici esterna e interna di un guidafili per macchina tessile per generare il file STL
ERRORI NEL FILE.STL Errori che possono provocare difetti nel modello
I SUPPORTI: SCOPI Ancorare il modello in costruzione all area di lavoro, permettendone comunque la successiva rimozione Proteggere le pareti laterali da azioni che ne possono compromettere la costruzione Supportare i sottosquadri
I SUPPORTI Prototipo Supporti Piattaforma di costruzione
I SUPPORTI: UN ESEMPIO
SLICING Intersezione del modello in formato.stl con piani paralleli aventi normale parallela all asse z e distanti di una quantità Z I dati relativi alle sezioni ottenute sono quelli direttamente utilizzati dalla macchina RP.
SLICING Esecuzione dello slicing per la definizione delle sezioni di costruzione
SLICING
SLICING Costante Adattativo
CLASSIFICAZIONE DELLE TECNICHE Tecniche RP Polvere Liquido Solido 1 Componente 1 Componente + legante Selective LaserSintering Selective Laser Melting 3 Dimensional Printing Incollaggio Laminate Object Man. Estrusione Fused Deposition Modelling Electron BeamMelting Stampa a getto Multi Jet Modelling LampadaU.V. Fotopolimerizzazione Laser Drop on Demand Polyjet Stereolitografia
CLASSIFICAZIONE ALTERNATIVA In funzione dell utilizzo del sistema: modellatori concettuali sistemi industriali per: prototipazione funzionale rapid tooling rapid casting rapid manufacturing
LA SITUAZIONE DEL MERCATO Educazionale 9% Militare 7% Altro 10% Auto-Moto 19% Aerospazio 8% Biomedicale 14% Beni di largo consumo 23% Beni strumentali 10% Distribuzione dell assorbimento dei prototipi rapidi nei diversi settori industriali e non
LA SITUAZIONE DEL MERCATO Master per fonderia 10% Produzione rapida 12% Inserti per stampi 5% Master per il tooling 10% Studi ergonomici 3% Altro 4% Test di assemblaggio 12% Visualizzazione 26% Definizione di offerte 1% Prove funzionali 17% Tipologie di impiego dei prototipi rapidi
LA SITUAZIONE DEL MERCATO Asia/Pacifico 29,2% Altri 2,8% Nord America 42,0% Europa 26,0% Distribuzione dei sistemi di prototipazione rapida per area geografica
LA SITUAZIONE DEL MERCATO Cina 8,1% Altri 19,2% U.S.A 38,6% Corea 2,3% Giappone 11,1% Taiwan 2,1% Italia 4,4% Regno Unito 4,4% Francia 2,7% Germania 7,2% Distribuzione delle installazioni dei sistemi di prototipazione rapida nel 2006, l Italia è diventata con il Regno Unito il secondo mercato Europeo
LA SITUAZIONE DEL MERCATO 1600 1200 Serie3 Servizi Prodotti Serie2 800 400 0 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 Andamento del fatturato generato dal mercato della prototipazione rapida, i dati del 2007 e 2008 sono stimati. I dati sono espessi in milioni di $.
LA SITUAZIONE DEL MERCATO 200 189,5 160 128,9 151 120 93,4 80 81,2 40 71 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Andamento del fatturato generato dalla vendita di materiali per i sistemi di PR I dati sono espessi in milioni di $
LA SITUAZIONE DEL MERCATO 5000 4000 4165 3000 2914 3609 2000 1000 1043 1184 1319 1314 1496 1872 792 988 0 1996 1998 2000 2002 2004 2006 Andamento delle vendite dei sistemi di prototipazione rapida nel mondo, nel 2006 si è registrata una crescita del 18%.
LA SITUAZIONE DEL MERCATO 200 182 175 170 150 125 100 79 75 50 38 39 35 52 60 48 59 25 1996 1998 2000 2002 2004 2006 Andamento delle installazioni dei sistemi di prototipazione rapida in Italia negli ultimi 10 anni
LA SITUAZIONE DEL MERCATO EOS 2% Zcorporation 21% Envisiontec 7% Objet 8% Solidscape 9% Next Factory 1% 3D Systems 6% Stratasys 46% Quote di mercato relative al 2006 dei principali produttori di sistemi di prototipazione rapida
LA SITUAZIONE DEL MERCATO 3500 3000 3018 2500 2000 1500 1000 500 0 105 160 198 335 512 489 1032 Andamento delle installazioni dei modellatori concettuali, nel 2006 sono stati il 72% delle vendite 656 1948 2479 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
RAPID MANUFACTURING: UNA NUOVA RIVOLUZIONE INDUSTRIALE
RAPID MANUFACTURING Con il termine di rapid manufacturing (RM) o produzione rapida, si intende la possibilità di realizzare, mediante tecnologia additiva, la produzione definitiva, nel materiale finale direttamente dal modello matematico, realizzato al CAD tridimensionale, senza l impiego di utensili e attrezzature
RAPID MANUFACTURING Non occorre ovviamente sottolineare l importanza che questa attività rappresenta per la aziende produttrici di beni di largo consumo, in termini di riduzione del time to market Grazie al crescente numero di applicazioni, questa nuova metodologia sta progressivamente diventando una nuova realtà produttiva abbandonando definitivamente il concetto di tecnica del futuro a cui sinora era stata relegata Sul mercato esiste tuttavia ancora una certa confusione sul significato di rapid manufacturing: per alcuni è infatti considerata il metodo di produzione più rapido tra quelli disponibili, mentre per altri si tratta dell introduzione di una tecnica additiva lungo la catena produttiva.
RAPID MANUFACTURING Ad esempio la società nordamericana Align Technology ha introdotto la stereolitografia, per realizzare i modelli da cui vengono ricavati mediante termoformatura i sistemi di correzione dei denti Esiste pertanto una tecnica additiva nel ciclo produttivo ma non possiamo chiaramente parlare in termini di produzione rapida.
RAPID MANUFACTURING La definizione fornita è dunque chiara e precisa, occorre inoltre rafforzare il termine additivo dal momento che nel futuro i sistemi di rapid manufacturing potranno operare su più assi, superando l attuale limite della produzione per piani tipica della prototipazione rapida. Attualmente le applicazioni di rapid manufacturing nel settore dei beni di largo consumo, vengono attuate mediante sistemi nati per la prototipazione funzionale che presentano ovviamente dei limiti in termini di velocità di costruzione, di tolleranze dimensionali, di qualità delle superfici, di prestazioni meccaniche dei materiali e di costi ancora troppo elevati.
RAPID MANUFACTURING Lo stato della tecnologia è tale che il RM per ora è applicabile con successo unicamente laddove i volumi produttivi siano limitati, ad esempio il settore del racing, o nelle produzioni personalizzate tipiche del settore biomedicale. Le protesi acustiche sono un esempio consolidato di RM
RAPID MANUFACTURING Per far si che la produzione rapida esprima tutte le sue potenzialità, è necessario il superamento dei suddetti limiti e lo sviluppo di impianti di fabbricazione dedicati che sono ormai all orizzonte E pertanto imperativo che il mondo produttivo si prepari in vista del prossimo arrivo dei sistemi di RM, in modo che possano essere massimizzati gli suoi intrinsechi vantaggi. Tale preparazione non può prescindere dalla collaborazione con le Università e i centri di ricerca, nello sviluppo di progetti di ricerca applicata che risultano la naturale via per il consolidamento di una nuova tecnica produttiva sul mercato.
RAPID MANUFACTURING La produzione rapida ha riscontrato una forte crescita nel corso degli ultimi anni, tale da poterla considerare una tecnica indipendente dalle progenitrici prototipazione rapida e rapid tooling Determina inoltre profonde implicazioni nella definizione del design, nella progettazione, nella produzione, nella distribuzione e nella vendita di un nuovo prodotto e per tale motivo è da considerare una nuova rivoluzione industriale Risulta difficile immaginare un approccio produttivo con le potenzialità del RM in termini di flessibilità: lo stesso sistema può essere infatti utilizzato in molteplici settori dal medicale, all aerospazio, dall automobile all arte e dagli articoli da regalo all elettronica
RAPID MANUFACTURING Il punto chiave è rappresentato dall eliminazione dalla principale rigidità presente nelle attuali produzioni dei beni di largo consumo: gli stampi. Le attrezzature di produzione determinano infatti una serie di vincoli sia sul design che sul progetto del prodotto, superare questi limiti libera di conseguenza l immaginazione del designer
RAPID MANUFACTURING Occorre comunque considerare che i maggiori vantaggi possono essere conseguiti, solamente se il prodotto viene progettato tenendo conto che verrà realizzato con la produzione rapida. Utilizzare il RM per un prodotto pensato per essere realizzato con gli stampi è l errore più grave che possa essere commesso
RAPID MANUFACTURING Supporto con passacavi riprogettato per il rapid manufacturing
RAPID MANUFACTURING Soluzione tradizionale: 20 componenti Soluzione RM: 1 unico componente
RAPID MANUFACTURING 6x Componente di centrifuga per la separazione del sangue
RAPID MANUFACTURING Componente di centrifuga riprogettato per il RM
RAPID MANUFACTURING L introduzione di questa nuova tecnica richiede una profonda riorganizzazione delle aziende con le conseguente necessità di vincere le resistenze interne al cambiamento Le aziende che dimostreranno la massima dinamicità nel cambiamento della filosofia progettuale/produttiva potranno avvantaggiarsi sul mercato. Non occorre comunque far cadere la sfida pena un ulteriore perdita di competitività rispetto alla concorrenza internazionale.
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING Attualmente gli impianti destinati alla produzione rapida, derivano da quelli utilizzati nella prototipazione funzionale e sono basati sulla tecnologia additiva La tecnica che meglio soddisfa le specifiche in termini di velocità di costruzione, di possibilità di sfruttare completamente il volume di lavoro della macchina e di disponibilità di materiali definitivi è la sinterizzazione selettiva con il laser (SLS) Il fused deposition modelling (FDM), pur disponendo di materiali definitivi come l ABS e il policarbonato, presenta limiti dovuti alla possibilità di sfruttare pienamente il volume di lavoro solamente nel piano XY ma non lungo l asse Z a causa della presenza dei supporti per il pezzo.
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING La sinterizzazione selettiva laser (SLS) è una tecnologia che utilizza le polveri di materiali differenti (termoplastici, metalli, sabbia) per la costruzione del prototipo con l obiettivo di generare elementi funzionali con caratteristiche analoghe a quelli ottenuti con le tecnologie convenzionali Sul mercato esistono due produttori di macchine che sfruttano il principio della SLS: l americana 3D Systems e la tedesca EOS.
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING Schema della sinterizzazione selettiva laser
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING Disposizione dei pezzi nel volume di lavoro del sinterizzatore
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING La EOSINT P730 della EOS volume di lavoro (700x380x580) mm
POTENZIALITA PRODUTTIVE Dim lineare parte da produrre in mm 5x5 10x10 15x15 20x20 50x50 100x100 150x150 P390 432.000 54.000 16.000 6.750 432 54 16 P730 1.234.240 154.280 43.700 19.285 1.234 154 45
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING La Sinterstation Pro di 3D Systems volume di lavoro (550x550x750) mm
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING I materiali disponibili sono il nylon con le seguenti cariche: Vetro; Alluminio; Allumina; Fibre corte di carbonio. Ciascuno ha i propri settori di impiego, interessanti sono le applicazioni nel settore del racing
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING Williams F1 team ha abbracciato il rapid manufacturing
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING Arcam tramite fusione mediante fascio elettronico è entrata con i metalli nel rapid manufacturing
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING EOS con EOSINT M 270 e la polvere di Cromo Cobalto per il RM nel settore dentale
SOLUZIONI PER IL RAPID MANUFACTURING Dima guida per impianto di una protesi metacarpofalangea (alluce), durante un test reale Dimensioni: ~ 60 x 25 x 15 mm EOS con EOSINT M 270 e la polvere di titanio per il RM nel settore ortopedico
CONCLUSIONI Le aziende non sono sempre sensibili alla nuovi soluzioni, ma l innovazione non si può fermare adducendo il pretesto dei costi Oggi, si riesce a essere realmente competitivi solo utilizzando il CAD e utilizzando strumenti come la produzione rapida, ma soprattutto guardando con attenzione le tecnologie innovative, senza vederle come un potenziale concorrente, ma come una naturale evoluzione. Perdendo di vista questo obiettivo, non considerandolo come possibile fattore vincente per la riduzione del time-to-market e per lo sviluppo di nuovi prodotti si rischia di soccombere sotto i colpi della concorrenza