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
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
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
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
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
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
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 1986-87: 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 1991-93: 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 100.000$ 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
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
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
Fasi del CICLO 10
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
Orientamento: è importante sia per la rugosità superficiale sia per ridurre i tempi macchina. Oggetto da realizzare 12
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
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
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
Tecniche di prototipazione rapida 16
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Confronto tra sistemi di prototipazione convenzionale e rapida * * Studio condotto dalla Swinburne University of Technology 18
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
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
Classificazione delle Tecniche di PROCESSI CONSOLIDATI TECNICHE EMERGENTI SISTEMI IN FASE DI SVILUPPO 21
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
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
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
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
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
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
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 (0.1 0.4 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
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
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
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
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
Fattori che influenzano la qualità del prodotto 33
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
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
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
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
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
LE MACCHINE Macchine 3D System SLA190 SLA250 SLA350 SLA500 Dimensioni max del pezzo (mm) 190x190 x254 250x250 x250 350x350 x400 508x508 x584 Tipo laser HeCd HeCd Nd:YV04 Ar+ Durata min laser (h) 2000 2000 5000 2000 Potenza del laser (mw) 7.5 16 160 200 Dimensioni dello spot (mm) 0.20.29 0.20.29 0.25 0.25 Velocità di scansione (m/s) 0.8 0.8 5 2.5 Risoluzione elevatore (mm) 0.003 0.003 0.002 0.002 Ripetibilità pos. elevatore (mm) 0.008 0.008 0.05 0.03 Max peso sopportato (kg) 6.8 9.1 56.8 68 Capacità della vasca (l) 20.8 40 99 254 Spessore min strato (mm) 0.1 0.1 0.05 0.13 Ingombro (m) 0.7x1.2 x1.6 0.7x1.2 x1.6 0.95x 1.02x2 3.5x1.8 x1.8 Peso (kg) 272 295 750 1135 Precisione dichiarata (mm) ±0.2 ±0.2 ±0.1 ±0.2 Costo di massima ($) 110.000 205.000 420.000 500.000 39
LE MACCHINE Macchine EOS Stereos Desktop Stereo max 600 Dimensioni massime del pezzo (mm) 250x250 x250 600x600 x400 Tipo di laser HeCd Nd:YAG Durata minima laser (h) 2000 10000 Potenza del laser (mw) 40 250 Dimensioni dello spot (mm) 0.15 0.15 Velocità di scansione (m/s) Fino a 2 Fino a 10 Spessore minimo strato (mm) 0.1 0.1 Capacità della vasca (l) 45 230 Ingombro (m) 1.25x0.7x1.1 1.8x2x2.2 Peso (kg) 700 1300 Precisione dichiarate (mm) ±0.1 ±0.1 Costo di massima ($) 200.000 480.000 40
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
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
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
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 60. 44
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
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
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
LE MACCHINE Sono attualmente in produzione due tipi di macchine: Solider 4600 Solider 5600 48
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 1989. 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
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
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
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
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
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
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) 10000 Tempo di costruzione (mm/h) 5-30 Tempo per deposito polvere (s) 8-10 Precisione dichiarata (mm) ±0.25 Spessore strato (mm) 0.08-0.5 Risoluzione piano XY (mm) 0.1 Ingombro (m) 2.9x1.5x1.9 Peso (kg) 4000 Potenza assorbita (kw) 4 Costo sistema base ($) 400.000 55
LE MACCHINE Soluzione costruttiva della EOS Il sistema differisce : nella geometria della camera di lavoro nel sistema di alimentazione e pressatura nel sistema di focalizzazione 56
LE MACCHINE Soluzione costruttiva della EOS P 350 M 250 S 350 S 700 Dimensioni massime pezzo (mm) 340x340 x590 250x250 x150 320x320 x400 700x350 x350 Tipo laser CO2 CO2 CO2 CO2 Potenza laser (W) 50 200 50 2 da 50 Velocità scansione (m/s) <2 <2 <2.5 <2.5 Precisione posizionamento spot (mm) ±0.1 ±0.05 ±0.1 ±0.1 Spessore strato (mm) 0.1-0.2 0.1 0.2 0.2 Ingombro (m) 2x1.2x1.9 1.8x1.1x2 2x1.2x1.9 2x2x1.6 Peso (kg) 800 700 800 1500 Precisione dichiarata (mm) ±0.2 ±0.2 ±0.2 ±0.2 Costo di massima ($) 470000 280000 470000 800000 P 350 M 250 S 350 Polveri di materiali termoplastici Polveri metalliche sabbie prerivestite 57
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
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
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
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
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 ) 1.00 1.10 1.05 Temperatura di rammollimento ( C) 98 110 122 Temperatura di fusione ( C) - 100-110 - Carico di rottura (MPa) 3.4 12.1 34.3 Resistenza a flessione (MPa) 4.2 14.5 65.2 Modulo elastico (MPa) 274 560 2600 Modulo di flessione (MPa) 274 434 2750 Allungamento a rottura (%) >10 3.5 50 Resilienza (J/m) 17 13 106 Durezza (Shore D) 33 70 105 Costo ($/kg) - 228 255 62
LE MACCHINE La camera di lavoro è termicamente isolata e durante la fase di costruzione viene mantenuta a temperatura costante. Il cuore del sistema è la testa di estrusione che fonde il materiale e lo deposita tramite un ugello calibrato. La testa di estrusione è specifica per ogni coppia di materiali del modello e dei supporti. FDM 1650 FDM 8000 Dimensioni massime del pezzo (mm) 254 x 254 x 254 508 x 421 x 610 Larghezza strato (mm) Da 0.254 a 2.54 Da 0.254 a 2.54 Spessore dello strato (mm) Da 0.05 a 0.762 Da 0.05 a 0.762 Temperatura ugello estrusione ( C) 60 300 60 300 Ingombro (m) 0.66 x 0.93 x 0.86 - Peso (kg) 160 - Precisione dichiarata (mm) ± 0.127 ± 0.127 Costo di massima ($) 100.000 250.000 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
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
IL PROCESSO preparazione del file macchina, incollaggio e taglio delle sezioni, 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 65
INCOLLAGGIO E TAGLIO DELLE SEZIONI il sistema di trascinamento posiziona il foglio di carta nella zona di lavoro il passaggio di un rullo caldo incolla il foglio sul supporto il raggio laser provvede al taglio dei contorni della sezione ed anche una serie di riquadri (sfrido di contenimento) che inviluppano la sezione il supporto si abbassa di una quantità pari allo spessore del foglio successivo posizionamento della carta e ripetizione del ciclo 66
Al termine si ottiene un parallelepipedo di materiale stratificato dal quale è necessario estrarre il pezzo ( post-trattamento), togliendo manualmente i cubetti in eccesso La funzione di supporto è svolta dalla carta in eccesso alla sezione tagliata FINITURA L aspetto e la consistenza del pezzo sono quelli caratteristici del compensato, caratterizzato però da forte anisotropia e quindi forti rischi di delaminazione Il trattamento con tela abrasiva permette di ottenere buone finiture superficiali I pezzi devono essere sottoposti ad un trattamento di impermeabilizzazione con vernice per evitare che l umidità atmosferica causi deformazioni Non è molto adatto per la realizzazione di particolari cavi. I pezzi possono essere impiegati per verifiche estetiche, di montaggio, in sostituzione dei classici modelli in legno per i processi fusori 67
I MATERIALI è costituito da carta rivestita nella parte inferiore da uno strato di politene ha un costo limitato è completamente atossico viene fornito sottoforma di rotoli lo spessore utilizzato è unico e pari a 0.066mm per minimizzare l effetto staircase Caratteristiche generali Colore Temperatura rammollimento politilene ( C) 94 Carico di rottura (MPa) 34 Fogli di carta rivestiti nella parte inferiore con politene Bianco Modulo elastico (MPa) 392 Allungamento a rottura (%) 8 Resilienza (J/m) Costo ($/kg) 4.4 Non disponibile Sono allo studio altri materiali di costruzione - plastici termoadesivi - materiali compositi 68
LE MACCHINE Le macchine sono essenzialmente dei plotter dove il pennino è stato sostituito dal raggio laser. La sorgente laser è al CO 2 da 50 W: la potenza è sovrabbondante ma la scelta è giustificata dall elevata durata di vita della sorgente laser. LO 1015 LO 2030 Dimensioni massime pezzo (mm) 250 x 370 x 360 560 x 810 x 510 Potenza sorgente CO 2 (W) 50 50 Spessore dello strato (mm) 0.066 0.066 Velocità di scansione (m/s) 0.4 0.6 Ingombro (m) 0.8 x 1.1 x 1.2 1.5 x 2.1 x 1.4 Peso (kg) 410 1500 Precisione dichiarata (mm) ± 0.25 ± 0.25 Costo di massima ($) 90.000 180.000 69
Le tecniche emergenti Modellatori concettuali (RP Desktop): da destinare all ufficio tecnico per essere utilizzati nelle primissime fasi del ciclo di sviluppo del prodotto, ancor prima di una prototipazione accurata. Concepiti come periferiche per un computer e simili ad una comune stampante, in grado di realizzare un prototipo concettuale impreciso per mostrarlo agli interessati e decidere se realizzarne un secondo su di una macchina più precisa. Sistemi di precisione: anch essi da destinare all ufficio tecnico per verifiche di progetto. Essi sono sistemi idonei a realizzare un prototipo funzionale con elevate precisioni ed ottime finiture superficiali, tale che possa essere a sua volta utilizzato nel settore dell attrezzaggio rapido. Sistemi per la produzione di gusci ceramici: sono sistemi rivolti al settore della microfusione e realizzano le forme, all interno delle quali effettuare le colate. Sfruttano il principio delle stampanti a getto di inchiostro per spruzzare del collante su di un letto di materiale refrattario. 70
Multi Jet Modelling (MJM) sviluppata dalla 3D System La 3D System commercializza il sistema Actua 2100 rappresenta una tecnica di RP abbastanza veloce e poco costosa tecnica paragonabile alla FDM Si basa sulla stampa in 3D di termopolimeri a basso punto di fusione 71
IL PROCESSO la testina viene posizionata sopra la piattaforma di lavoro per iniziare la generazione del prototipo la tesina genera il primo strato depositando materiale durante il movimento in direzione x la piattaforma si riposiziona sull asse y e la testina continua a muoversi sull asse x per completare lo strato la piattaforma viene abbassata e inizia la deposizione dello strato successivo il processo continua, strato dopo strato, fino al completamento del modello terminato il processo di costruzione si provvede alla eliminazione dei supporti ed il modello può essere immediatamente utilizzato 96 ugelli orientati in linea velocizzano la costruzione dei modelli 72
I MATERIALI Termopolimero Thermojet 45 la resina, non tossica, è analoga alla cera ed ha un aspetto simile al sapone è caratterizzato da un basso punto di fusione e da una certa fragilità LE MACCHINE È concepita per produrre in modo rapido modelli concettuali con la stessa facilità con la quale una stampante produce immagini bidimensionali Ha le stesse dimensioni di una grossa fotocopiatrice ed è predisposta per essere messa in rete con protocollo di comunicazione TCP/IP Actua 2100 Dimensioni massime pezzo (mm) 250 x 200 x 200 Spessore deposto (mm) 0.033 Num. Deposizioni per uno strato 3 Spessore minimo pareti (mm) 0,1 Numero ugelli 96 Temperatura di eiezione ( C) 130 Ingombro (m) 1.4 x 0.8 x 1.1 Peso (kg) 300 Precisione dichiarata (mm) ± 0.2 Costo di massima ($) 60.000 73
Ballistic Particle Manufacturing (BPM) con un brevetto rilasciato nel 1987, la BPM Technology commercializza il sisytema Personal Modeler con la promessa di farlo diventare nel breve termine uno dei primi sistemi RP disponibili sul mercato 8 anni e milioni di dollari nello sviluppo del prodotto non sono stati sufficienti a rendere la tecnologia pronta per l'applicazione commerciale la debole superficie prodotta con tale tecnologia e la scarsa affidabilità sembrano essere i due fattori che hanno causato il fallimento BPM Si basa sul lancio di gocce di materiale termoplastico ad alta velocità da parte di un eiettore 74
IL PROCESSO Un eiettore ceramico installato su una tavola di posizionamento a 5 assi controllati, comandato da un oscillatore piezoelettrico, lancia al ritmo di 12.000 particelle al secondo ad una velocità di 24,5 m/s. le particelle uscenti dall eiettore hanno un diametro di 0,075 mm e si schiacciano fino ad un diametro di 0,05 mm dopo l impatto sul pezzo. L aderenza allo strato precedente è assicurata dall elevata energia cinetica posseduta dalle particelle che all impatto le fa fondere parzialmente determinando la nascita di forti legami simili all incollaggio. Successivamente una seconda testina riscaldata agisce sullo strato deposto, non ancora completamente solidificato, per migliorarne la morfologia superficiale. 75
I MATERIALI Materiale termoplastico, atossico, con comportamento analogo alla cera per microfusione. Disponibile unicamente nel colore bianco, può essere verniciato e sabbiato, fonde in un intervallo di temperatura tra i 105 e 110 C ed ha un peso specifico di 0,9 g/cm 3 LE MACCHINE È concepita come una periferica da ufficio di semplice funzionamento che produce modelli fisici concettuali È gestita da personal computer e richiede esclusivamente l alimentazione di rete e non sono necessari sistemi di ventilazione o raffreddamento Personal Modeler Dimensioni massime pezzo (mm) 254 x 203 x 152 Spessore dello strato (mm) Non dichiarato Spessore minimo della parete (mm) 0,5 Calcolatore di processo P.C. Ingombro (m) 0.6 x 0.5 x 1.3 Peso (kg) 90 Precisione dichiarata (mm) ± 0.3 Costo di massima ($) 35.000 76
Sanders Prototype Inc (SPI) sviluppata da Sanders Prototype, Inc. in Wilton, NH.Nata nel 1994 commercializza la prima macchina RP avente un costo inferiore ai 100.000 $ i modelli costruiti con questa macchina tendono ad avere una maggiore precisione e una migliore finitura superficiale rispetto ad altri processi ma sono relativamente lenti Si basa sul principio di un plotter a getto d inchiostro in cui viene aggiunto l asse z verticale 77
IL PROCESSO Un plotter a getto d inchiostro liquido-solido, con asse z separato, impiega due testine a getto movimentate nel piano x-y: la prima deposita il materiale termoplastico di costruzione e la seconda la cera di supporto. Il polimero termoplastico, allo stato solido, in uscita dalla prima testina, solidifica rapidamente dopo il contatto con lo stato precedentemente deposto. La cera di supporto in uscita dalla seconda testina, viene depositata ove richiesto per sostenere le parti a sbalzo e cavità del modello. Completato lo strato, un dispositivo di spianatura, costituito da una fresa elicoidale in carburo sinterizzato regola la dimensione lungo l asse z eliminando l eccesso di materiale 78
I MATERIALI Materiale di costruzione, protobuild (di colore verde) è costituito di granuli di materiali termoplastici. Materiale di supporto, protosupport di colore rosso, costituito da una miscela di cera eliminabile con trattamento in solvente che non causa deformazione sul pezzo LE MACCHINE È concepita come una periferica da ufficio di semplice funzionamento che produce modelli fisici con buone rugosità superficiali e precisioni dimensionali, a discapito di un tempo di costruzione più lungo Vista la risoluzione disponibile, può essere utilizzata nel settore della gioielleria, dell occhialeria, aerospaziale, medicale, del modellismo di precisione oltre che nei settori classici della meccanica. Model Marker Dimensioni massime pezzo (mm) 154 x 154 x 154 Spessore dello strato (mm) Da 0.013 a 0.075 Spessore minimo della parete (mm) 0,5 Calcolatore di processo P.C. Ingombro (m) 0.5 x 0.5 x 0.6 Peso (kg) 30 Precisione dichiarata (mm) ± 0.05 Costo di massima ($) 70.000 79
Three Dimensional Printing (3DP) sviluppata presso il MIT di Boston nata inizialmente per la produzione di gusci ceramici, ha trovato ultimamente anche uno spazio nella produzione di elementi metallici tecnica simile alla SLS, ma le polveri anziché essere sinterizzate vengono mantenute insieme da un collante spruzzato Si basa sull incollaggio di strati di polvere 80
IL PROCESSO La sequenza di operazioni necessarie per la preparazione di un prototipo è del tutto simile a quella della sinterizzazione laser e si differenzia da quest'ultima per il metodo impiegato nell'unione delle polveri. In tale tecnologia le polveri vengono unite mediante un collante spruzzato con la tecnica della stampa a getto d'inchiostro. Non sono necessari supporti per il particolare che però, deve essere estratto delicatamente dal letto di polvere. E necessaria, poi, una fase di post-trattamento di tipo combinato termico e chimico, al fine di evitare disgregazioni e per conferire migliori caratteristiche meccaniche all'elemento prodotto. In particolare vengono effettuati trattamenti di infiltrazione per garantire compattezza al particolare. 81
I MATERIALI Materiale di costruzione, polvere refrattaria (ad es. polvere di allumina) Materiale di supporto, collante (ad es. gel di silice) La soluzione spruzzata deve possedere le seguenti caratteristiche: - alta % di collante e bassa viscosità - leggermente conduttiva - asciugare rapidamente LE MACCHINE Macchine desktop le cui dimensioni ed il cui costo contenuto ne fanno un prodotto con una base di potenziali utilizzatori sicuramente più ampia dei sistemi RP tradizionali Viene prevalentemente utilizzata per la produzione di gusci e anime ceramici, ceramiche porose per l infiltrazione del metallo, elementi metallici tramite infiltrazione sottovuoto di un metallo bassofondente su di una green part 82
Caratteristiche riepilogative Il mercato delle RP può essere suddiviso in tre grosse fasce (investimento necessario): FASCIA DI INGRESSO < 70.000 $ FASCIA INTERMEDIA 70.000 200.000 $ FASCIA ALTA > 200.000 $ 83
Specifiche tecnico-economiche dei principali sistemi RP 84
Specifiche tecnico-economiche dei principali sistemi RP 85
I sistemi in fase di sviluppo Sistemi per la fotopolimerizzazione alternativi alla stereolitografia Fotopolimerizzazione con lampada fluorescente (Light sculpting) Sistemi per la produzione di elementi metallici con l impiego della saldatura MIG Three dimensional welding Sistemi per la produzione di elementi metallici con l impiego del laser Stratificazione di fogli di lamiera Sheet laser forming Laser generating Sistemi per la produzione di elementi metallici e ceramici per estrusione Multiphase jet solidification (MJS) 86
Rapid Tooling Per Rapid Tooling si intende attrezzaggio rapido, cioè l insieme delle tecniche mirate alla fabbricazione, in tempi rapidi, di attrezzature destinate alla produzione in pre-serie e in alcuni casi in serie. Si possono distinguere due categorie diverse della stessa tecnica: indirect tooling: si combina il prototipo rapido (modelli e/o anime) con processi tradizionali per ottenere l attrezzatura; direct tooling: l attrezzatura è fabbricata in modo diretto con sistemi RP 87
Indirect Tooling Sand casting Lo stampo in negativo è realizzato in sabbia mentre il prototipo è ottenuto con tecnologia LOM (Laminated Object Manufacturing), con capacità di lavorazione di un centinaio di forme in sabbia se opportunamente finito e trattato. Investment casting Si realizzano conchiglie per colate in materiale ceramico ed i prototipi sono modelli a perdere realizzati con tecniche SLA, SLS, FDM LOM o Sanders prototype. 88
Indirect Tooling Stampi in silicone Si parte dal prototipo, sul quale vengono inseriti gli sfiati e i canali di colata e viene individuato il piano di divisione. Il tutto viene posizionato nella cassetta di contenimento in cui viene colata, a pressione atmosferica, la resina siliconica precedentemente degassata. Si effettua una seconda fase di degassaggio per eliminare l aria inglobata durante la colata del materiale dello stampo, che viene infine posto in forno per l indurimento. Si individua il piano di divisione nello stampo, si effettua un taglio, quindi si estrae il modello e ricavano le due parti dello stampo, pronte all uso. Si realizzano, in tal modo, stampi flessibili, autodistaccanti, che permettono la formatura di particolari anche molto complessi. Capacità di lavorazione dalle 5 alle 50 colate. 89
Indirect Tooling Spin casting Si utilizza un silicone resistente ad alta temperatura per realizzare uno stampo flessibile all interno del quale è possibile colare leghe a base zinco (T. di fusione 500 ). La procedura da seguire prevede: l impiego di due dischi di silicone non vulcanizzato, dai quali ricava l alloggiamento del modello asportando manualmente una parte di silicone, si inserisce il master e si chiude lo stampo; si effettua la vulcanizzazione dello stampo mediante una pressa riscaldata; al termine della vulcanizzazione del silicone si apre lo stampo, si estrae il modello e si ricavano i canali di colata, la materozza e gli sfoghi per l aria; Prearato lo stampo si dispone in una macchina centrifuga per effettuare la colata. La rotazione (200 1000 rpm) garantisce una distribuzione uniforme del materiale nello stampo evitando la formazione di porosità. Capacità di lavorazione dalle 20 alle 50 colate. 90
Indirect Tooling Metal spraying Tecnologia utilizzata per la fabbricazione di stampi a partire dal modello realizzato con tecniche convenzionali o PR. Consiste nello spruzzare metallo fuso direttamente sul prototipo (diviso per metà), previa la deposizione di un distaccante, formando un rivestimento superficiale che dà origine allo stampo una volta solidificato. A solidificazione avvenuta si dispone di due gusci di negativo in metallo spesso circa 2 mm. Lo spessore esiguo richiede che i gusci siano rinforzati sui lati non attivi con resina additivata (ad es. resina epossidica) Tali inserti hanno una maggiore resistenza al ciclo di stampaggio ma con scarsa finitura superficiale 91
Direct Tooling SLA, SLS, SGC, FDM e LOM possono generare inserti per stampi da destinare all iniezione della cera garantendo un limitato numero di iniezioni (da 50 a 100 pezzi); SLS con polveri di acciaio prerivestite di resina termoplastica possono generare inserti per l'iniezione dei polimeri (oltre i 1000 pezzi) e inserti per pressocolata per preserie (da 50 a 100 pezzi). Per "inserti", si intende la parte attiva dello stampo in cui avviene la colata vera e propria da installare in una struttura convenzionale di supporto, visti i limiti dimensionali delle aree di lavoro delle macchine PR e i tempi necessari di costruzione dei particolari. 92
Direct Tooling Costruzione di attrezzaggi metallici (DTM Rapid Tooling) Costruzione del prototipo utilizzando polveri a base ferrosa rivestite con resina termoplastica green part con elevata porosità e limitate proprietà meccaniche La green part viene infiltrata con resina epossidica e poi asciugata in forno brown part con densità fino al 100% e migliori caratteristiche meccaniche La Brown part è inserita in un contenitore refrattario circondato da pezzi di rame. Il contenitore è quindi posto in forno sottovuoto causando l eliminazione del polimero e l infiltrazione del rame red part (rapid steel) con 60% di acciaio e 40% di rame 93
E necessaria un operazione di finitura per migliorare lo stato delle superfici. I pezzi possono essere lavorati con le macchine utensili tradizionali Applicazioni: attrezzature destinate alla produzione della pre-serie, inserti per stampi per l iniezione delle resine termoplastiche 94