TECNICHE DI PRODUZIONE ADDITIVE

TECNICHE DI PRODUZIONE ADDITIVE

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

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

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

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

Fasi del processo

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

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

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

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

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

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

Classificazione

Classificazione

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

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

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

LOM (Laminated Object Manufacturing ) Sistema LOM 1015

LOM TECNICA DI COSTRUZIONE

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

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

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

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

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

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

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

LOM crosshatching

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

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

LOM Specifiche tecniche delle macchine LOM in commercio

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

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

LOM PROPRIETA DEI MATERIALI I modelli LOM presentano delle tolleranze dimensionali di circa +/- 0.25 mm e le proprietà dei materiali, fornite dal venditore, sono mostrate nelle tabelle seguenti: Proprietà meccaniche materiali

LOM Pezzi prodotti con il LOM

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

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

UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing)

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

Fused Deposition Modelling (FDM) Schema del processo FDM

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

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

Fused Deposition Modelling (FDM)

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

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;

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

Fused Deposition Modelling (FDM) Specifiche tecniche del modellatore Genisys

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

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

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

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

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

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

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.

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.

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.

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

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.

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

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

Fused Deposition Modelling (FDM)

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

Stereolitografia Fasi del processo Realizzazione dello slicing

Stereolitografia Fasi del processo Realizzazione dello slicing Fotopolimerizzazione

Stereolitografia Fasi del processo Realizzazione dello slicing Fotopolimerizzazione Post-trattamento

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

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

Stereolitografia Fattori che influenzano la qualità del pezzo

Stereolitografia Sequenza di operazioni per garantire un corretto ricoprimento e livellamento

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

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

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

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

Stereolitografia Hardware Specifiche tecniche principali delle macchine SLA più comuni

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

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

Stereolitografia Pezzi SLA

Solid Ground Curing (SGC)

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

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.

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.

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

Solid Ground Curing Schema dell'impianto Solider della Cubital

Solid Ground Curing Specifiche tecniche principali delle macchine della Cubital

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.

Solid Ground Curing Caratteristiche principali delle resine per SGC

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

Selective Laser Sintering (SLS) Schema del processo SLS

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

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

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

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

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

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

Selective Laser Sintering (SLS) Pezzo SLS in policarbonato

Selective Laser Sintering (SLS) Modello SLS in TrueForm

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

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

Selective Laser Sintering (SLS)

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

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

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

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

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

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

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

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

Formatura laser Testa di deposizione Schema del processo LENS

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

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

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.

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.

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

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.

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

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

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

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.

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

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

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