METODI DI PROTOTIPAZIONE RAPIDA E ATTREZZAGGIO RAPIDO La moderna industria, sotto la spinta della globalizzazione, è costretta oggi a tempi di sviluppo ed industrializzazione dei prodotti sempre minori. Lo sviluppo di un prodotto, dall idea alla realizzazione del prototipo (pre-serie), è necessario che sia sempre più breve per limitare perdite degli utili. Per questo le aziende hanno fatto proprie oggi tecniche di ptototipazione rapida (Rapid Prototyping) e di Attrezzaggio rapido (Rapid Tooling). PROTOTIPAZIONE RAPIDA (RP) La RP consente di realizzare, in poco tempo e senza utensili, il primo elemento di una serie (detto prototipo, appunto), in modo da verificare in tempi brevi la validità di un idea per il marketing, la risposta del mercato ad una nuova proposta e la validità di un ciclo di fabbricazione. Questa tecnologia innovativa si basa sulla considerazione che ogni oggetto è costituito da tante sezioni di spessore infinitesimo. Per questo il prototipo è realizzato sezione dopo sezione, con la progressiva aggiunta di materia. La RP rende possibile la produzione di oggetti, anche di geometria complessa, in poche ore e senza l uso di utensili, partendo dal modello realizzato su un sistema CAD tridimensionale (3D) avente un uscita in formato STL (Standard Triangulation Language). Vi è quindi la fase di generazione dei supporti, operazione necessaria per alcune tecniche, per sostenere le parti sporgenti del pezzo. Questa fase preparatoria si conclude con la slicing, operazione comune a tutte le tecnologie e che consiste nell intersezione del modello completo di supporti con una serie di piani la cui normale è parallela alla direzione di costruzione STL, per ottenere le singole sezioni che distano di una distanza variabile tra 0,05 e 0,5 mm. La tecnologia RP è una tecnica di produzione per piani o per strati, in quanto i prototipi si realizzano per polimerizzazione o reazione chimica stratificata del materiale utilizzato, che può essere liquido, solido o polvere. Nello schema a lato sono indicate le principali tecniche di prototipazione rapida, poi trattate. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei Conegliano - Pag. 1
1) StereoLitographic Apparatus (SLA) La stereolitografia, essendo la prima ad essere impiegata, è una consolidata tecnica di prototipazione rapida, tutt oggi molto utilizzata perché permette di ottenere particolari tridimensionali con un ottimo dettaglio superficiale partendo da dati digitali elaborati con software CAD/CAM. Gli spessori degli strati sono di 0,05 0,025 mm e la precisione del modello ottenuto è inferiore a 0,1 mm. I materiali impiegati sono resine epossidiche fotosensibili. Generalmente non hanno caratteristiche meccaniche rilevanti, ma permettono di realizzare prototipi trasparenti e molto dettagliati. L immagine seguente evidenzia le fasi della tecnica SLA. 1) Sviluppo del modello con CAD 2) Elaborazione CAM per tradurre il modello in slice (fette) 3) Liquido che polimerizza passando allo stato solido in presenza di luce laser 4) Meccanica che, guidata dal computer, abbassa la tavola di appoggio (tray) e quindi il prototipo in costruzione realizzando in successione gli slice superiori 5) Il generatore di luce laser, che viene guidato dal computer per generare, mediante polimerizzazione, il prototipo strato dopo strato. All'interno della macchina sono presenti un laser, una vasca con la resina da solidificare e una racla per la rimozione della resina in eccesso. Il raggio laser, proiettato da un sistema di specchi, scandisce la superficie del liquido e solidifica la resina della prima sezione dell oggetto da costruire. Terminata la prima scansione, la piastra si abbassa leggermente, la racla elimina la resina in eccesso ed una successiva scansione laser genera una seconda sezione e poi una terza, costruendo strato dopo strato le diverse sezioni in cui viene suddiviso il prototipo da realizzare. Questo procedimento viene ripetuto fino a pezzo ultimato. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei Conegliano - Pag. 2
Al termine della creazione l oggetto viene estratto dalla resina liquida per mezzo di un elevatore e posto in un forno a luce ultravioletta per completare la polimerizzazione. Successivamente è possibile rifinire ed anche verniciare la superficie. A lato è il prototipo di un motore per auto per verifiche di ingombro e di assemblaggio - Componenti SLA assemblati - (Rover) A lato è il prototipo di auto sportiva per verifiche di proprietà aerodinamiche in galleria del vento - Componenti SLA assemblati - (Rover) 2) Selective Laser Sintering (SLS) Questa tecnologia, detta sinterizzazione laser selettiva, utilizza polveri di materiali differenti, termoplastici, cera, metalli, sabbia, per la costruzione del prototipo. Si riesce a generare elementi funzionali aventi caratteristiche analoghe a quelle ottenute con le tecnologie convenzionali. La camera di lavoro viene mantenuta ad una temperatura prossima a quella di fusione della polvere. Inizialmente viene steso sulla tavola dell elevatore un sottile strato di polvere per mezzo di un apposito apparato, polvere che viene pressata sull elevatore, ed il laser CO 2 provvede alla sinterizzazione: la radiazione fonde i granelli di polvere che si uniscono l un l altro, dando origine alla sezione. L elevatore si abbassa della quantità voluta, si stende un altro strato di polvere e il tutto si ripete fino alla completa costruzione del prototipo. Il vantaggio sta nel fatto che si possono utilizzare diverse tipologie di polveri e non c'è Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei Conegliano - Pag. 3
bisogno di prevedere dei supporti dato che è la polvere non sinterizzata che provvede a sostenere i piani superiori. Alla fine del processo il pezzo deve essere liberato dalla polvere in eccesso, operazione non molto complessa, e nel caso di polveri metalliche e ceramiche, subiscono anche un trattamento termico per migliorarne le caratteristiche. Per eliminare le porosità superficiali si ricorre ad una operazione di infiltrazione di cera oppure di verniciatura con resina epossidica. 3) Laminated Object Manufacturing (LOM) Si tratta della produzione di oggetti laminati. La costruzione dei prototipi di grandi dimensioni viene attuata tramite il progressivo incollaggio di fogli di carta speciale sui quali viene ricavata la sezione del pezzo, mediante taglio meccanico o laser. Nella figura a lato, il taglio delle sezioni avviene mediante il laser. Le singole sezioni tagliate col laser sono poi incollate allo strato precedente. Si ottiene un parallelepipedo, di materiale stratificato, dal quale è necessario estrarre il pezzo eliminando manualmente il materiale in eccesso, con utensili tipici della lavorazione del legno. L aspetto esterno e la consistenza del pezzo prodotto sono simili a quelli del compensato. La realizzazione del prototipo è completata dai trattamenti con carta abrasiva (per evitare rischi di distacco degli strati) e di impermeabilizzazione (per prevenire l assorbimento di umidità) con vernici a base epossidica. 4) Stampa tridimensionale (3DP) La lavorazione 3D Print è simile alla SLS, ma le polveri (di amido o di gesso) anziché essere sinterizzate vengono mantenute insieme da un collante spruzzato su di esse con una testina simile a quelle presenti nelle stampanti a getto d'inchiostro. Il collante viene rapidamente asciugato e il prototipo ottenuto va delicatamente estratto per evitare sfaldamenti e sottoposto a un trattamento termico per migliorarne le caratteristiche. Nelle figure sotto è illustrato lo schema di funzionamento. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei Conegliano - Pag. 4
Muovendosi da SX a DX il cilindro raccoglie la polvere Il rullo stende un sottile strato di polvere sul pistone di costruzione Il rullo scarica la polvere in eccesso nel canale di raccolta Mentre si muove da DX a SX la cartuccia stampa la sezione del pezzo Il pistone di alimentazione sale di uno strato, quello di costruzione Si possono creare oggetti del colore desiderato che, successivamente assemblati, possono riprodurre sistemi multicolore. E attualmente considerata la macchina più veloce nel mondo del RP. La possibilità di creare rapidamente e a basso costo modelli fisici in multicolore, offre in poche ore ai progettisti e agli stilisti differenti versioni di un disegno proposto. 5) Multi Jet Modeling (MJM) Questo metodo è quanto di più simile ci sia a una stampante a getto di inchiostro, con l aggiunta però della terza dimensione mediante lo spostamento lungo l asse z della piattaforma di lavoro. Nella testina è presente una resina termoplastica che viene disposta sulla tavola di lavoro a creare sia il modello che i supporti. La testina viene posizionata sopra la piattaforma di lavoro e 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. Realizzata la prima slice (fetta), successivamente si abbassa la tray (tavola) e la resina aderisce alla slice precedente. E così via. Terminato il ciclo di stampa, si preleva il modello dalla piattaforma e si rimuovono i supporti. A questo punto la macchina è pronta per un nuovo ciclo di stampa. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei Conegliano - Pag. 5
6) Drop on Demand (DOD) Questo metodo è simile al precedente, con la presenza dello spostamento lungo l asse z della piattaforma di lavoro. La piattaforma, dopo la deposizione del materiale, scende di una quantità pari allo spessore di uno strato. La testina stampante ha due getti, indipendenti tra di loro, che eiettano materiale liquefatto, il quale aderisce e solidifica con lo strato precedente. Il materiale termoplastico (verde) del modello e quello di cera (rosso) del supporto (se richiesto) sono depositati in sequenza e poi si passa alla slice successiva fino alla fine. Il post trattamento consiste nell eliminare il materiale di supporto. Oltre al processo additivo tipico dei sistemi RP interviene un processo sottrattivo, tipico delle macchine CNC, costituito da una fresa che provvede a spianare lo strato appena depositato. Questa combinazione permette di realizzare prototipi molto precisi. Questa è la più precisa delle macchine RP. La precisione è di 13 μm su 23 cm sull asse z e di 25 μm su 15 cm sugli assi x e y. Di seguito sono due esempi di modelli realizzati con la tecnica suddetta, molto utilizzata per la realizzazione di modelli per stampi in silicone e di modelli per fusione (gioielleria). Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei Conegliano - Pag. 6
7) Fused Deposition Modelling (FDM) Questa tecnica RP, detta modellazione a deposizione fusa fa uso di fili e barrette di materiale termoplastico, deposto su un vassoio da una testina capace di muoversi lungo 3 assi x, y e z. Le sezioni (slicing) sono realizzate strato su strato tramite estrusione e deposizione del materiale allo stato fuso e non tramite polimerizzazione. I materiali utilizzati sono a basso punto di fusione, come ABS, elastomeri, cera, policarbonato. Il processo è tutto automatico, così come l'eventuale generazione dei supporti, spesso creati a nido d'ape per alleggerire la struttura. Alla fine della lavorazione il prototipo non richiede di ulteriori trattamenti fuorché l'eliminazione dei supporti ove non necessari. I modelli realizzati hanno resistenza elevata e buona precisione dimensionale. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei Conegliano - Pag. 7
ATTREZZAGGIO RAPIDO (RT) Col termine attrezzaggio rapido si intende l insieme di tecniche finalizzate alla costruzione, in tempi brevi, delle attrezzature destinate alla realizzazione dei prototipi (pre-serie) in alternativa allo stampo di alluminio fresato. Tra le applicazioni industriali, ricordiamo: - Inserti per stampi per l iniezione della cera per ottenere modelli per microfusione - Inserti per stampi destinati all iniezione, soffiaggio, termoformatura delle resine termoplastiche - Gusci per la microfusione Una delle applicazioni più importanti è la realizzazione di modelli e casse d anima per la fusione in terra in tempi ridotti rispetto a quelli dei metodi tradizionali. Poiché l attrezzatura prototipale non viene sottoposta alle stesse sollecitazioni meccaniche termiche che gli stampi definitivi in acciaio devono sopportare, essa è utilizzata per produzioni limitate. Il contemporaneo impiego delle tecniche RP e RT consente risparmi economici e tempi di consegna ridotti, che possono arrivare fino al 70 %. Le tecniche di attrezzaggio rapido possono essere classificate come segue: - Di tipo diretto, se consentono la costruzione di attrezzature utilizzando direttamente le macchine di prototipazione rapida; - Di tipo indiretto, quando si combina il prototipo rapido con processi convenzionali per ottenere l attrezzatura. Il prototipo dell attrezzatura, prima di essere messo in opera, subisce operazioni di finitura superficiale, di realizzazione degli angoli di spoglia ecc. 1) Tecniche dirette di attrezzaggio rapido Alcuni processi industriali, come SLA, SLS, FDM, possono generare inserti per stampi garantendo un limitato numero di componenti, approssimativamente da 50 a 100 pezzi. Nella figura seguente sono rappresentati inserti sinterizzati. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei Conegliano - Pag. 8
2) Tecniche indirette di attrezzaggio rapido Di seguito sono presentati i metodi industrialmente più diffusi. - Stampi in silicone Per ottenere lo stampo in gomma si parte dal prototipo, sul quale vengono inseriti gli sfiati ed i canali di colata. Una volta inserito nella cassetta di contenimento, viene colata su di esso la resina siliconica, a pressione atmosferica, precedentemente degassata. Dal successivo indurimento in forno si ottengono stampi siliconici flessibili, auto distaccanti, che permettono di ottenere, mediante operazioni successive di colata o iniezione sottovuoto, particolari anche molto complessi. Nella figura a lato è rappresentato uno stampo in silicone. - Stampi in resina rigida Si utilizzano resine epossidiche per produrre attrezzature su piccola scala. Al vantaggio rappresentato dalla possibilità di realizzare stampi relativamente grandi con bassi investimenti di capitale, si contrappongono la limitata resistenza alle alte temperature e la scarsa conducibilità termica. Garantiscono durate fino a 500 stampate, iniettando materiali termoplastici, oppure fino a 1000 copie di modelli in cera per microfusione. - Stampi in lega basso fondente Gli stampi si realizzano con leghe di bismuto con basso punto di fusione (20 330 C), con possibilità di essere fuse utilizzando acqua calda. Hanno la rara proprietà di espandersi durante la fase di solidificazione (3,3 % del suo volume), sono di facile manipolazione, con proprietà diamagnetiche e vengono colate in maniera del tutto analoga ai materiali siliconici e in resina rigida. Per la loro scarsa dilatazione, sono in grado di riprodurre perfettamente i dettagli e la finitura della superficie. Gli stampi ottenuti non necessitano di operazioni di finitura. Nella figura a lato è rappresentato uno stampo in lega basso fondente. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei Conegliano - Pag. 9
- Stampi ottenuti con il metal sprayng Con il processo di metallizzazione a spruzzo, si spruzza una lega basso fondente di zinco o di alluminio direttamente sul prototipo, avendolo preventivamente ricoperto di una sostanza distaccante. Le particelle fuse vengono atomizzate da un getto d aria compressa e successivamente accelerate, colpendo la superficie del modello. Dalla loro solidificazione si forma una copertura (guscio metallico), spessa alcuni millimetri. Per migliorare la resistenza meccanica del guscio, viene rinforzato con resina epossidica caricata con particelle metalliche che aumentano la conducibilità termica. Il processo offre il grande vantaggio della rapidità di esecuzione (15 minuti per ricoprire una superficie di 900 cm 2, spessa 1,5 mm<9 ma scarsa durata degli stampi per lo sfaldamento e la rottura dello strato metallico. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei Conegliano - Pag. 10