LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA

LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA
Università degli Studi di Trieste Ingegneria dei Materiali – A.A Corso di TECNOLOGIA MECCANICA – Prof. N.Scuor LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Analisi delle differenti tecnologie di Rapid Prototyping A. Cicutto, M.Cocolin, T. Gussetti, M. Nicotra

Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA
Prototipazione rapida (Rapid Prototyping) Cos’è? E’ una serie di sistemi che partendo da una definizione matematica specificata su un CAD 3D e utilizzando processi rapidi, flessibili e altamente automatizzati riproducono un oggetto a prescindere dalla sua complessità tramite tecniche additive PUNTI DI FORZA TEMPI RIDOTTISSIMI PROTOTIPO IN UN’AMPIA GAMMA DI MATERIALI FORME E GEOMETRIE COMPLESSE

PERCHE’? Da sempre c’è bisogno di utilizzare un piano bidimensionale per comunicare idee prima di tradurle in pratica MA No certezza su fedeltà del modello sullo schermo rispetto a rappresentazione del concreto La prototipazione rapida ha obiettivo di sfondare questa barriera Trasformare fuggevoli immagini sullo schermo in un oggetto solido e concreto

Da idea pioneristica di CHARLES W.HULL (1982) nasce 3D SYSTEM INC. (Società americana leader nel settore) Diffusione di sistemi CAD Continue ricerche scientifiche Favorito sviluppo di tecnologie sempre nuove e diverse Selective laser sintering Fused deposition modeling Laminated object manufacturing

Ora il processo viene utilizzato da realtà industriali di piccola/media dimensione - tempi di lavorazione minori - tolleranze dimensionali inferiori - finitura superficiale sempre migliore - resistenze dei modelli PR a condizioni climatiche variabili e a sollecitazioni meccaniche, termiche e chimiche sempre più forti - macchine di PR sono di semplice impiego - disponibilità di vasta gamma di materiali per produzione

Trasformazione del mercato da anni ’70 a oggi ha imposto: - crescita del numero di varianti - progressiva riduzione del ciclo di vita del prodotto - incremento complessità prodotto - contenimento tempi di consegna FATTORE PIU’ IMPORTANTE

Le tecniche di Rapid Prototyping Si parte da PROTOTIPO: primo elemento di una serie Durante lo sviluppo di un prodotto vengono realizzate le seguenti tipologie di prototipo: Concettuali Funzionali Tecniche Preserie FUNZIONE: verifica funzionale, la valutazione dei costi, la valutazione di tempi di flusso e della risposta del mercato

Tecnologia tradizionale Fabbricazione prototipi affidata a modellisti (operazioni manuali) Costi elevati Tempi lunghi VS Incompatibilità con esigenze delle aziende di ridurre i tempi di immissione sul mercato e di ridurre i costi Ricorso a Prototipazione rapida

Rapid prototyping: si intende un insieme di processi che realizzano modelli e componenti per l’addizione di materiale layer by layer a partire da un modello matematico 3D Le macchine di PR ricostruiscono l’oggetto che rappresenta l’oggetto matematico di partenza fabbricando strati successivi di materiali costituiti volta per volta da liquidi, polveri, fili o laminati Tecnica nota anche come Layer Manufacturing

Le fasi del processo di Rapid Prototyping

Prototipo viene disegnato a CAD Utilizzo modellatore 3D solido o superficiale (particolare attenzione a chiusura e connessione di tutte le superfici per evitare gap o sovrapposizioni) Modello CAD viene elaborato in un sistema compatibile con il software di gestione della macchina PR. Attualmente si utilizza l’STL (solid to layer) Prevede la tasselizzazione della superficie interna ed esterna del pezzo attraverso elementi triangolari. L’approssimazione conterrà un errore che può essere valutato misurando la distanza tra baricentro del triangolo e la superficie originaria. E’ possibile infittire il numero di triangoli per avere l’approssimazione richiesta

Per ogni triangolo sono indicate le 3 coordinate spaziali dei 3 vertici ed i 3 coseni direttori della normale esterna della superficie. Triangolarizzazione è procedimento che può essere sempre effettuato all’interno dell’ambiente CAD Ottengo file in formato STL che viene elaborato dalla macchina per le Successive fasi di: -Orientamento del pezzo -Generazione dei supporti -Slicing

Esempio di file STL

Prima fase: consente di selezionare la direzione di “crescita” ottimale del prodotto (influenza precisione dimensionale prodotto, finitura superficiale, tempi e costi di produzione); Seconda fase: necessario per alcune tecniche, per sostenere eventuali parti a sbalzo; Terza fase: Slicing

Slicing: uniforme: dando origine a strati di spessore costante adattativo: spessore viene scelto in funzione della curvatura superficiale, per limitare al massimo l’aspetto a gradini della superficie esterna (ho precisione migliore) Le sezioni che vengono costruite in successione dalla macchina RP hanno spessori che variano da 0.05 a 0.5 mm a seconda della tecnologia utilizzata. Dopo queste operazione il modello viene generato dalla macchina e il pezzo viene rifinito manualmente e se necessario sottoposto a post-trattamenti per migliorarne le caratteristiche

Un esempio di RP (FDM)

Tecniche di prototipazione rapida

Schematizzazione delle tecniche di RP

La Stereolitografia (SLA): è la prima e la più importante tecnica RP diffusa a livello commerciale; coinvolge 4 diverse tecnologie: laser ottica chimica dei fotopolimeri software

La Stereolitografia (SLA): Prevede 4 fasi principali: Preparazione della Work Station (ev. predisposizione supporti modello); Costruzione: localizzazione di fascio laser tramite sistema ottico (ctrl calcolatore); polimerizzazione di resina epoxy LIQUIDA: si ottengono particelle solide; movimentazione del piano di focalizzazione: realizzazione di una sezione; allontanamento della sezione con elevatore (Δh pari a spessore sezione); copertura della sezione con del polimero tramite un sistema di precisione; rifocalizzazione del laser e nuova movimentazione della work station;

Pulizia; Post trattamento: esposizione a lampada UV di Green Part*: cottura del crudo e completamento della polimerizzazione eventuale finitura superficiale (eliminazione delle porosità con abrasivi o vernici); *Green Part VS Red Part: Allo scopo di ridurre i tempi di produzione, il laser non viene utilizzato per polimerizzare l’intera sezione ma solo i profili interni ed esterni nonché dei collegamenti tra di essi. Parte del polimero rimane allo stato liquido. Si ottiene così la Green Part o crudo, di consistenza insufficiente e la cui polimerizzazione viene poi completata ottenendo la Red Part.

Schema del processo di SLA

Il processo SLA

Esempio di produzione tramite SLA a partire da file STL o CAD

Esempio di RP SLA

La Stereolitografia (SLA): Caratteristiche del fotopolimero elevata reattività alla luce laser; viscosità stabile e controllabile; limitata volatilità; limitata tossicità; basso ritiro; bassa energia di attivazione; buone proprietà meccaniche dopo la polimerizzazione.

Polyjet: paragonabile ad una stampa a getto (inchiostro = fotopolimero); descrizione del processing: acquisizione file STL o CAD; slicing; deposizione selettiva (testina multijet); esposizione UV; traslazione della work station; NB: terminata la realizzazione delle varie sezioni del modello, si effettua una eventuale finitura manuale; non è necessario nessun tipo di post trattamento (cfr SLA), in quanto il polimero viene fatto reticolare subito dopo la sua deposizione.

Schema del processo Polyjet

Il processo Polyjet

Esempio di Polyjet (macchina e prodotti)

MJM (Multi Jet Modeling): paragonabile ad una stampa a getto (inchiostro = polimero termoplastico liquefatto – solidifica aderendo allo strato precedente); descrizione del processing: posizionamento della testina sulla work station; deposizione di un primo strato di polimero e movimentazione testina sul piano x-y; movimentazione della work station (asse z) e inizio deposizione di una nuova sezione; NB: il processo descritto viene ripetuto fino al completamento del modello, che non necessita di finiture successive e può essere subito utilizzato.

Schema del processo MJM

Drop On Demand (DOD): è una stampa 3D; è simile alla MJM come processing e materiali impiegati. La differenza principale consiste nel numero delle testine della macchina (due, o due gruppi in questo caso); non necessita di nessuna preparazione della workstation ( i supporti per il modello vengono generati dalla macchina stessa. Si prevede l’utilizzo di più materiali e testine indipendenti); si depone prima il materiale di costruzione e poi quello di supporto;

Schema del processo DOD

Laser sintering: È un processo che sfrutta la sinterizzazione di POLVERI, siano esse metalliche, polimeriche o ceramiche. Prevede a livello del processing diverse fasi: Deposizione della polvere, pressata (tramite rullo) su tutta la workstation; Sinterizzazione laser della polvere; Allontanamento dell’ elevatore; Terminata la fase di sinterizzazione, la Red Part viene estratta e pulita dalla polvere non sinterizzata, che può essere facilmente rimossa anche da eventuali cavità del modello.

Schema del processo Laser SIntering

Schema 3D del processo Laser SIntering

Il processo SLS

Laser sintering: caratteristiche di processo la camera di lavoro è ad atmosfera inerte e a temperatura controllata (T ≈ Tf per diminuire energia necessaria alla sinterizzazione e compensare i ritiri volumetrici); laser a CO2, potenza tra 50 e 250 W; non sono necessari supporti: la polvere sostiene sé stessa; si effettua per polveri ceramiche e metalliche un post-trattamento per incrementare le proprietà meccaniche del modello; la finitura non viene effettuata per abrasione, ma per infiltrazione di cera o con vernici epoxy per eliminare le porosità; è necessario un laser più potente, ma i materiali sono ATOSSICI e non solo di natura polimerica

Fused Deposition Modelling (FDM): - Unico sistema che impiega fili e barrette di materiali differenti per costruire il prototipo; Il cuore del sistema è la testa di estrusione che fonde il materiale e lo deposita in strati sottili tramite un ugello calibrato. La testa si muove nel piano per generare il contorno della sezione; La prima sezione viene realizzata su un supporto che si muove verticalmente; La testa di estrusione dopo aver realizzato i perimetri interno ed esterno riempie lo spazio compreso (incremento le proprietà meccaniche);

Fused Deposition Modelling (FDM): - Non sono richiesti post-trattamenti; - Il controllo della temperatura della testa e della zona di lavoro sono fondamentali; - Processo “pulito” e la stazione di lavoro può esser installa vicino a un CAD; - Vengono impiegati materiali a basso punto di fusione (cera, ABS, lega ABS-metacrilato).

Il processo FDM

Laminazione di fogli di carta (LOM): Tecnica idonea a costruire prototipi di grandi dimensioni; Progressivo incollaggio di fogli di carta sui quali viene dopo ricavata la sezione del pezzo mediante taglio meccanico o laser; Processing: - incollaggio e taglio delle sezioni: fase di costruzione del prototipo, si ottiene un parallelepipedo di materiale stratificato dal quale si deve estrarre il pezzo (materiale in eccesso viene tolto manualmente con utensili). La carta in eccesso alla sezione tagliata funge da supporto;

- finitura: ottengo un pezzo con aspetto esterno e consistenza simile al compensato, però presenta una forte anisotropia lungo la direzione perpendicolare a quella di costruzione (pericolo delaminazione). Un trattamento con tela abrasiva permette di ottenere buone finiture superficiali, però è meglio effettuare un ulteriore trattamento impermeabilizzante con vernice per evitare deformazioni causate dall’ umidità.

Schema del processo

Il processo LOM

3D Printing: Tecnologia sviluppata presso il M.I.T. di Boston per la produzione di gusci ceramici, recentemente usata per la produzione di elementi metallici e nella modellazione concettuale; Comprende numerose tecnologie per la prototipazione attraverso l’ utilizzo di polveri ceramiche, di cellulosa e metalliche; Le operazioni necessarie sono simili a quelle della sinterizzazione laser e si differenziano per il metodo di unione delle polveri (viene usato un colante spruzzato con la tecnica della stampa a getto d’inchiostro);

Caratteristiche del sistema di incollaggio: la soluzione spruzzata deve contenere un’alta percentuale di collante e bassa viscosità; la soluzione deve esser conduttiva per agevolare il lavoro della testina di stampa; il collante deve esser fatto asciugare rapidamente prima di applicare un secondo strato di polvere. Vengono effettuati post-trattamenti di tipo combinato chimico e termico per evitare disgregazioni e migliorare le caratteristiche meccaniche (infiltrazioni per garantire compattezza)

Schema del processo

Selective Laser Melting: La fusione selettiva con laser è una variante rispetto alla classica sinterizzazione selettiva con laser, le differenze sono: Utilizzo una polvere metallica integrale senza aggiunte di elementi bassofondenti; Bisogna fornire una densità di energia molto elevata per fondere la polvere (sorgente laser a elevata potenza) Ottengo un elemento massivo ad elevata densità

deposizione, pressatura e livellatura della polvere metallica sulla tavola di costruzione della macchina; il laser, focalizzato tramite un sistema di specchi nel paino X-Y, fonde in modo selettivo le particelle metalliche realizzando la sezione desiderata e facendola aderire alla precedente. Nella camera viene addotto un gas inerte per evitare l’ossidazione del materiale; l’elevatore viene abbassato di una quantità corrispondente allo spessore dello strato e il processo riprende fino alla completa realizzazione del pezzo. Processing:

Al termine l’elevatore viene sollevato per estrarre il prototipo, la cui superficie può esser migliorata sia tramite pallinatura che tramite la classica finitura manuale. Schema del processo

Electron Beam Melting: L’ electron beam melting è una variante rispetto alla classica sinterizzazione selettiva con laser, le differenze sono: Utilizzo una polvere metallica integrale senza aggiunte di elementi bassofondenti; Bisogna fornire una densità di energia molto elevata per fondere la polvere (sorgente Electron Beam) Ottengo un elemento massivo ad elevata densità

deposizione, pressatura e livellatura della polvere metallica sulla tavola di costruzione della macchina; il fascio di elettroni, focalizzato tramite un sistema di specchi nel paino X-Y, fonde in modo selettivo le particelle metalliche realizzando la sezione desiderata e facendola aderire alla precedente. Nella camera viene eseguito il vuoto per evitare l’ossidazione del materiale; l’elevatore viene abbassato di una quantità corrispondente allo spessore dello strato e il processo riprende fino alla completa realizzazione del pezzo. Processing:

Al termine l’elevatore viene sollevato per estrarre il prototipo, la cui superficie può esser migliorata sia tramite pallinatura che tramite la classica finitura manuale. Schema del processo

Rapid tooling (RT)

INDISPENSABILE PER ESSERE COMPETITIVI
Corso di TECNOLOGIA MECCANICA LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Rapid tooling (RT): Insieme di tecniche mirate alla realizzazione in brevi tempi di attrezzature per pre-serie; L’attrezzatura prototipale non viene sottoposta alle sollecitazioni meccaniche e termiche dello stampo definitivo in acciaio; Permette risparmi economici fino al 70% nonché riduce i tempi di produzione; Elevata diffusione a livello industriale; INDISPENSABILE PER ESSERE COMPETITIVI

Rapid tooling (RT): Tecniche Le tecniche RT si dividono in: Tecniche per la produzione di stampi leggeri SOFT TOOLING (produzione: centinaia di unita, tempi brevi); Tecniche per la produzione di stampi rigidi HARD TOOLING (produzione: pezzi o oltre, tempi più lunghi);

Rapid tooling (RT): Tecniche Le tecniche RT si suddividono in: Tecniche di tipo DIRETTO = la macchina produce direttamente l’attrezzatura; -Tecniche di tipo INDIRETTO = si combina il prototipo rapido con processi tradizionali per ottenere l’attrezzatura;

Rapid tooling diretto: Permette la costruzione dell’attrezzatura idonea alla realizzazione di: Inserti per stampi per iniezione di cera (microfusione); Inserti per stampi destinati all’iniezione, soffiaggio o termoformatura di resine termoplastiche; Stampi per imbutitura di lamiera;

Rapid tooling diretto: processi utilizzati SLA, SLS e FDM: possono generare inserti per stampi da cera garantendo un numero limitato di iniezioni; SLS di miscele metalliche, Selective Laser Melting ed Electron Beam Melting (generazione di inserti per iniezione di polimeri pezzi - o per pressocolata – 50/100 elementi);

Rapid tooling indiretto: Sviluppato contemporaneamente alle macchine RP; I metodi più diffusi sono: Stampi in silicone; Spin Casting; Stampi in resina rigida; Stampi in lega bassofondente; Stampi ottenuti tramite metal spraying; Processo KelTool

Stampi in silicone: Stampi flessibili per la realizzazione di un numero limitato di particolari in materiale prox a quello definitivo da destinare a prime verifiche funzionali; Uso di attrezzature in resina siliconica flessibile e autodistaccante, per particolari anche molto complessi = contenimento dei costi; Processing: realizzazione di prototipo dotato di sfiati e canali di colata; posizionamento del prototipo in una cassetta di contenimento; si esegue la colata di resina precedentemente degasata; si effettua un secondo degasaggio; cottura in forno;

Esempio di stampo in silicone

Spin Casting: Per produzione di stampi flessibili in silicone impiegati per colata di leghe a base di Zinco con Tf = 500°C; Processing Stampo: asportazione manuale di parte di dischi di silicone non vulcanizzato per realizzare l’alloggiamento del modello; inserimento del master; chiusura dello stampo; vulcanizzazione dello stampo mediante pressa riscaldata; apertura dello stampo e realizzazione dei dispositivi di colata (canali, materozze, sfiati);

Spin Casting: Lo stampo realizzato viene disposto in una macchina per colata centrifuga per ottenere un’efficace riempimento; completato il raffreddamento, i particolari vengono estratti. NB: si potrebbero impiegare tutti i materiali colabili, ma si usano per lo più leghe di Zn, come nell’esempio seguente, o PU (Poliuretani)

Stampi in resina rigida: Uso di resine additivate, generalmente Epoxy; Sistema diffuso per produzione di attrezzature su piccola scala; Realizzazione di stampi di grandi dimensioni, con attrezzature e capitali minimi; Limitata resistenza ad alte temperature; Scarsa conducibilità termica; Restrizione del campo di applicazione

Esempio di stampo in resina rigida

Stampi in lega bassofondente: Uso di leghe bassofondenti (max 300°C); Leghe generalmente a base di Bismuto, che si espande solidificando (exp. 3,3% vol.): permette la produzione leghe insensibili al ritiro (con T fusione tra i 20 e 300°C); Possono essere fuse addirittura in acqua calda = facile manipolazione VANTAGGI: Materiale di basso costo e riutilizzabile Assenza di ritiro; Semplicità di utilizzo viste le basse temperature di fusione;

Esempio di stampo in lega leggera

Stampi ottenuti con metal spraying: spruzzatura di metallo liquido sul prototipo, previa deposizione di distaccante, formando un rivestimento superficiale; Processing: Il processo viene ripetuto fino ad ottenere un guscio di qualche mm; si usano leghe a base di Zn ed Al. - Il materiale viene fuso con sistema di spruzzatura ad arco (alimentazione con 2 bobine di filo me alle cui estremità viene fatto scoccare l’arco); Le particelle fuse vengono accelerate da un getto di aria compressa; Le particelle colpiscono la superficie e solidificano;

Processo KelTool: Tecnica per la produzione di attrezzatura in materiale definitivo con tolleranze dimensionale, rugosità superficiale e durezza paragonabili ad uno stampo in acciaio; Punto di partenza: matrice e punzone realizzati tramite SLA; la bontà di questa prima fase condiziona tutte le successive; Processing: Produzione di una replica siliconica temporanea; Riempimento della cavità con miscela di polveri Me + legante; Estrazione della matrice Me dallo stampo; Sinterizzazione ed infiltrazione di Rame per aumentare la densità; Esecuzione di eventuali trattamenti termici;

KelTool: stampi e prodotto finale

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