Università degli Studi di Trieste Ingegneria dei Materiali – A.A. 2005-2006

1. Università degli Studi di Trieste Ingegneria dei Materiali – A.A. 2005-2006 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

2. 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

3. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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

4. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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

5. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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

6. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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

7. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA • 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

8. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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

9. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA 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

10. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Le fasi del processo di Rapid Prototyping

11. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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

12. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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

13. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Esempio di file STL

14. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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

15. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA • 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

16. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Un esempio di RP (FDM)

17. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Tecniche di prototipazione rapida

18. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Schematizzazione delle tecniche di RP

19. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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

20. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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;

21. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA • 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 PartVSRed 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.

22. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Schema del processo di SLA

23. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Il processo SLA

24. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Esempio di produzione tramite SLA a partire da file STL o CAD

25. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Esempio di RP SLA

26. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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.

27. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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.

28. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Schema del processo Polyjet

29. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Il processo Polyjet

30. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Esempio di Polyjet (macchina e prodotti)

31. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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.

32. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Schema del processo MJM

33. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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;

34. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Schema del processo DOD

35. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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.

36. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Schema del processo Laser SIntering

37. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Schema 3D del processo Laser SIntering

38. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Il processo SLS

39. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Il processo SLS

40. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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

41. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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);

42. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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).

43. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Il processo FDM

44. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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;

45. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA - 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.

46. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Schema del processo

47. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Il processo LOM

48. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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);

49. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 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)

50. Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA Schema del processo