metodi di prototipazione rapida e attrezzaggio rapido

Classe 5^ - Tecnologie mecc. di proc e prod. - UdA n° 2: Macchine utensili a controllo numerico - Prototipazione rapida
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.
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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)
2)
3)
4)
Sviluppo del modello con CAD
Elaborazione CAM per tradurre il modello in slice (fette)
Liquido che polimerizza passando allo stato solido in presenza di luce laser
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.
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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 CO2 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
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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.
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Muovendosi da SX a DX il cilindro
raccoglie la polvere
Il rullo stende un sottile strato di
polvere sul pistone di costruzione
Mentre si muove da DX a SX la
cartuccia stampa la sezione del pezzo
Il rullo scarica la polvere in
eccesso nel canale di raccolta
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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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 cm2, spessa 1,5 mm<9 ma scarsa durata degli
stampi per lo sfaldamento e la rottura dello strato
metallico.
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