Tecniche additive

Tecniche di prototipazione
rapida
Definizione
• Prototipazione rapida (RP): classe di
tecnologie che consentono di costruire
modelli fisici anche complessi partendo
direttamente dalle rappresentazioni
CAD 3D degli stessi. La fabbricazione
avviene per progressiva
sovrapposizione di materiale secondo
sottili sezioni (layer) che concorrono a
formare l’oggetto.
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Layer Manufacturing
Confronto
• Lavorazioni tradizionali:
Modello CAD
Layer
Modello fisico
– Tempi elevati per avviare la
lavorazione (elaborazione
CAM, preparazione delle
macchine e degli utensili)
– Tempi di lavorazione
relativamente brevi
– Operano per asportazione di
materiale
– Richiedono buona
preparazione tecnica
• Lavorazioni RP:
– Tempi molto brevi per
avviare la lavorazione
(preparazione del modello
CAD)
– Tempi di lavorazione
relativamente lunghi
– Operano per addizione di
materiale
– Richiedono minima
preparazione tecnica
Dispositivo mobile
di fabbricazione
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Applicabilità delle tecniche RP
• Il RP è adatto alla produzione di pochi pezzi
di cui si richiede la disponibilità in tempi
brevi (non produzione in serie)
Tempo
Lavorazioni tradizionali
Lavorazioni RP
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100
1000
Caratteristiche delle tecniche RP
– I tempi di fabbricazione non dipendono dalla
complessità geometrica
– E’ possibile ottenere con facilità geometrie
altrimenti di difficile realizzazione
– Le dimensioni dei pezzi sono contenute
– La scelta dei materiali è limitata
– Precisione dimensionale e finitura sono
normalmente inferiori a quelle conseguibili con
lavorazioni tradizionali
Quantità pezzi
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Principio di funzionamento
File CAD 3D
• Importazione e preparazione
del modello CAD 3D
• Impostazione e svolgimento
della lavorazione RP
• Lavorazioni secondarie sul
prototipo fisico
Prototipo finito
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Preparazione della lavorazione
• Preparazione:
–
–
–
–
–
–
Controllo ed eventuale correzione del modello .stl
Scelta orientazione rispetto al piano di fabbricazione
Disposizione delle parti sul piano di lavoro
Eventuale aggiunta di supporti e rinforzi
Generazione delle sezioni del modello (slicing)
Trasferimento alla macchina RP
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Finitura del prodotto
• La maggioranza delle tecnologie RP richiede
una serie di interventi e lavorazioni successive
sul prototipo prodotto per renderlo pienamente
utilizzabile e migliorarne le caratteristiche:
–
–
–
–
Distacco dal piano di lavorazione
Rimozione supporti
Finitura superficiale
Trattamenti rinforzanti, impermeabilizzanti, estetici,
etc.
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Preparazione della lavorazione
• Importazione: formato di
scambio “.STL”. Il solido
viene rappresentato da una
griglia (mesh) di triangoli che
ne approssima le superficie.
Infittendo il numero di
triangoli si migliora la
corrispondenza tra il modello
.stl e quello originario ma si
aumentano le dimensioni del
file, cosa che può rallentare
le successive operazioni.
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IMPOSTAZIONE E SVOLGIMENTO
LAVORAZIONE RP
• Impostazione parametri di lavorazione (ad es.
spessore delle layer, velocità e percorso dei
dispositivi di lavorazione)
• Preparazione della macchina per la lavorazione
(ad es. caricamento materiale, raggiungimento
condizioni di processo, etc.)
• Fabbricazione automatica del modello
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Campi di applicazione
• Le tecnologie RP sono adatte ad
applicazioni di:
– Fabbricazione rapida di prototipi
– Rapid Tooling
– Rapid Manufacturing
– Replica di forme preesistenti (in combinazione
con le tecniche di Reverse Engineering)
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Prototipazione Rapida
• L’impiego principale e originario delle tecnologie
RP consiste nella realizzazione di modelli fisici di
prodotti in fase di sviluppo (prototipi), in modo da
consentire una migliore comunicazione e da
eseguire verifiche di progetto (aspetto,
assemblaggio, funzionalità). Il termine “rapido” fa
riferimento alla facilità di realizzazione del
prototipo (dal CAD al prototipo) ed ai tempi brevi
in cui esso può essere reso disponibile.
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Prototipazione Rapida
• Vantaggi:
– Si migliora la fase iniziale di progettazione, riducendo al
minimo la possibilità di riscontrare errori nelle fasi
successive di sviluppo, quando le modifiche diventano
più dispendiose in termini di tempi e costi (si riducono i
tempi di immissione sul mercato, si riducono i difetti del
prodotto finale)
– Si migliora la comunicazione:
• tra i settori dell’azienda interessati allo sviluppo del
prodotto, in modo che essi possano lavorare
parallelamente piuttosto che in successione (concurrent
engineering)
• con i committenti
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Rapid Tooling
• Fabbricazione di utensili, in particolare
stampi, per mezzo dell’ausilio di
tecnologie RP. Il Rapid Tooling può
essere:
– Indiretto: si impiegano le tecnologie RP per
generare modelli ed anime necessarie alla
realizzazione di stampi
– Diretto: si impiegano le tecnologie RP per
generare direttamente stampi o parti di essi
(inserti)
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Rapid Tooling
• Modelli RP (ad es. in resina) per realizzare
forme in sabbia
• Modelli RP (ad es. in resina) per realizzare
stampi in silicone
• Modelli RP a perdere (ad es. in resina o
carta) per realizzare conchiglie in
materiale ceramico sull’esempio delle
tecniche di microfusione
• Stampi o inserti in metallo prodotti con
tecnologie RP per lo stampaggio ad
iniezione di termoplastiche
• Stampi in sabbia prodotti con tecnologie
RP per fusione
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Rapid Tooling
• Esempio di creazione di stampo in sabbia per
colata di metalli
modello
• Esempio di stampo
in metallo per lo
stampaggio di
termoplastiche
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Rapid Manufacturing
• Realizzazione con tecnologie RP di
parti finali direttamente utilizzabili. Visto
il numero molto ridotto di parti
producibili, tale applicazione è adatta
per pezzi unici, ad esempio protesi
mediche personalizzate, componenti di
apparecchiature scientifiche specifiche,
pre-serie.
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Replicazione di prodotti esistenti
• Si tratta di una particolare applicazione non
completamente ascrivibile alle precedenti.
Con tecniche di Reverse Engineering si
acquisisce il modello CAD di un oggetto
preesistente (ad es. oggetti storico-culturali,
parti anatomiche umane), il quale può
essere successivamente riprodotto con
tecnologie RP
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Tecnologie RP
• Fermo restando il principio di fabbricazione per
sovrapposizione di layer solide, comune a tutte
le tecnologie RP, ciascuna di esse può essere
singolarmente caratterizzata da:
– Stato iniziale del materiale (liquido, polvere, laminato,
etc.)
– Modalità di realizzazione delle layer solide (fotopolimerizzazione, sinterizzazione, estrusione, etc.)
– Tipologie di materiali impiegati (resine,
termoplastiche, metalli, sabbie, carta, etc.)
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Tecnologie RP
Stereolitografia
• Principio di
fabbricazione: resina
liquida che polimerizza
al passaggio di una
luce laser UV
• Materiali: fotopolimeri
(proprietà diverse dai
termoplastici)
• Applicazioni: prototipi
concettuali, modelli per
applicazioni fusorie
•
•
•
•
Stereolitography (SLA)
Selective Laser Sintering (SLS)
Laminated Object Manufacturing (LOM)
Litografia ottica o Solid Ground Curing
(SGC)
• Fused Deposition Modeling (FDM)
• 3D/Inkjet Printing
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Sinterizzazione laser
Costruzione per laminazione
• Principio di fabbricazione:
materiale finemente
polverizzato che viene
aggregato per effetto
termico da una luce laser
(sinterizzazione)
• Materiali: termoplastiche,
metalli, sabbie
• Applicazioni: prototipi
concettuali e funzionali,
stampi, parti finali.
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• Principio di
funzionamento: fogli di
materiale laminato su cui
un laser taglia la sezioni,
le quali vengono incollate
le une sulle altre
• Materiali: carta, carta
speciale, plastica
• Applicazioni: prototipi
concettuali, modelli per
applicazioni fusorie
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Costruzione per laminazione
Litografia ottica
• Principio di
funzionamento: resina
liquida che polimerizza
per effetto di una luce
UV, proiettata
attraverso un vetro su
cui è impresso il
negativo della layer
• Materiali: fotopolimeri
• Applicazioni: prototipi
concettuali
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Litografia ottica
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Litografia ottica
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Deposizione
Deposizione
• Principio di funzionamento:
una termoplastica riscaldata
viene estrusa attraverso una
testina mobile e depositata a
formare progressivamente il
layer
• Materiali: termoplastiche,
cera
• Applicazioni: prototipi
concettuali, funzionali,
modelli in cera microfusione,
parti finali
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Deposizione
3D/INKJET Stampaggio
• Principio di funzionamento:
del materiale legante viene
spruzzato insieme o sopra un
materiale in polvere da una
testina mobile in modo da
realizzare progressivamente
la layer; può essere richiesto
un successivo ciclo in forno
• Materiali: termoplastiche,
farina, gesso
• Applicazioni: prototipi
concettuali e funzionali
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3D INKJET
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Esempi
• Prototipo SLA di guscio per telefonino con
prova di assemblaggio
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Esempi
• Modello SLA di corpo pompa prodotto
con tecnica Quickcast per
microfusione
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Esempi
• Tecnica di microfusione a partire da un
modello SLA tipo Quickcast
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Esempi
• Applicazioni medicali della stereolitografia
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Esempi
• Impiego di un inserto SLS per lo
stampaggio di un particolare in plastica
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Esempi
• Inserti per stampi realizzati con tecnologia SLS
di polveri metalliche
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Esempi
• Esempio di inserto mobile SLS con canali di
raffreddamento conformati
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