Prototipazione Rapida Prof. Maurizio Muzzupappa LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA 1. INTRODUZIONE Laprototipazione rapida (RP) è una tecnologia innovativa che rende possibile, in poche ore e senza l'ausilio di utensili, la produzione di oggetti di geometria comunque complessa, direttamente dal modello matematico dell'oggetto realizzato su di un sistema CAD tridimensionale. All'idea del progettista viene dapprima data una consistenza virtuale con i sistemi di rappresentazione grafica computerizzata e poi rapidamente una consistenza fisica grazie ai sistemi RP. La tecnologia si basa sulla considerazione che ogni elemento può essere pensato come unione di tante sezioni di spessore infinitesimo. Il prototipo viene così realizzato sezione dopo sezione, trasformando in tal modo il problema tridimensionale in bidimensionale. Il processo di realizzazio ne dell' elemento consta di tre fasi principali: determinazione di un numero di sezioni con spessore finito ∆s dal modello CAD 3D; realizzazione della prima sezione; costruzione delle successive sezioni che verranno fatte aderire alla precedente. Gli elementi sono dunque ottenuti con la progressiva aggiunta di materia e per tale motivo la tecnologia RP è anche definita tecnica di produzione per piani o strati ( layermanufacturing) e si contrappone ai metodi di produzione classici che deformano plasticamente il materiale (stampaggio, estrusione, ecc.), oppure lo rimuovono (fresatura, tornitura, ecc.), lo aggregano mediante saldatura oppure lo formano partendo dal liquido (fusione, sinterizzazione , ecc.). Campi di applicazione Campi di applicazione • Veicoli Veicoli (Prototipi per fanaleria, parti di carrozzeria, organ i meccanici di tramissione del moto, particolari di motori; Analisi di correttezza e verifica delle sequenze di montaggio dei particolari assemblati Verif iche aereodinamiche in galleria del vento) • Componentistica Componentistica meccanica meccanica • Prodotti in materiale plastico Prodotti in materiale plastico (giocattoli,contenitori,...) • Bio Bio-Medicale Medicale (Attrezzature,protesi,...) • Ceramica Ceramica (Prototipi per verifiche estetiche di decorazioni artistiche in rilievo) • Studi di Design Studi di Design (Analisi estetiche e di ergonomicità) • Stampi e fonderie Stampi e fonderie (Creazione di modelli) Campi di applicazione Campi di applicazione - 1 -
La prototipazione rapida (RP) è una tecnologia innovativa che rende possibile, in poche ore e senzal'ausilio di utensili, la produzione di oggetti di geometria comunque complessa, direttamente dalmodello matematico dell'oggetto realizzato su di un sistema CAD tridimensionale.All'idea del progettista viene dapprima data una consistenza virtuale con i sistemi dirappresentazione grafica computerizzata e poi rapidamente una consistenza fisica grazie ai sistemiRP.La tecnologia si basa sulla considerazione che ogni elemento può essere pensato come unione ditante sezioni di spessore infinitesimo. Il prototipo viene così realizzato sezione dopo sezione,trasformando in tal modo il problema tridimensionale in bidimensionale.Il processo di realizzazione dell' elemento consta di tre fasi principali:
determinazione di un numero di sezioni con spessore finito ∆s dal modello CAD 3D; realizzazione della prima sezione; costruzione delle successive sezioni che verranno fatte aderire alla precedente.
Gli elementi sono dunque ottenuti con la progressiva aggiunta di materia e per tale motivo latecnologia RP è anche definita tecnica di produzione per piani o strati (layer manufacturing) e sicontrappone ai metodi di produzione classici che deformano plasticamente il materiale (stampaggio,estrusione, ecc.), oppure lo rimuovono (fresatura, tornitura, ecc.), lo aggregano mediante saldaturaoppure lo formano partendo dal liquido (fusione, sinterizzazione, ecc.).
Campi di applicazioneCampi di applicazione
• VeicoliVeicoli (Prototipi per fanaleria, parti di
Gli sviluppi di questa tecnologia sono così sintetizzabili:fine anni settanta: gli americani A. Herbert, C. Hull e il giapponese H. Kodama, lavorano in modoindipendente per sviluppare un sistema di solidificazione selettiva di un fotopolimero per costruire
un oggetto tridimensionale per strati successivi;1986: C. Hull brevetta un sistema che battezza stereolitografia; 1986: C. Hull e R. Fried fondano la 3D Systems, azienda destinata alla produzione ed allacommercializzazione delle macchine per la sterolitografia;1986-87: si sviluppa la maggior parte dei sistemi alternativi di prototipazone rapida;1987: la 3D Systems presenta la prima macchina (SLA1) e viene avviato il β test con alcuneaziende interessate alla sperimentazione della stereolitografia;1989: la macchina SLA 250 viene posta in commercio dalla 3D Systems;1991-93: vengono commercializzate le macchine della Cubital, DTM, EOS, Helysys, Stratasys contecnologie alternative alla stereolitografia per la costruzione dei prototipi;1994: la Sanders commercializza la prima macchina RP avente un costo inferiore ai 100.000 $;
1996: la 3D Systems e la Stratasys introducono sul mercato i modellatori concettuali da destinareall' ufficio tecnico.2000: sono più di 4.000 i sistemi RP venduti nel mondo.
3. LE FASI DEL CICLO
Le varie fasi che permettono il passaggio dal modello matematico dell'oggetto definito su di unsistema CAD tridimensionale al prototipo sono le seguenti:
1. trasformazione del modello CAD in un formato compatibile con il software di gestione dellamacchina RP. Lo standard grafico attualmente impiegato è l'STL (solid to layer ) introdotto dallasocietà 3D Systems. Sostanzialmente consiste in una rappresentazione semplificata delle superficiinterna ed esterna del pezzo tramite faccette triangolari che per definizione sono piane.
2. lettura del file .STL da parte del software della macchina RP per l'esecuzione di: Orientamento del pezzo per una costruzione ottimale in termini di precisione dimensionale e
rugosità superficiale; Generazione dei supporti. Operazione necessaria per alcune tecniche, per sostenere le partisporgenti del pezzo. Può avvenire in modo automatico, ma talora si preferisce farla
manualmente al fine di ottimizzare il numero dei supporti che alla fine del processo dicostruzione andranno eliminati;
Orientamento del pezzoOrientamento del pezzo
3. esecuzione 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 diretta lungo la direzione dicostruzione del modello triangolarizzato, per ottenere le singole sezioni che distano fra loro di unadistanza ∆s variabile tra 0,05 e 0,5 mm;
4. definizione del file dati da inviare al calcolatore di gestione della macchina RP consistente nellecoordinate dei punti delle singole sezioni;5. costruzione fisica delle varie sezioni del prototipo sulla macchina RP;6. esecuzione dell' eventuale post-trattamento, operazione necessaria solo per alcuni processi, al fine
di migliorare le caratteristiche meccaniche del prototipo;7. rimozione dei supporti e finitura manuale del pezzo.Le fasi descritte permettono una realizzazione semplice dell'elemento per strati successivi maintroducono due sorgenti di errore: facetting (o sfaccettatura) dovuto all' approssimazione delle superfici con una serie di triangoli.
L' effetto può essere contenuto aumentando il numero di triangoli, appesantendo però il temponecessario all' elaborazione del file .STL;
staircase (o effetto scala) dovuto alla costruzione di sezioni di spessore finito che determinanola rugosità superficiale del particolare. Attualmente i sistemi RP, operano con slicing fisso,pertanto l'effetto risulta amplificato al crescere della curvatura delle superfici mentre sarebbeauspicabile operare con uno slicing adattativo. Per facilitare la finitura manuale del prototipo, la
superficie reale è inscritta all'interno della superficie a scalini dovuta allo slicing.
Gli effetti di queste due sorgenti di errore si sommano ai limiti di precisione della macchina diprototipazione rapida.
4. APPLICAZIONI DELLE TECNICHE DI PROTOTIPAZIONE RAPIDA
Le principali applicazioni delle tecniche di prototipazione rapida possono essere così riassunte: verifica di progetto (prototipi estetici): è stata la prima applicazione ed è relativa alla
fabbricazione di modelli che consentano una verifica immediata del progetto, senza che si
necessario lo sviluppo di attrezzature. Data la facilità con cui si riescono ad ottenere, si possonorealizzare prototipi in momenti diversi della progettazione, al fine di apporre modifiche everificare subito la correttezza dei cambiamenti apportati;
test funzionali (prototipi funzionali): prevedono l' utilizzazione dei sistemi RP per larealizzazione di modelli da destinare a prove fluidodinamiche, di resistenza, di correttoaccoppiamento fra più parti, di assemblaggio ecc.;
costruzione di attrezzaggi rapidi (rapid tooling RT): la produzione di utensili ed attrezzaturerappresenta una delle fasi più lunghe e costose nel ciclo di sviluppo di un nuovo prodotto;pertanto riduzioni di tempo in essa portano ad immediati vantaggi in termini economici. Èopportuno ricordare che errori in questa fase determinano pesanti perdite economiche; il rapid
tooling rappresenta il naturale sbocco delle tecniche di RP.Come evidenziato, le potenzialità di questi nuovi processi sono enormi; ciò ha reso possibile la lorointroduzione in molti ambienti industriali, spaziando da quelli tipicamente tecnici (settori dell'
elettronica, della meccanica) sino a quello dei giocattoli, dell' arte orafa, dei beni per la casa e per l'arredamento.Le tecniche di costruzione rapida sono diventate la maglia che mancava nella catena di definizionedel prodotto, che va dalla modellazione CAD tridimensionale al particolare fisico passando dal suoattrezzaggio, e si integrano perfettamente nelle metodologie della concurrent engineering.
La rapida evoluzione delle prestazioni di tali tecniche, soprattutto in termini di precisione, rugositàdelle superfici e resistenza meccanica, permette attualmente anche l' esecuzione di prove funzionali.
5. STATO DELL'ARTE
In questo paragrafo verranno descritte le principali tecniche di prototipazione rapida. Sidescriveranno nel dettaglio le tecnologie consolidate che attualmente vengono utilizzatenell'industria ed accanto a queste saranno riportati i sistemi basati sulle tecniche emergenti,rappresentati per lo più dai cosiddetti "modellatori concettuali", utilizzati dall'ufficio tecnico perverifiche di progetto e come ausilio al progettista nella fase di sviluppo del prodotto.
6. CLASSIFICAZIONE DELLE TECNICHE DI RP
Le metodologie di prototipazione rapida utilizzano una forma di solidificazione o legame selettivodi particelle liquide o solide, ottenuto tramite polimerizzazione o reazione chimica per aggiungereprogressivamente materia fino a che non si crea l'intero pezzo.È possibile procedere ad una loro duplice classificazione: la prima fa riferimento al materialeutilizzato e la seconda invece considera le modalità con cui si costruisce la forma dell' oggetto.Classificazione secondo il materiale utilizzato.La materia prima può essere utilizzata in tre stati diversi: liquida, polvere, solida.I processi che impiegano il materiale liquido sono ulteriormente divisibili in due gruppi:
quelli che usano fotopolimeri che induriscono per effetto di una radiazione ultravioletta; quelli basati sulla fusione, deposito e risolidificazione di materia (metallo, resinetermoplastiche).
Altri processi usano polveri dove l' unione tra i granelli è ottenuta tramite la fusione lungo l' area dicontatto delle particelle oppure incollandole aggiungendo un opportuno legante. Infine alcunimetodi partono dal materiale solido ridotto in lamine sottili che vengono incollate l' una sull' altra esuccessivamente tagliate fino ad ottenere la forma desiderata.
Classificazione secondo la realizzazione della forma.
Teoricamente la forma del pezzo potrebbe essere ottenuta direttamente nello spazio tridimensionale,tuttavia la maggior parte delle tecniche creano l'elemento sovrapponendo l'uno sull' altro strati(layers) bidimensionali ricavati dall'operazione di slicing del modello matematico.Nelle tecniche a tre dimensioni, ancora in fase di studio, non si richiede espressamente la completacostruzione della parte sottostante prima di proseguire con la zona superiore e ciò conferisce una
particolare libertà di forma e geometria, anche se la fase di programmazione della macchina diventaestremamente lunga e complessa.
7. LE TECNICHE CONSOLIDATE
Di seguito vengono illustrate le tecniche RP ormai consolidate e ampiamente diffuse sul mercato.Queste sono state industrializzate per un impiego sicuro, rapido ed affidabile per soddisfare leesigenze delle aziende coinvolte nel settore, sia dal punto di vista delle aziende che offrono servizidi RP che di quelle che ne utilizzano i prodotti.La caratteristica dei produttori delle macchine RP è un'elevata dinamicità che li porta ad uncontinuo miglioramento delle varie tecniche e allo studio di nuovi materiali nell' ottica dellarealizzazione di prototipi sempre più funzionali.Di ciascun processo sono ormai ben note le prestazioni del prototipo costruito in termini diprecisione dimensionale, di rugosità superficiale e di caratteristiche meccaniche. Questo consente di
poter scegliere con sufficiente consapevolezza la tecnologia che meglio si presta a soddisfare lediverse esigenze.I processi consolidati sono: Stereolitografia (Stereolitography SLA): basata sulla fotopolimerizzazione di una resina liquida
sensibile alla radiazione ultravioletta emessa da una sorgente laser e focalizzata sul pelo liquidocon un sistema di specchi. Sono presenti sul mercato due produttori di questo sistema, l'americana 3D System e la tedesca EOS che è entrata sul mercato nel 1991;
Fotopolimerizzazione con lampada ad ultravioletti (Solid ground curing SGC): anch'essa si basasulla polimerizzazione di un fotopolimero ma utilizza una lampada ad ultravioletti che permettel'indurimento contemporaneo dell'intera sezione. Questo sistema è realizzato dalla societàisraeliana Cubital;
Sinterizzazione selettiva con il laser (Selective laser sintering SLS): viene sfruttata la radiazioneemessa da una sorgente laser al CO2 per "sinterizzare" polveri precompresse di materialidifferenti su di una struttura di supporto. È sicuramente la tecnica più interessante vista la
varietà di materiali utilizzabili che vanno dai termoplastici, alla sabbia e ai metalli per larealizzazione diretta di attrezzature. Sul mercato operano due aziende produttrici, l'americanaDTM e la tedesca EOS;
Modellazione tramite estrusione di filamenti (Fused deposition modelling FDM): ciascunasezione del prototipo viene realizzata mediante la deposizione di un polimero termoplastico
tramite in ugello di estrusione. La società americana Stratasys è l'unico produttore di macchineper FDM presente sul mercato; Stratificazione di fogli di carta ( Laminated object manifacturing LOM): è basata sull'incollaggio
e sul taglio di fogli di carta per la costruzione del prototipo. L'americana Helysis e la giapponeseKira sono i due produttori di questo sistema: la prima utilizza carta prerivestita su un lato conpolitene per realizzare l'incollaggio allo stato precedente e la radiazione laser per il taglio dellasezione, la seconda depone del toner sulla carta per il successivo incollaggio, mentre il profilodella sezione viene ricavato tramite taglio con coltello meccanico.
I sistemi di prototipazione rapida sono tutti destinati ad applicazioni industriali e devono essereinstallati, ad eccezione delle macchine Stratasys, in ambienti attrezzati e condizionati, e comunqueal di fuori dell'ufficio tecnico. Essi possono lavorare non presidiati e, visti i costi necessari per l'
investimento per la gestione e per i materiali, devono poter essere utilizzati per un impiego continuosulle 24 ore in modo da saturare le loro potenzialità produttive.Tutte le macchine RP sono gestite da un personal computer che controlla il processo di costruzionedel pezzo partendo dai dati di ciascuna sezione ricavati a loro volta dal file .STL del prototipotramite operazione di slicing.I particolari prodotti hanno generalmente buone proprietà meccaniche e permettono verifichefunzionali, di montaggio e possono essere impiegati, previa finitura manuale, come master per laproduzione di attrezzaggi rapidi.Nel prossimo futuro probabilmente apparterranno a questa categoria anche macchine più semplicied economiche da destinare all'ufficio tecnico per eseguire unicamente verifiche concettuali suprototipi in scala.
7.1. STEREOLITOGRAFIA (STEROLITOGRAPHY SLA)
È stato il primo sistema per la prototipazione rapida commercialmente disponibile (la SLA 1 della3D System fu presentata nel 1987) ed è attualmente il più diffuso sul mercato mondiale con circa1000 installazioni di costruttori differenti. All' americana 3D System si è aggiunta la EOS GmbHsocietà tedesca che è anche l' unico produttore europeo di sistemi di prototipazione rapida. Esistonoaltri costruttori sul mercato giapponese ma di questi poco ancora è dato conoscere.Il processo stereolitografico (SLA è la sigla di sterolitographic apparatus) coinvolge quattrodifferenti tecnologie: laser, ottica, chimica dei fotopolimeri e software.
Il fondamento del metodo consiste nella polimerizzazione di un monomero liquido sottoposto aduna radiazione luminosa.Il processo è suddiviso in quattro fasi principali partendo dal file .STL del modello CADtridimensionale: Preparazione del file macchina: consiste nell'esecuzione dello slicing per ricavare le sezioni del
pezzo e nella generazione dei supporti per il sostegno del pezzo durante la fase di costruzione; Fotopolimerizzazione: è la fase di costruzione del prototipo sotto il controllo del calcolatore.
Il fascio di una sorgente laser a gas (HeCd, Ar+ con potenze di qualche centinaio di mW) o allostato solido (Nd:YVO4 con potenza di 160 mW) viene focalizzato, mediante un sistema di ottiche,sulla superficie della vasca contenente il monomero allo stato liquido. L'interazione della radiazionelaser con il fotopolimero innesca una reazione chimica che ha come effetto la solidificazione diquest'ultimo. Il movimento nel piano del fascio laser consente la realizzazione della prima sezionedel pezzo su di una piastra forata, denominato elevatore. A questo punto inizia la fase di
ricoprimento, al fine di avere un film di liquido sopra la sezione appena costruita. Ottenuto ilcorretto livellamento, il processo riprende con la costruzione di uno strato successivo, tale cheaderisca stabilmente a quello sottostante. È da sottolineare che alcuni µm dello strato indurito acontatto con l'atmosfera rimangono liquidi, poiché l'ossigeno inibisce la reazione chimica e questocomportamento agevola la successiva adesione tra gli strati. Il processo continua fino alla completacostruzione del prototipo che alla fine verrà estratto dalla vasca per mezzo dell'elevatore. È chiaroche per ragioni di tempo il laser non può solidificare integralmente la sezione ma si limiterà al suoprofilo e ad un certo numero di linee che congiungono il perimetro interno con quello esterno. Altermine di questa fase, la parte prodotta (green part), contiene ancora del liquido intrappolatoall'interno e inoltre le sue parti non sono completamente polimerizzate.
Post-trattamento: si completa il processo di fotopolimerizzazione sia delle parti già solidificatedal laser che della resina liquida ancora intrappolata all' interno del pezzo. Esso consistenell'esposizione del particolare ad una lampada ad ultravioletti la cui durata è funzione del tipo
di resina utilizzata e della complessità della geometria. Al termine si ottiene la cosiddetta red
part ; Pulizia e finitura: ultimato il post-trattamento si provvede all' asportazione dei supporti e alla
finitura manuale del prototipo.La macchina per la stereolitografia è composta da tre unità principali:
1. calcolatore per la generazione dei dati macchina: è una workstation con sistema operativoWindows NT e viene utilizzata per ricavare le sezioni del prototipo (slicing) partendo dal file.STL e per individuare le zone dove predisporre i supporti necessari alla costruzione delprototipo. Il software permette inoltre di introdurre più modelli per la costruzione simultanea ela saturazione della zona di lavoro nella macchina. Tale operazione è gravosa per i modellicomplessi, viste le grandi dimensioni dei file generati;
2. calcolatore di controllo: esso è destinato a controllare tutte le parti in movimento dellamacchina. A tale calcolatore è infine demandato il controllo della temperatura durante la fase di
fotopolimerizzazione;3. camera di costruzione: all' interno di essa avviene la costruzione dalla green part a temperatura
controllata.
• LIMITI: le resine invecchiando tendono adeformarsi
• SUPPORTI: costruzione e asportazione disupporti, soprattutto nella costruzione didettagli sporgenti
• POST-TRATTAMENTO: necessario e
complesso; necessita finitura del pezzo
• SICUREZZA DEL PROCESSO: le resinefotosensibili sono nocive
• QUALITA’: produzione diretta di pezzi unodentro l'altro; produzione pezzi mobili giàfunzionanti; tempi di produzione costanticon alta capacità produttiva
7.2. FOTOPOLIMERIZZAZIONE CON LAMPADA AD ULTRAVIOLETTI (SOLID
GROUND CURING SGC)
L'idea seguita nello sviluppo di questo sistema è quella di eliminare i due inconvenienti propri dellastereolitografia: la generazione dei supporti e il post-trattamento.
Il processo SGC si identifica con la società israeliana Cubital, depositaria dei brevetti e unicoproduttore presente sul mercato.Il materiale utilizzato è un fotopolimero ma, a differenza della stereolitografia, l'intera sezioneviene indurita contemporaneamente con una lampada ad ultravioletti ad alta potenza.Le fasi del processo sono:
su di un elevatore, che ha funzione di tavola portapezzo, viene depositato un sottile strato di fotopolimero liquido;
la geometria della sezione, ricavata dal processo di slicing, viene utilizzata per generare su diuna lastra di vetro, una maschera che riproduce in negativo la sezione stessa (il principio seguitoè analogo a quello della deposizione del toner nei processi di fotocopiatura);
la lastra di vetro viene posizionata al di sopra dell'elevatore e la successiva esposizione alleradiazioni ultraviolette generate da una lampada consente la solidificazione dell' intera sezionedel prototipo;
l'elevatore trasla sotto una stazione di aspirazione per eliminare la resina non polimerizzata; l' elevatore si porta sotto una stazione per la deposizione di uno strato di cera liquida sull' intera
sezione. La cera viene quindi solidificata con una piastra raffreddante posta nella stazionesuccessiva;
il posizionamento della sezione inglobata dalla cera sotto la stazione di lavorazione e la
successiva fresatura permettono di uniformare lo spessore in tutti i punti della sezione; infine l'elevatore viene abbassato di una quantità pari allo spessore della sezione, impostato e
riportato nella sezione dove avverrà un nuovo deposito di resina liquida. Contemporaneamentela lastra di vetro viene ripulita e l'intero processo riprende fino al completamento del pezzo.
Al termine si ottiene un blocco compatto di cera e resina solidificata; il lavaggio finale con unamiscela di acqua e acido citrico a 60 °C permette l'evacuazione della cera e l'estrazione deiprototipi. Con questa tecnica è possibile costruire pezzi dotati di funzionalità cinematica senza lanecessità di supporti.I vantaggi rispetto alla stereolitografia sono: assenza dei supporti per il pezzo; solidificazione contemporanea di tutta la sezione senza la necessità di definire i riempimenti e di
ridurre la deformazione del prototipo; assenza del post-trattamento anche se l' operazione di eliminazione della cera può richiedere
spessore delle sezioni più uniforme per effetto della lavorazione meccanica di ogni strato; assenza delle problematiche inerenti al livellamento della resina e possibilità di utilizzare
fotopolimeri più viscosi per ridurre i ritiri di solidificazone; sorgente a ultravioletti meno costosa e di maggiore durata e assenza del sistema di
focalizzazione.
Vi sono però alcuni aspetti che giocano a favore della SLA e precisamente: l' inevitabile divergenza delle radiazioni ultraviolette emesse dalla lampada determina una
leggera inclinazione del profilo della sezione; il blocco di cera che ingloba il pezzo ha sempre le stesse dimensioni, è quindi imperativo
ottimizzare il volume di lavoro per produrre più elementi contemporaneamente al fine di ridurregli sprechi di cera e di fotopolimero;
vi sono problemi di smaltimento della cera che al suo interno contiene tracce di fotopolimero,infatti non è pensabile che il sistema di aspirazione possa eliminare del tutto la resina liquida;
il sistema di aspirazione causa la formazione di bolle d' aria tra i vari strati del pezzo; la macchina ha una maggiore complessità rispetto alle altre tecniche, poiché sono necessari due
sistemi meccanici per la movimentazione dell' elevatore e della lastra di vetro al di sotto delle
stazioni di lavoro. La presenza della stazione di fresatura introduce problematiche del tuttoanaloghe alle macchine utensili per l'asportazione del truciolo.
• LIMITI: qualche spreco di materiale;
difficoltà di finitura per certe geometrie
• SUPPORTI: non richiede supporti
• POST-TRATTAMENTO: solo finitura
superficiale
SolidSolid GroundGround CuringCuring
7.3. SINTERIZZAZIONE SELETTIVA CON IL LASER (SELECTIVE LASER
SINTERING SLS)
È una tecnologia che utilizza le polveri di materiali differenti (termoplastici, cera, metalli, sabbia)per la costruzione del prototipo con l' obiettivo di generare elementi funzionali con caratteristicheanaloghe a quelli ottenuti con tecnologie convenzionali.Sul mercato esistono due produttori di macchine che utilizzano sistemi SLS: l'americana DTM e lasocietà tedesca EOS.Le modalità operative del processo sono suddivise nelle fasi sotto indicate: preparazione del file macchina: viene eseguito lo slicing per determinare la geometria delle
singole sezioni; contrariamente alla stereolitografia non vengono generati i supporti per le partisporgenti.
Sinterizzazione delle sezioni: è la fase di costruzione del prototipo sotto il controllo delcalcolatore di processo.
Uno strato di polvere viene depositato e pressato sull' elevatore, la camera dove avviene la
siterizzazione è mantenuta a una temperatura prossima a quella di fusione della polvere perminimizzare sia l' energia richiesta al laser (CO2 con potenze variabili tra 50 W e 200 W) sia glieffetti del cambiamento di fase. Successivamente la radiazione porta a fusione i granelli di polvereche si uniscono l'un l'altro dando origine alla sezione. L'elevatore viene quindi abbassato di unaquantità pari allo spessore della sezione e il processo riprende fino alla completa costruzione delprototipo. Da quanto descritto appare evidente che la parola sinterizzazione viene utilizzata in modoimproprio dal momento che sia ha la fusione delle polveri in tempi molto rapidi sotto il solo effettodel riscaldamento indotto dal laser; manca invece l' effetto della pressione anche se la polvere hasubito comunque una compattazione; tuttavia il termine è ormai diventato di impiego comune nelsettore della prototipazione. La polvere non sinterizzata funge da supporto dell' intera sezione delpezzo.
Pulizia e finitura: al termine del processo di sinterizzazione il particolare prodotto deve essereestratto dal letto di polvere che lo circonda. L'operazione deve essere effettuata solo dopo chel'intero blocco (polvere e prototipi) è stato riportato alla temperatura ambiente per evitare shock
termici che si tradurrebbero in deformazioni sul pezzo. Il processo necessita di una delicataoperazione di pulizia delle polveri non sinterizzate soprattutto all'interno di piccole cavità.Lafinitura del pezzo, vista la sua caratteristica costruttiva, non può essere effettuata con telaabrasiva; si ricorre pertanto ad operazioni di infiltrazione di cera o più semplicemente ad unaverniciatura con resina epossidica per eliminare le porosità della superficie.
Rispetto ai processi che fanno uso dei fotopolimeri, si ha il vantaggio di poter impiegare materialidel tutto atossici; inoltre la vasta scelta dei materiali rende il processo particolarmente flessibile.
SelectiveSelective LaserLaser SinteringSintering
• TECNOLOGIA: sinterizzazionemediante laser co2
• MATERIALI: materiali in polvere:metalli, cere, ABS, PVC, naylon ecc.
• TEMPI: si stimano tempi più rapidirispetto all'SLA
• CAMPO DI LAVORO: cilindrico,305x380 mm
• QUALITA’: vasta gamma di
materiali; modelli funzionali
• LIMITI: elevati ritiri del materiale;
superfici porose o ruvide
• SUPPORTI: non servono supporti
• POST-TRATTAMENTO: non è
necessario
SelectiveSelective LaserLaser SinteringSintering
7.4. MODELLAZIONE TRAMITE ESTRUSIONE DI FILAMENTI (FUSED DEPOSITION
MODELLING FDM)
È una tecnologia che utilizza materiali differenti (termoplastici, cera per microfusione) sotto formadi fili per la costruzione del prototipo con l'obiettivo di generare elementi funzionali con prestazionidel tutto analoghe a quelli ottenuti con tecniche convenzionali. Sul mercato esiste un unicoproduttore di macchine per l'FDM: l'americana Stratasys.Le modalità operative sono suddivise nelle seguenti fasi: Preparazione del file macchina: vengono predisposti i supporti laddove vi siano parti sporgenti e
successivamente eseguito lo slicing per determinare la geometria delle singole sezioni. Costruzione delle sezioni: è la fase di costruzione del prototipo sotto il controllo del calcolatore
di processo. Il sistema realizza le sezioni con la deposizione di un filo di materiale termoplastico
allo stato fuso tramite una testa di estrusione che si muove nel piano X-Y; la temperatura diestrusione è tale che il materiale deposto si aggrappa stabilmente alla sezione inferiore.
La testa dell'estrusore costruisce strato per strato il modello verso l'alto, partendo da una base fissa eanalogamente a quanto avviene con la stereolitografia occorrerà collegare i profili interno edesterno della sezione con un certo numero di nervature, per incrementare la resistenza meccanicadel prototipo. Come già anticipato questa tecnica necessita di supporti dove vi siano parti sporgenti,
7.5. STRATIFICAZIONE DI FOGLI DI CARTA (LAMINATE OBJECT
MANIFACTURING LOM)
È una tecnica idonea a costruire prototipi di grandi dimensioni in tempi ridotti rispetto a quanto sipuò ottenere con gli altri sistemi di prototipazione; essa si realizza tramite il progressivo incollaggiodi fogli di carta, rivestiti nella parte inferiore da polietilene, sui quali viene successivamente ricavatala sezione del pezzo mediante taglio laser.Anche per questa tecnica esiste sul mercato un unico costruttore di macchine LOM e precisamente l'americana Helysys.Le fasi del processo sono le seguenti: Preparazione del file macchina: viene eseguito lo slicing per determinare la geometria delle
singole sezioni. In questo processo, come si vedrà in seguito, non sono necessari supporti. Incollaggio e taglio delle sezioni: è la fase di costruzione del prototipo controllata dal
calcolatore di processo, avviene con la seguente successione di operazioni il cui schema è
Il sistema di trascinamento posiziona il foglio di carta nella zona di lavoro;
Il passaggio del rullo caldo incolla il foglio sul supporto; Il raggio laser, opportunamente focalizzato da un'unità a ottica mobile e movimentata nel pianoX-Y, taglia sul foglio la sezione dell'oggetto e anche una serie di riquadri che inviluppano la
sezione, riquadri che costituiscono lo sfrido di contenimento dell' oggetto e verranno poirimossi;
Il supporto si abbassa di una quantità pari allo spessore del foglio di carta; Il sistema di trascinamento provvede ad un successivo posizionamento della carta ed il processo
continua sino al completamento del modello.
Al termine si ottiene in parallelepipedo di materiale stratificato dal quale è necessario estrarre ilpezzo, operazione assimilabile ad un vero e proprio post-trattamento e delicata perché i cubetti ineccesso devono essere tolti manualmente con utensili particolari tipici della lavorazione del legno.Per particolari cavi è necessario interrompere periodicamente il processo per eliminare il materialein eccesso dall'interno del pezzo, operazione non più possibile a processo ultimato.Dalla descrizione appare evidente che la funzione di supporto è svolta dalla carta in eccesso allasezione tagliata. Finitura: l' aspetto esterno e la consistenza di un pezzo ottenuto con la tecnica LOM è simile a
quella del compensato, esso presenta però una forte anisotropia lungo la direzioneperpendicolare a quella di costruzione, con forti rischi di delaminazione. Il trattamento con telaabrasiva permette di ottenere buone finiture delle superfici ma queste devono comunque subire
un trattamento di impermeabilizzazione con vernice per evitare che l' umidità dell' atmosferacausi deformazioni.
I particolari LOM possono essere impiegati per verifiche estetiche, di montaggio, in sostituzione deiclassici modelli in legno per i processi fusori e nell'attrezzaggio rapido.
• LIMITI: scarsa qualità dellesuperfici;necessita di verniciatura comeprotezione dall'umidità; processo complessonel caso di corpi cavi a sezione variabile;
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