Martedì 31 Marzo 2015
Additive Manufacturing
Ph. D. Andrea VitaliDipartimento di Ingegneria Gestionale,
dell’Informazione e della Produzione
Andrea VITALI
IDEA GENERALE
3
• Sovrapponendo
strati sottili è
possibile generare
un oggetto 3D
• Processo
concettualmente
molto semplice e
facilmente
automatizzabile
Andrea VITALI
CONTESTO
▪ Prototipazione rapida e metodologie
– Tecniche per accrescimento
– Applicazioni
– CAD-RP MODELLO
VIRTUALE
MODELLO
FISICO
Generazione
Modello
CAD
Fabbricazione
CAM, AM
Andrea VITALI
CONTESTO
▪ Per produrre oggetti fisici– modelli
– prototipi
– attrezzature per produrre prototipi/prodotti finiti
– prodotti finiti
▪ Motivazioni– ridurre tempi e costi
– ridurre gli errori e le modifiche dovute ad errori di progettazione
– produrre geometrie complesse
– delocalizzare la produzione
– ridurre magazzini (ricambi)
Andrea VITALI
TRE APPROCCI DI TIPO DIVERSO
▪ Rapid Prototyping
– Produzione automatica di modelli fisici a partire da modelli CAD
▪ Rapid Tooling
– Produzione automatica o semiautomatica di stampi per produrre prototipi a partire da modelli CAD dell’oggetto
▪ Rapid Manufacturing
– Produzione automatica di component o prodotti finite a partire da modelli CAD
Applicazioni di prototipazione e fabbricazione:RAPID PROTOTYPING AND
ADDITIVE MANUFACTURING
Andrea VITALI
LA TERMINOLOGIA
Andrea VITALI
▪ Oggetto/prototipo ottenuto per accrescimento medianteaggiunta ed aggregazione successiva di particelle, fili o strati di materiale
▪ disponendo del modello CAD dell’oggetto
– il prototipo può essere prodotto automaticamente
TECNICHE PER ACCRESCIMENTO
Andrea VITALI
PREREQUISITI COMUNI
▪ Disporre di un modello 3D solido del pezzo proveniente dal sistema CAD
▪ Disporre di un convertitore nel formato STL
▪ Il software di controllo del sistema AM che provvede a:
– sezionare per piani paralleli il modello
– generare contorni e traiettorie di riempimento delle singolesezioni
– generare in modo più o meno automatico strutture di supporto se e dove necessario
Andrea VITALI
CAD → ADDITIVE MANUFACTURING
Sistema CAD 3D
Generazione modello Generazione file STL
Preparazione parte
Verifica modello CAD ed ev. modellazione
Verifica/correzione errori file STL
Piazzamento/orientamento modello
Generazione strutture di supporto
Slicing
File STL
Post-processamento e Finitura
Prototipo
Generazione prototipo per sezioni
Macchina AM - SW controllo processo
File di costruzione
Andrea VITALI
GEOMETRIA DI INPUT (1/3)
▪ Rappresentazione approssimata dell’oggetto mediante una mesh di triangoli
▪ Formato STL (.stl) introdotto da 3D Systems nel 1987
Esempio file STL in formato ASCII
Solid example
facet normal 6.89114779e-2 -9.96219337e-01 -5.28978631e-02
outer loop
vertex 2.73239994e+01 1.08957005e+01 4.57905006e+01
vertex 2.81019993e+01 1.09582005e+01 4.56250000e+01
vertex 2.75955009e+01 1.09116001e+01 4.58456993e+01
endloop
endfacet
:
:
endsolid example
Andrea VITALI
GEOMETRIA DI INPUT (2/3)
▪ Esempio: scatola pompa a pistoni
Modello CAD 3D Rappresentazione a triangoli
Andrea VITALI
GEOMETRIA DI INPUT (3/3)
▪ Vantaggi– Conversione semplice
– Qualsiasi forma geometrica può essere convertita in un modello a triangoli
– Algoritmo di slicing è semplice poiche’ lavora su triangoli
– Modelli STL sono facilmente suddivisibili per adattarli allospazio di lavoro della macchina
▪ Svantaggi– Verbosità e ridondanza dei dati nei file STL
– Errori dovuti all’approssimazione (superfici ridotte a faccette)
– Mancanza di informazione (modello iniziale ha informazionisu geometria, topologia e materiali)
Andrea VITALI
▪ Errori nella conversione da modello 3D a formato STL
– Gap
VERIFICA E CORREZIONE ERRORI FILE
STL
Piano sezione
Sezione
generata
– Normali inconsistenti
– Normali non corrette
– ...........
Andrea VITALI
▪ Quattro aspetti chiave del processo di AM
accuratezzadella costruzione
POSIZIONAMENTO DEL PEZZO
struttura di supporto
tempodi costruzione
volume“intrappolato”
Andrea VITALI
SLICING
▪ Lo slicing è un’operazione critica perché condiziona in modo determinante la precisione del prototipo
▪ … due possibilità– Slicing uniforme: strati di spessore costante
– Slicing adattivo: lo spessore viene scelto in funzione della curvatura
superficiale, per limitare al massimo l’aspetto a gradini della superficie
esterna
uniforme adattativo
Andrea VITALI
TECNICHE DI ADDITIVE MANUFACTURING
(1/2)
Tipologie di materiali
• Resine-fotopolimeri
• Cere-termoplastici
• Polveri ceramiche e metalliche
• Carta
• PLA-ABS
• …….
Processi fisici
• Fotopolimerizzazione
• Sinterizzazione
• Spruzzatura
• Incollaggio
• Estrusione
• …….
▪ La precisione ottenibile con queste tecniche è nell’ordinedi 1 decimo di millimetro sull’asse Z
Andrea VITALI
Terminologia unificata (ASTM-approved)
▪ Vat Photopolymerization (Stereolitografia)
▪ Powder Bed Fusion (Sinterizzazione)
▪ Material Extrusion (FDM)
▪ Material Jetting (Poly/Multi-jet)
▪ Binder Jetting (3D Printing)
▪ Sheet Lamination (LOM)
▪ Direct Energy Deposition (Electrobeam melting)
TECNICHE DI ADDITIVE MANUFACTURING
(2/2)
Andrea VITALI
VAT PHOTOPOLYMERIZATION
(STEREOLITOGRAFIA)▪ E’ la prima tecnologia ad introdurre il metodo per accrescimento
▪ Le prime dimostrazioni di laboratorio nel 1984
▪ Il primo sistema disponibile
sul mercato alla fine del 1988
▪ Basato sulla fotopolimerizzazione
(Immagine ©1997, 1998 Prototipazione Rapida, Publitec)
Andrea VITALI
POWDER BED FUSION
(SINTERIZZAZIONE)
http://www.custompartnet.com/wu/images/rapid-prototyping/sls.png
▪ Basato sullasinterizzazione direttadi polveri mediantelaser
metallo
plastica
Andrea VITALI
POWDER BED FUSION
(SINTERIZZAZIONE)
Sinterizzazione laser di MetalloInserti in metallo per stampi ad iniezione, quindi Rapid Tooling
Cavità ed inserti sinterizzati direttamente in metallo da utilizzare per stampaggio ad iniezione
di preserie nel materiale termoplastico definitivo.
Immagine cortesia di EOS
www.eos.com
Sinterizzazione laser di Plastica
Forme per microfusione e modelli in plastica
Modelli in poliammide per prototipi funzionali con proprietà strutturali, di precisione per verifica design e master copia
per stampi sottovuoto in silicone.
Forme in polistirene per microfusione a cera persa
Immagine cortesia di EOS
www.eos.comCere, plastiche ABS e PVC, nylon, sabbia da fonderia e
polveri metalliche
In linea teorica, ogni materiale che dimimuisca di viscosità
con il calore
Andrea VITALI
▪ Basato sulla estrusione di materiali termoplastici
▪ Deposizione di strati successivi si materiale riscaldato fino alla temperatura di fusione
▪ Necessarie strutture di supporto
MATERIAL EXTRUSION (FDM)
(Immagine ©1997, 1998 Prototipazione Rapida, Publitec)
Andrea VITALI
TECNOLOGIE LOW-COST EMERGENTI
▪ Basate principalmente su tecnologia FDM
– Soluzioni costruttive ampiamente diffuse ->
bassi costi delle macchine (0,5 - 3 k€)
▪ Materiali di costruzione
– Plastica: più diffuse sono ABS o PLA
▪ Campi applicativi
– Le ridotte dimensioni e i materiali impiegato le limitano alla creazione di prototipi per la fase di concept
▪ Pro (oltre al costo)– Facilità di utilizzo– Ingombro stampante ridotto– No post-processing– Manutenzione limitata
▪ Contro– Ridotti volumi di costruzione– Risoluzione limitata
Andrea VITALI
MATERIAL JETTING (POLY/MULTI-JET)
24
http://www.makeuseof.com/tag/what-is-3d-printing-and-how-exactly-does-it-work/
▪ Deposizione diretta di materiale
▪ Tecnologia derivata da Ink-Jet
Andrea VITALI
▪ Basato sulla sovrapposizione di foglisagomati
SHEET LAMINATION – LOM (1/2)
http://www.custompartnet.com/wu/laminated-object-manufacturing
Andrea VITALI
SHEET LAMIANTION – LOM (2/2)
(Immagini cortesia di DemoCenter Scrl)
Andrea VITALI
BINDER JETTING
▪ Deposizione di un legante su strati di polveri (ceramiche, di cellulosa e metalliche)
▪ Sviluppato presso MIT
▪ Prima macchina: Z402
della Z-corp
Immagine cortesia di Z-Corp
www.zcorp.com
http://blog.nus.edu.sg/u0804594/common-rp-techniques/d-3dp/
Andrea VITALI
DIRECTED ENERGY DEPOSITION
http://blog.cafefoundation.org/?p=8410
Andrea VITALI
TECNOLOGIE IBRIDE
▪ Additive e sottrattive nella stessa macchina– Vantaggi delle tecnologie additive
– Tolleranze di lavorazione da normale MU
29
Andrea VITALI
Punzone
ESEMPIO (1/3)
Andrea VITALI
ESEMPIO (2/3)
▪ Modello 3D dello stampo
Andrea VITALI
ESEMPIO (3/3)
Prototipi realizzato con tecnologia LOM
Punzone
Andrea VITALI
DOMANDE LEZIONE PRECEDENTE
▪ COSA SONO I SOTTOSQUADRI?
▪ QUAL'È LA TECNICA MIGLIORE IN TERMINI QUALITATIVI?
33
Andrea VITALI
VALUTAZIONE DEL PROGETTO
▪ valutazione non solo visuale, ma anche tattile
▪ valutazione estetica
– La precisione raggiunta è sufficiente, ed i materialiutilizzati (plastica, cera e carta) soddisfacenti
– Alcune tra le più nuove macchine AM sono vere e propriestampanti tridimensionali, fatte per trovare postoaccanto alla stazione CAD e in grado di lavorare in silenzio e con la sicurezza richiesta alle comuni macchineda ufficio
– Parti in cera con dimensioni di massima di 250x200x200mm, sono realizzabili nell’ordine di tempo di un’ora
Andrea VITALI
VERIFICA FUNZIONALE
▪ Verifica di montabilità e di accessibilità delle parti
– Bisogna garantire una sufficiente precisione
▪ Verifica delle prestazioni cinematiche
▪ Verifica delle prestazioni aerodinamiche
▪ Altre verifiche strutturali (tenuta, fatica, resistenza a corrosione, …) non sono possibili con AM
– il materiale con cui viene realizzato il prototipo non sempre ha le stesse caratteristiche fisiche del materiale con cui verràrealizzato il pezzo finale
Andrea VITALI
ULTERIORI PROCESSI DI
FABBRICAZIONE
▪ Rapid Tooling (attrezzaggio rapido)
– produzione di tool attraverso tecniche di additive manufacturing
– tecnica usata per produrre stampi per iniezione e stampiper fusione
• per temperature di iniezione inferiori ai 400°C e per produzioni inferiori ai 100 pezzi, è possibile realizzaredirettamente con tecniche AM stampi in materialeceramico, oppure ricoprire lo stampo in plastica con tecniche di metal spray o mediante elettroplaccatura
– ... anche HSC (High Speed Cutting)
Andrea VITALI
PICCOLA SERIE
▪ Realizzare il pezzo finito con il materiale e la precisione sufficiente a soddisfare gli scopi per cui ilpezzo viene prodotto
▪ Può essere conveniente quando l'oggetto da realizzare è caratterizzato da una forma particolarmente complessa. Al contrario di ciò cheaccade per le tecnologie di tipo tradizionale infatti, la complessità geometrica non è un vincolodeterminante per le tecniche di AM
Andrea VITALI
SETTORI INDUSTRIALI TRAINANTI
Rappresentazione percentuale sull’intero volume del business accreditata ai principali settori industriali
Source: “Wohlers Report 2014 – Additive Manufacturing State of the Industry”
Andrea VITALI
INDUSTRIAL ENGINEERING
Andrea VITALI
SETTORE MEDICALE
Salmi M et al., ”Patient specific reconstruction with 3D modeling and DMLS additive manufacturing.” Rapid Prototyping Journal, 18:209-214, 2012.
Andrea VITALI
ORTODONZIA
www.invisalign.com
• Apparecchi ortodontici invisibili
Andrea VITALI
BENI CULTURALI
Andrea VITALI
AEROSPACE: BOEING
Andrea VITALI
ADDITIVE MANUFACTURING E
SVILUPPO PRODOTTO
Tecnologia adottata dagli anni 90
• Automotive
• Aerospace
• Beni di sonsumo
Andrea VITALI 62
Quixotic Divinity: This headdress was designed by artist Joshua Harker and manufactured with a system from EOS. It made its fashion-world debut on the catwalk of the 3D-Printshow (Source: 3D Printshow).The use of objects worn over the face for protection, disguise, or entertainment have been used since ancient times. Such ritualistic, theatrical and ceremonial masks have been used across the world for social, tribal and religious reasons. They served indigenous tribes as camouflage when hunting; the clown in the circus arena, the Venetian Carnival or Mardi Gras would be unthinkable without them and certain cultures still use such disguises in customary dances. A mask protects and hides the wearer's true face, giving him or her the opportunity of posing as someone or something else. Pretty or ugly, witty or ghastly, man or animal - everything is possible.
Andrea VITALI 63
Designed -by-Iris-van-Herpen
Andrea VITALI 64
dezeen_Nike-Vapor-Laser-Talon-3D-printed-football-boots
Andrea VITALI 66
Andrea VITALI 67