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. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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 1 10 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 1 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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) Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 2 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. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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) Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Rapid Tooling • Esempio di creazione di stampo in sabbia per colata di metalli modello • Esempio di stampo in metallo per lo stampaggio di termoplastiche Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 3 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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.) Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. • 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 4 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Litografia ottica Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Litografia ottica Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 5 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 Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 3D INKJET Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Esempi • Prototipo SLA di guscio per telefonino con prova di assemblaggio Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Esempi • Modello SLA di corpo pompa prodotto con tecnica Quickcast per microfusione Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Esempi • Tecnica di microfusione a partire da un modello SLA tipo Quickcast Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 6 Esempi • Applicazioni medicali della stereolitografia Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Esempi • Impiego di un inserto SLS per lo stampaggio di un particolare in plastica Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Esempi • Inserti per stampi realizzati con tecnologia SLS di polveri metalliche Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. Esempi • Esempio di inserto mobile SLS con canali di raffreddamento conformati Corso di Tecnologia Meccanica - M. Sortino. 7
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