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Additive Manufacturing, dal file digitale alla produzione

Foto da Flickr: James C. Svehla

Attraverso la prototipazione rapida o stampa 3D, la produzione additiva o manifattura additiva (in inglese Additive Manufacturing, o AM) supera nel conteso di Indutria 4.0 latradizionale produzione sottrattiva, in cui fresa o tornio asportavano i trucioli da un blocco di materiale per arrivare a geometrie molto meno complesse di quelle oggi ottenibili con la produzione additiva.

Stereolitografia, modellazione a deposizione fusa o sinterizzazione laser sono esempi di una tecnica di produzione mediante la quale sottili strati di materiale (plastici, ceramiche, metalli, ecc.. si aggiungono uno dopo l’altro per creare un oggetto solido partendo da file digitali, modelli 3D computerizzati.

La stampa 3D e i suoi step

Dalla concezione di un modello digitale alla stampa 3D, si percorrono dei passaggi ben individuati. Le varie ipotesi di concezione del modello per la produzione additiva devono essere attentamente valutate, concentrandosi sulla geometria del pezzo o sul bisogno di supporti, variabili a seconda del tipo di tecnologia adottata.

CAD

Anche se il reverse engineering può essere un valido strumento per creare un modello 3D tramite scannerizzazione. Ma è molto più frequente vedere utilizzare il Computer-Aided Drafting (più brevemente CAD, in italiano “disegno tecnico assistito dal calcolatore”). Esistono molti software di CAD gratuiti e professionali, compatibili con la stampa 3D.

Da CAD a STL

La conversione da file CAD in STL (Standard Triangulation Language) è un aspetto cruciale del processo di stampaggio 3D, perché una perdita di dati nella creazione del nuovo file può modificare l’aspetto del componente. La maggior parte dei CAD dispone di due settaggi che definiscono la qualità di un STL: per convertire il modello 3D in file stampabile, infatti, occorre tener conto della dimensione fisica dell’oggetto, del numero di poligoni che lo costituiscono e della sua rigidità.

Stampa 3D

I componenti piccoli e complessi delle stampanti 3D garantiscono una riproduzione precisa del pezzo stampato. Alcune macchine offrono la possibilità di riciclare i materiali di produzione in eccesso, ma un riutilizzo ripetuto può compromettere e ridurre le proprietà del materiale se non viene sostituito regolarmente. Una volta lanciata la stampa, la maggior parte delle stampanti non necessitano di essere monitorate e procedono in autonomia. Eventuali problemi possono evidenziarsi in presenza di errori di software o interruzioni di corrente.

Rimozione dei supporti

Se per alcune tecnologie la rimozione dei supporti è semplice quanto togliere il pezzo stampato dal piatto di stampa, per altri metodi di stampa 3D professionali implica la necessità di estrarre la stampa quando è ancora incorporata nel materiale di costruzione o attaccata al piatto di produzione. Sono procedure più complesse, da affidare esclusivamente a personale qualificato e con equipaggiamento di sicurezza.

La post-produzione

Anche per quanto riguarda il post-trattamento ci si regola in relazione alla tecnologia utilizzata per la stampante. Con la stampa 3D stereolitografica, o SLA, i pezzi saranno sottoposti ai raggi UV prima di poter essere ritoccati. I pezzi ottenuti da Fused Filament Fabrication o Fused deposition modeling, FDM, possono essere ritoccati immediatamente al termine della stampa. I supporti utilizzati da alcune tecnologie durante la stampa, devono essere rimossi nella fase di post-produzione. La maggior parte dei materiali di stampa 3D possono essere levigati, puliti con dell’aria compressa e colorati per l’utilizzo finale.

In AM, i polimeri sostituiscono il metallo

Quando la produzione è caratterizzata da pezzi unici o in bassa tiratura, la manifattura additiva con materiali plastici è una via sicura per ridurre tempi e costi, attraverso il metal replacement, particolarmente interessante per quegli ambiti di applicazione (aerospace; automotive…) in cuiil peso dell’oggetto metallico può limitare il raggiungimento del risultato ambito.

Il metallo non è solo pesante: offre incomparabili robustezza e resistenza alle sollecitazioni. Tuttavia, soprattutto se parliamo di oggetticon geometria di complessità medio-alta,si può giungere al prodotto finale solo effettuando lavorazioni piuttosto lunghe e costose. Le attualidiverse soluzioni per produrre in 3D direttamente dal progetto CAD oggetti con materiali vari – tra cui metallo e leghe – contraggono notevolmente tempi e costi.

Attualmente, circa il 16% di peso in un veicolo è di plastica: un incremento di leggerezza che incoraggerà l’impiego sempre più frequente di tecnopolimeri per componenti esposti a stress, vibrazioni, calore e fluidi aggressivi. Non solo in ambito automotive, ma anche medicale, aerospaziale, elettrico ed elettronico si fa stradail metal replacement per una serie ampia ed articolata di impieghi, dalle attrezzature di produzione di motori per autoveicoli agli impianti di esplorazione ed estrazione di petrolio e di gas ai telefoni cellulari e tablet.

Produrre sostituendo i tecnopolimeri ai metalli comporta l’introduzione di cambiamenti sia nelle tecnologie sia nei processi di industrializzazione. Ma il cambiamento deve avvenire anche a monte, perché i Progetti di Metal Replacement devono essere “tagliati” sulle specifiche di progetto e sui requisiti dell’applicazione di volta in volta considerata. Mettono in gioco competenze multi-settoriali, oltre naturalmente all’approfondita conoscenza di un materiale relativamente “giovane” come i polimeri, dalle caratteristiche generali, ai criteri di trasformazione, ael comportamento in processo e in utilizzo, fino alle esigenze post trattamento.

Tra i principali vantaggi offerti dal metal replacement:

• Riduzione del Time to Market del progetto;
• Riduzione dei costi della materia prima;
• Riduzione dei costi di lavorazione (pezzo finito in un’unica fase);
• Riduzione dei costi di logistica;
• Riduzione del Lead Time (meno fasi e più flessibilità);
• Economie in peso; minore dispendio di energia;
• Libertà di design;
• Miglioramento delle prestazioni;§
• Innovazione responsabile di prodotto-processo in ottica di sostenibilità ambientale.

Applicazioni e benefici

I vantaggi della manifattura additiva sono tanto più rilevanti quanto più si presenta la necessità di produrre oggetti custom, pre serie o piccoli lotti. I settori maggiormente interessati sono quello aeronautico e aerospaziale, il settore medicale, l’industria automobilistica, la produzione di stampi rapidi per iniezione e di stampi per la formatura dei metalli, la robotica.

Qualche esempio convincente

• Settore aeronautico ed aerospaziale
Con una stampante 3D FDM in grado di stampare con un materiale dalle elevate proprietà, è possibile produrre molte parti di aereo ed altri veicoli aeronautici con una significativa riduzione del peso dei componenti rispetto all’alluminio, riduzione che può arrivare fino al 50%.

• Stampaggio
La produzione di uno stampo pilota da impiegare, ad esempio, nello stampaggio a iniezione o nel blow molding, può avvenire con una significativa riduzione di tempi e costi rispetto al processo tradizionale, impiegando la stampa 3D con materiali plastici ad alta resistenza.

• Attrezzaggio linee di produzione
I costi derivanti dalla realizzazione di strumenti per le macchine di produzione o per il montaggio, conosciuti anche come jigs and fixtures, incidono in modo significativo sul costo complessivo del prodotto finale. La stampa 3D permette di produrre rapidamente questi strumenti con materiali plastici robusti e resistenti, riducendo drasticamente tempi e costi. Con una stampante 3D FDM è possibile realizzare mani di presa o maschere di montaggio, dime di foratura o guide, strumenti personalizzati che aiutano a migliorare il processo.

Un futuro ad alte prestazioni

Progettare con le materie plastiche potrebbe sembrare più complicato rispetto all’uso dei metalli. Realizzare una parte in polimeri ad alte prestazioni limitandosi a replicare le dimensioni del pezzo in metallo può portare però a progetti inefficienti, a parti difficili da produrre o con prestazioni non ottimali. La grande libertà di progettazione che questo versatile materiale offredev’essere conosciuta e sfruttata appieno.

Ciò non esclude la presenza, nei componenti finiti, di elementi (linee di giunzione, spigoli o altro) che finiscono perdiminuirne la robustezza. La resistenza può essere localmente compromessa dall’orientamento delle fibre, dal grado relativo di cristallinità e dalla storia termica (ricottura). Le classiche equazioni di stress e deviazioni restano un buon punto di partenza per il progettista, che nella sua analisi indagherà anche la natura viscoelastica del materiale.

Non solo, perché le proprietà del materiale possono variare con il grado di tensione, la temperatura, l’ambiente chimico o l’orientamento delle fibre nel caso di polimeri caricati. Pertanto l’analisi deve tener conto di tutte le condizioni di lavoro che il pezzo dovrà affrontare. Nel caso dei materiali polimerici, le proprietà meccaniche dipendono dal tempo e dalla temperatura in misura più importante rispetto ai metalli e, in un certo senso, sono più sensibili ai fattori ambientali.

Per esempio, se le condizioni di utilizzo prevedono un carico prolungato per un lungo periodo di tempo, allora è opportuno usare il modulo apparente o di creep al posto del modulo elastico a breve termine; se il carico è ciclico e sul lungo periodo, il fattore limitante per la durata del progetto riguarderà la resistenza allo sforzo.

Poiché un design ottimale nasce dalla corrispondenza tra le esigenze dell’applicazione e le proprietà del materiale, è sempre opportuno effettuare prove su prototipi, verificando l’adeguatezza del materiale all’articolo da sviluppare.

Con i processi di produzione tradizionali c’è solitamente un costo associato ad ogni caratteristica aggiunta ad un progetto a causa del fatto che molto spesso si tratta di lavorazioni aggiuntive volte a togliere ulteriore materiale e a realizzare fori o inserti. Nella progettazione per stampa additiva, questo assioma viene meno.

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