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Additive manufacturing
È la più nuova delle tecnologie di produzione, ha stravolto il concetto di produzione, ha un enorme potenziale, che sradica le vecchie concezioni di produzione. Subcrative manufacturing: quelli per asportazione di truciolo. Mass conserving: quelli di deformazione plastica. Additive manufacturing: aggiunta di materiale, anche la saldatura volendo lo sarebbe ma non del tutto. Per additive manufacturing si intendono tutte quelle tecnologie per creare prodotti aggiungendo layer su layer (strato su strato). Storicamente si utilizzava per realizzare prototipi, nei giorni d’oggi si utilizza per realizzare oggetti con Metalli e Polimeri. Si usano un sacco di termini per chiamare questa tecnologia.
Gerarchia di operazioni per produrre un pezzo per additive manufacturing - Slide-
- Si inizia dal modello CAD del pezzo
- Questo viene meshato in un file STL
- Questo viene tagliato in fette (sliced) e in funzione di quello che sarà per il processo verrà scelta la layer fitness (spessore del layer), che voglio considerare.
- La produzione vera e propria
- Infine, una certa finitura. Questa operazione comporta un’approssimazione, perché costruisco la superficie teorica layer per layer. La mia approssimazione è tanto migliore quanto è più basso lo spessore del layer. Questo dipende dalla tecnologia e dai parametri che sto scegliendo. Esistono processi in cui lo spessore del layer: che è una delle variabili di input del mio processo viene regolata a secondo del gradiente di curvatura della sezione che sto costruendo in quel momento. Nella pratica generalmente lo spessore del layer si tiene al minimo, su applicazioni con polveri, di solito queste non sono più piccole di 30 micron e quindi il layer thickness si deve adattare a questa dimensione. Necessità di prevedere dei supporti: è una scelta a parte, dobbiamo stabilirne la quantità, dove metterli e che forma dargli, perché hanno un impatto notevole sulla lavorazione. Devono essere facili da rimuovere, se sono pochi il prezzo crolla, problemi di tensioni residue.
Principali famiglie di additive manufacturing
Liquid based: Basati sul melting: come FDM (fused deposition model). Sulla polimerizzazione: come la Steriolitografia. Solid based: LOM (laminated object manufacturing). Power based: quelli che dal punto di vista industriale sono di maggiore interesse, perché permettono di utilizzare metalli e materiali strutturali. Processi basati sul Melting parziale o totale. Basati sul Binding. Basati sul direct Deposition.
Stereolitografia
Si basa sulla polimerizzazione di un liquido contenuto in una vasca, tramite un laser. Abbiamo una base azionata da un elevatore, all’inizio del processo si trova in linea con il pelo libero del liquido (sopra), meno lo spessore del layer.
- Passo il laser dove mi serve, quindi in corrispondenza della sezione iniziale dell’oggetto e il liquido polimerizza.
- Dopo di che abbasso l’elevatore di uno spessore corrispondente del layer tickness che ho scelto
- Ripeto l’operazione n-volte. Prima di tutto costruisco il supporto, poi posso costruire il pezzo. Parametri di processo (tecnologici): Layer tickness = che è basso 5 micron, il che significa un’ottima finitura superficiale Potenza del laser. Velocità di scansione del laser. Scan strategy. Parametri geometrici: Angolazione del pezzo: di solito è meglio realizzarlo inclinato La caratteristica di questo processo che risulta anche un suo limite è che si possono utilizzare solo polimeri fotosensibili. Latice = nido d’ape. Non conviene mai realizzare un pezzo in additive che è possibile realizzare per qualsiasi altra tecnologia. Perché l’additive ha il grande difetto di essere molto lento. Post processing: quasi tutti i processi di additive hanno bisogno di una lavorazione successive, e può essere fatto per: asportazione di truciolo, oppure una lucidatura, oppure una ricottura per eliminare i “reticle stress”, che ci sono perché nonostante siano a livello micro, come in tutti gli altri processi c’è fusione e risolidifcazione (in realtà vale solo per i metalli).
Materiali plastici Alcuni materiali metallici Vantaggi: Posso stampare a colori Costruzione veloce: non devo aspettare tempi di ri-solidificazione metallica Non ho scarti Svantaggi: Basse proprietà meccaniche: perché non c’è continuità materiale, in quanto i vari layer sono attaccati tramite questo legante. Limitazioni sulla accuratezza dimensionale, finitura superficiale, e parti fragili. Post processing: mirato a migliorare le proprietà meccaniche, perché ci saranno degli spazzi vuoti tra le polveri, che compattandole, si può ottenere un po' di resistenza in più. Posso aggiungere metallo in un oggetto e poi inserirlo in un forno.
Fused Deposition Modelling (FDM)
Basato sull’estrusione. Ho una bobina in cui è avvolto un filo, questo viene fatto passare lungo un tubo, viene opportunamente riscaldato e spalmato da una testa di estrusione. Posso stampare multimateriale, non sono limitato a polimeri, ma posso utilizzare anche materiali compositi.
Materiali:
Termoplastici: vuol dire che è ideale per fondere e ri-solidificare. Termoindurente (termoset): il materiale una volta che polimerizza non fonde. (perché nel momento della cura questo diventa termoindurente)
Processo:
Questo filo viene fuso con una temperatura molto vicina a quella di fusione, viene estruso da queste teste e poi si ri-solidifica. Di solito: Movimento piastra base: piano XY. Movimento testa: asse Z.
Supporti:
Di solito si utilizza un materiale diverso che sia:
- Facilmente rimovibile.
- Bassa resistenza meccanica.
- Si realizza sempre una base.
- Possono essere idrosolubili.
Materiali utilizzati:
ABS
Materiali più evoluti Materiali compositi: con fibre di vetro: l’applicazione delle fibre di vetro è molto importante perché mi permette di aprire un campo come quello della nautica (macchina a portale enorme). Fibre di carbonio: ovviamente non fibre intrecciate, ma se voglio un tappetino con fibre sparse lo posso fare.
Post processing:
Di solito in questo processo non è molto presente. Rimozione supporti e materiali di base. Trattamenti di finitura, per eliminare le linee di layer. Svantaggi: Layer visibili Tempi di produzione molto alti: a volte anche giorni. Dal punto di vista meccanico: questi layer che si vedono, con questi micro-intagli, possono portare alla delaminazione. Bassa risoluzione dell’asse Z. Vantaggi: Nessun trattamento chimico richiesto Poco costoso
Power bed fusion process -Slide-
Tutti quei processi basati sul letto di polveri. Quattro categorie:
- Sintering solid state
- Chemically Induced Binding (legame chimicamente indotto)
- Liquid Phase Sintering (fusione parziale): Dinstinct binding and structural material: posso anche prevedere un “brasatura”, non fondono i materiali da unire ma fonde un materiale intermedio, che mi fa da legante. Indistinct binder and structural material
- Full Melting Solid state sintering (“saldatura allo stato solido”) Dobbiamo unire queste particelle allo stato solido:
- Pressione
- Temperatura
- Tempo In questo caso però ho granelli di polvere che devo unire.
Processo:
Porto i materiali a stretto contatto sotto pressione, creandosi questo legame, fino ad eliminare anche l’ultima porosità al centro.
Problemi:
È un sintering, ciò significa che non fonde tutto il granello, fonde solamente il bordo. Non corrisponde né alla sinterizzazione vista prima, né alla fusione di tutto il granello di polvere. Il centro del granello rimane solido, infatti i granelli tra di loro si fondono tramite le loro parti esterne. Utilizzatissimo per realizzare polimeri, con caratteristiche meccaniche di quelli realizzabili con FDM. In questo caso manco sono necessari i supporti, perché il letto stesso di polveri che sta sotto la struttura mi fa da supporto. Vantaggio che mi permette di realizzare oggetti come se fossero degli assemblati (es. giunto cardanico). La polvere viene recuperata ma con certi limiti:
- Granelli vicini all’oggetto che si sono sinterizzati tra loro realizzando un granello più grande quindi per eliminarli bisogna: Setacciarli: esistono setacci appositi per il recupero Viene buttata la parte che non passa per il setaccio: soprattutto perché questi polimeri essendo idrofili, cambiano il volume e in generale le loro caratteristiche. Per i polimeri in realtà si può fare una ricottura per eliminare l’umidità e recuperarli. Per le polveri metalliche, siccome c’è un problema di contatto con l’ossigeno, ad esempio il titanio con l’ossigeno forma l’ossido di titanio, la polvere non sarà recuperabile. Che costa pure molto!
Differenza tra Selective laser melting e Selective laser sintering
Come principio sono identici: c’è sempre un piatto che scende, con la polvere che viene spalmata su di esso, la polvere viene uniformata da un “wiper” (un gommino tipo quello del tergicristallo), il laser agisce selettivamente sui punti che ci interessa solidificare, infine ripeto il processo. Con il selective laser sintering è lo stesso ma: nel melting: le particelle sono esposte ad un’energia molto più alta perché deve fondere tutta la particella nel sintering: invece è il granello che si unisce all’altro, la poca pressione viene compensata dall’alta temperatura al contatto.
Materiali:
Polimeri: tipo nylon
Post processing:
Devo togliere tutte le polveri: processo molto seccante, perché si tratta di polveri dell’ordine di grandezza del micron, quindi bisogna adottare misure di sicurezza, come maschere adeguate, non bisogna lasciarsi contaminare dalle polveri. Finitura: come una sabbiatura: sparo particelle sferiche microscopiche, in modo tale da migliorare la finitura superficiale. Si fa ricerca in questa tecnologia, per esempio, per cercare di ottenere la full density, agendo su tutti i parametri di processo.
Applicazioni:
A livello industriale: Bisogna migliorare la finitura superficiale. Bisogna migliorarla a livello strutturale.
Selective laser melting - slide-
Bisogna utilizzare una fonte di laser più potente: paradossalmente è più complicato trattare l’alluminio che l’acciaio o il titanio con questa tecnologia, Poiché l’alluminio ha una riflessività molto alta, e quasi tutto il raggio laser viene riflesso. Il processo viene realizzato in una camera chiusa dove è presente un’atmosfera di gas nobile, che ha lo scopo di evitare la contaminazione con ossigeno, di questo materiale fuso, che quindi è altamente reattivo con l’ossigeno. Il principio è il medesimo del SLS. In questo caso è necessario avere dei supporti: che bisogna strutturare anche a livello geometrico e devono nello stesso tempo resistere alle tensioni residue, che potrebbe portare a strappare i supporti. Se i supporti si strappano durante il processo vanno a finire in mezzo alla macchina e si rompe. Punto di vista strutturale: Cicli continui di fusione e solidificazione: bisogna considerare che inizialmente fonde solo il primo layer, ma aggiungendone altri devo far fondere una superficie di quello precedente, che sia quello sottostante o che gli sta accanto. Quindi ci sono molteplici cicli di fusione e solidificazione per una data zona di materiale, che può portare alla generazione di queste tensioni residue. Materiali (tutti i metalli): Acciaio inossidabile Titanio 64 Cambiare materiale in una macchina di queste non è così semplice, perché bisogna bonificarla da tutte le polveri del materiale precedentemente utilizzato. Sono state sviluppate macchine che permettono di cambiare camera, ma ciò non risolve del tutto il problema. La qualità di un pezzo costruito con SLM è comparabile con parti costruite convenzionalmente, queste parti possono essere:
- Rilavorate: quindi sottoposte a finitura superficiale.
- Saldabili tra di loro: che sembrerebbe non avere senso, ma si fa per superare il limite delle Dimensioni limitate delle parti realizzabili per additive. Discorso sull’energia: se il pezzo realizzato è rigido l’energia viene trasferita tutta a noi, se invece si deforma significa che sta assorbendo energia, e quindi parte dell’energia non arriva più a noi, viene chiamata deformazione programmata. La tecnologia di additive non è competitiva a livello di tempi per realizzare gli oggetti, nella applicazione automotive.
