ADDITIVE MANUFACTURING - UniBG Manufacturing.pdf · University of Bergamo Department of Management, Information and Production Engineering ADDITIVE MANUFACTURING CdL in INGEGNERIA

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Prof. Daniele Regazzoni

University of BergamoDepartment of Management,Information and Production Engineering

ADDITIVE MANUFACTURING

CdL in INGEGNERIA DELLE TECNOLOGIE PER LA SALUTE

Daniele REGAZZONI, V&K Group, unibg.it/vk

IDEA GENERALE

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• Sovrapponendostrati sottili è possibile generaleun oggetto 3D

• Processo concettualmente molto semplice e facilmente automatizzabile

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CONTESTO

Prototipazione rapida e metodologie

– Tecniche per accrescimento

– Applicazioni

– CAD‐RP MODELLO

VIRTUALE

MODELLO

FISICO

GenerazioneModello

CAD

Fabbricazione

CAM, AM


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)

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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


LA TERMINOLOGIA

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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


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

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CAD ADDITIVE MANUFACTURING

Sistema CAD 3D

Generazione modello Generazione file STL

Preparazione parte

Verifica modello CAD ed ev. modellazioneVerifica/correzione errori file STL

Piazzamento/orientamento modelloGenerazione strutture di supporto

Slicing

File STL

Post-processamento e Finitura

Prototipo

Generazione prototipo per sezioni

Macchina AM - SW controllo processo

File di costruzione


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 examplefacet normal 6.89114779e-2 -9.96219337e-01 -5.28978631e-02outer 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

endloopendfacet::

endsolid example

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Esempio: scatola pompa a pistoni

Modello CAD 3D Rappresentazione a triangoli



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)

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Errori nella conversione da modello 3D a formato STL

– Gap

VERIFICA E CORREZIONE ERRORI FILE STL

Piano sezione

Sezionegenerata

– Normali inconsistenti– Normali non corrette– ...........


Quattro aspetti chiave del processo di AM

accuratezzadella costruzione

POSIZIONAMENTO DEL PEZZO

struttura di supporto

tempodi costruzione

volume“intrappolato”

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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


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

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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)


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)

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POWDER BED FUSION(SINTERIZZAZIONE)

http://www.custompartnet.com/wu/images/rapid-prototyping/sls.png

Basato sullasinterizzazione direttadi polveri mediantelaser

metallo

plastica


POWDER BED FUSION(SINTERIZZAZIONE)

Sinterizzazione laser di MetalloInserti in metallo per stampi ad iniezione, quindi Rapid ToolingCavità ed inserti sinterizzati direttamente in metallo da utilizzare per stampaggio ad iniezionedi preserie nel materiale termoplastico definitivo.

Immagine cortesia di EOSwww.eos.com

Sinterizzazione laser di PlasticaForme 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 EOSwww.eos.com

Cere, plastiche ABS e PVC, nylon, sabbia da fonderia e polveri metalliche

In linea teorica, ogni materiale che dimimuisca di viscosità con il calore

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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)


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

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MATERIAL JETTING (POLY/MULTI‐JET)

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http://www.makeuseof.com/tag/what-is-3d-printing-and-how-exactly-does-it-work/

Deposizione diretta di materiale

Tecnologia derivata da Ink‐Jet


Basato sulla sovrapposizione di foglisagomati

SHEET LAMIANTION – LOM (1/2)

http://www.custompartnet.com/wu/laminated-object-manufacturing

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SHEET LAMIANTION – LOM (2/2)

(Immagini cortesia di DemoCenter Scrl)


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-Corpwww.zcorp.com

http://blog.nus.edu.sg/u0804594/common-rp-techniques/d-3dp/

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DIRECTED ENERGY DEPOSITION

http://blog.cafefoundation.org/?p=8410


TECNOLOGIE IBRIDE

Additive e sottrattive nella stessa macchina– Vantaggi delle tecnologie additive

– Tolleranze di lavorazione da normale MU

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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


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 sempreha le stesse caratteristiche fisiche del materiale con cui verràrealizzato il pezzo finale

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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)


PICCOLA SERIE

Realizzare il pezzo finito con il materiale e la precisionesufficiente a soddisfare gli scopi per cui il pezzo vieneprodotto

Può essere conveniente quando l'oggetto da realizzare ècaratterizzato da una forma particolarmente complessa. Al contrario di ciò che accade per le tecnologie di tipotradizionale infatti, la complessità geometrica non è un vincolo determinante per le tecniche di AM

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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”


INDUSTRIAL ENGINEERING

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SETTORE MEDICALE

Salmi M et al., ”Patient specific reconstruction with 3D modeling and DMLS additive manufacturing.” Rapid Prototyping Journal, 18:209-214, 2012.


ORTODONZIA

www.invisalign.com

• Apparecchi ortodontici invisibili

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BENI CULTURALI


AEROSPACE: BOEING

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SWOT ANALYSY


TREND DI SVILUPPO

INDUSTRIA STA ACCETTANDO

LE TECNOLOGIE ADDITIVE

COME PROCESSO DI

PRODUZIONE PIUTTOSTO CHE

PER LA CREAZIONE DI

PROTOTIPI

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