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Università degli Studi di TriesteUniversità degli Studi di TriesteIngegneria dei Materiali – A.A. 2005-2006Ingegneria dei Materiali – A.A. 2005-2006

Corso di TECNOLOGIA MECCANICA – Prof. N.ScuorCorso di TECNOLOGIA MECCANICA – Prof. N.Scuor

LA PROTOTIPAZIONE RAPIDAAnalisi delle differenti tecnologie di Rapid Prototyping

A. Cicutto, M.Cocolin, T. Gussetti, M. Nicotra

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Corso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDACorso di TECNOLOGIA MECCANICA - LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA

Prototipazione rapida (Rapid Prototyping)

Cos’è?

E’ una serie di sistemi che partendo da una definizione matematica

specificata su un CAD 3D e utilizzando processi rapidi, flessibili e altamente

automatizzati riproducono un oggetto a prescindere dalla sua complessità

tramite tecniche additive

PUNTI DI FORZA

• TEMPI RIDOTTISSIMI

• PROTOTIPO IN UN’AMPIA GAMMA DI MATERIALI

• FORME E GEOMETRIE COMPLESSE

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PERCHE’?

Da sempre c’è bisogno di utilizzare un piano bidimensionale per comunicare idee prima di tradurle in pratica

MA

No certezza su fedeltà del modello sullo schermo rispetto a rappresentazione del concreto

La prototipazione rapida ha obiettivo di sfondare questa barriera

Trasformare fuggevoli immagini sullo schermo in un oggetto solido e concreto

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Da idea pioneristica di CHARLES W.HULL (1982)

nasce 3D SYSTEM INC. (Società americana leader nel settore)

Diffusione di sistemi CAD

Continue ricerche scientifiche

Favorito sviluppo di tecnologie sempre nuove e diverse

•Selective laser sintering

•Fused deposition modeling

•Laminated object manufacturing

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Ora il processo viene utilizzato da realtà industriali di piccola/media

dimensione

- tempi di lavorazione minori

- tolleranze dimensionali inferiori

- finitura superficiale sempre migliore

- resistenze dei modelli PR a condizioni climatiche variabili e

a sollecitazioni meccaniche, termiche e chimiche sempre più

forti

- macchine di PR sono di semplice impiego

- disponibilità di vasta gamma di materiali per produzione

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Trasformazione del mercato da anni ’70 a oggi ha imposto:

- crescita del numero di varianti

- progressiva riduzione del ciclo di vita del prodotto

- incremento complessità prodotto

- contenimento tempi di consegna

FATTORE PIU’ IMPORTANTE

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Le tecniche di Rapid Prototyping

Si parte da

PROTOTIPO: primo elemento di una serie

Durante lo sviluppo di un prodotto vengono realizzate le seguenti tipologie

di prototipo:

•Concettuali•Funzionali•Tecniche•Preserie

FUNZIONE: verifica funzionale, la valutazione dei costi, la valutazione

di tempi di flusso e della risposta del mercato

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Tecnologia tradizionale

Fabbricazione prototipi affidata a modellisti (operazioni manuali)

Costi elevati

Tempi lunghi

VSIncompatibilità con esigenze delle aziende di ridurre i tempi di

immissione sul mercato e di ridurre i costi

Ricorso a Prototipazione rapida

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Rapid prototyping: si intende un insieme di processi che

realizzano modelli e componenti per l’addizione di materiale layer

by layer a partire da un modello matematico 3D

Le macchine di PR ricostruiscono l’oggetto che rappresenta

l’oggetto matematico di partenza fabbricando strati successivi di

materiali costituiti volta per volta da liquidi, polveri, fili o laminati

Tecnica nota anche come Layer Manufacturing

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Le fasi del processo di Rapid Prototyping

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Prototipo viene disegnato a CAD

Utilizzo modellatore 3D solido o superficiale (particolare

attenzione a chiusura e connessione di tutte le superfici per

evitare gap o sovrapposizioni)

Modello CAD viene elaborato in un sistema compatibile con il

software di gestione della macchina PR.

Attualmente si utilizza l’STL (solid to layer)

Prevede la tasselizzazione della superficie interna ed esterna del

pezzo attraverso elementi triangolari.

L’approssimazione conterrà un errore che può essere valutato

misurando la distanza tra baricentro del triangolo e la superficie

originaria.

E’ possibile infittire il numero di triangoli per avere

l’approssimazione richiesta

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Per ogni triangolo sono indicate le 3 coordinate spaziali dei 3 vertici ed

i 3 coseni direttori della normale esterna della superficie.

Triangolarizzazione è procedimento che può essere sempre effettuato

all’interno dell’ambiente CAD

Ottengo file in formato STL che viene elaborato dalla macchina per le

Successive fasi di:

-Orientamento del pezzo

-Generazione dei supporti

-Slicing

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Esempio di file STL

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Prima fase: consente di selezionare la direzione di “crescita”

ottimale del prodotto (influenza precisione

dimensionale prodotto, finitura superficiale, tempi e

costi di produzione);

Seconda fase: necessario per alcune tecniche, per sostenere

eventuali parti a sbalzo;

Terza fase: Slicing

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Slicing:

- uniforme: dando origine a strati di spessore costante

- adattativo: spessore viene scelto in funzione della curvatura

superficiale, per limitare al massimo l’aspetto a gradini

della superficie esterna (ho precisione migliore)

Le sezioni che vengono costruite in successione dalla macchina

RP hanno spessori che variano da 0.05 a 0.5 mm a seconda della

tecnologia utilizzata.

Dopo queste operazione il modello viene generato dalla macchina

e il pezzo viene rifinito manualmente e se necessario sottoposto a

post-trattamenti per migliorarne le caratteristiche

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Un esempio di RP (FDM)

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Tecniche di prototipazione rapida

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Schematizzazione delle tecniche di RP

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La Stereolitografia (SLA):

- è la prima e la più importante tecnica RP diffusa a livello commerciale;

- coinvolge 4 diverse tecnologie: laser

ottica

chimica dei fotopolimeri

software

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La Stereolitografia (SLA):

Prevede 4 fasi principali:

a. Preparazione della Work Station (ev. predisposizione supporti modello);

b. Costruzione:

- localizzazione di fascio laser tramite sistema ottico (ctrl calcolatore);

- polimerizzazione di resina epoxy LIQUIDA: si ottengono particelle solide;

- movimentazione del piano di focalizzazione: realizzazione di una sezione;

- allontanamento della sezione con elevatore (Δh pari a spessore sezione);

- copertura della sezione con del polimero tramite un sistema di precisione;

- rifocalizzazione del laser e nuova movimentazione della work station;

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c. Pulizia;

d. Post trattamento:

- esposizione a lampada UV di Green Part*: cottura del crudo e completamento della polimerizzazione

- eventuale finitura superficiale (eliminazione delle porosità con abrasivi o vernici);

*Green Part VS Red Part:

Allo scopo di ridurre i tempi di produzione, il laser non viene utilizzato per

polimerizzare l’intera sezione ma solo i profili interni ed esterni nonché dei

collegamenti tra di essi. Parte del polimero rimane allo stato liquido. Si ottiene

così la Green Part o crudo, di consistenza insufficiente e la cui polimerizzazione

viene poi completata ottenendo la Red Part.

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Schema del processo di SLA

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Il processo SLA

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Esempio di produzione tramite SLA a partire da file STL o CAD

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Esempio di RP SLA

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La Stereolitografia (SLA): Caratteristiche del fotopolimero

- elevata reattività alla luce laser;

- viscosità stabile e controllabile;

- limitata volatilità;

- limitata tossicità;

- basso ritiro;

- bassa energia di attivazione;

- buone proprietà meccaniche dopo la polimerizzazione.

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Polyjet:- paragonabile ad una stampa a getto (inchiostro = fotopolimero);

- descrizione del processing: - acquisizione file STL o CAD;

- slicing;

- deposizione selettiva (testina multijet);

- esposizione UV;

- traslazione della work station;

NB: terminata la realizzazione delle varie sezioni del modello, si effettua

una eventuale finitura manuale; non è necessario nessun tipo di post

trattamento (cfr SLA), in quanto il polimero viene fatto reticolare subito

dopo la sua deposizione.

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Schema del processo Polyjet

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Il processo Polyjet

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Esempio di Polyjet (macchina e prodotti)

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MJM (Multi Jet Modeling):

- paragonabile ad una stampa a getto (inchiostro = polimero

termoplastico liquefatto – solidifica aderendo allo strato precedente);

- descrizione del processing:- posizionamento della testina sulla work station;

- deposizione di un primo strato di polimero e movimentazione testina sul piano x-y;

- movimentazione della work station (asse z) e inizio deposizione di una nuova sezione;

NB: il processo descritto viene ripetuto fino al completamento del

modello, che non necessita di finiture successive e può essere subito

utilizzato.

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Schema del processo MJM

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Drop On Demand (DOD):

- è una stampa 3D;

- è simile alla MJM come processing e materiali impiegati. La

differenza principale consiste nel numero delle testine della macchina

(due, o due gruppi in questo caso);

- non necessita di nessuna preparazione della workstation ( i supporti

per il modello vengono generati dalla macchina stessa. Si prevede

l’utilizzo di più materiali e testine indipendenti);

- si depone prima il materiale di costruzione e poi quello di supporto;

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Schema del processo DOD

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Laser sintering:

È un processo che sfrutta la sinterizzazione di POLVERI, siano esse metalliche, polimeriche o ceramiche. Prevede a livello del processing diverse fasi:

1) Deposizione della polvere, pressata (tramite rullo) su tutta la workstation;

2) Sinterizzazione laser della polvere;

3) Allontanamento dell’ elevatore;

Terminata la fase di sinterizzazione, la Red Part viene estratta e pulita

dalla polvere non sinterizzata, che può essere facilmente rimossa anche

da eventuali cavità del modello.

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Schema del processo Laser SIntering

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Schema 3D del processo Laser SIntering

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Il processo SLS

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Il processo SLS

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Laser sintering: caratteristiche di processo

- la camera di lavoro è ad atmosfera inerte e a temperatura controllata

(T ≈ Tf per diminuire energia necessaria alla sinterizzazione e

compensare i ritiri volumetrici);

- laser a CO2, potenza tra 50 e 250 W;

- non sono necessari supporti: la polvere sostiene sé stessa;

- si effettua per polveri ceramiche e metalliche un post-trattamento per

incrementare le proprietà meccaniche del modello;

- la finitura non viene effettuata per abrasione, ma per infiltrazione di

cera o con vernici epoxy per eliminare le porosità;

- è necessario un laser più potente, ma i materiali sono ATOSSICI e

non solo di natura polimerica

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Fused Deposition Modelling (FDM):

- Unico sistema che impiega fili e barrette di materiali differenti per costruire il prototipo;

- Il cuore del sistema è la testa di estrusione che fonde il materiale e lo deposita in strati sottili tramite un ugello calibrato. La testa si muove nel piano per generare il contorno della sezione;

- La prima sezione viene realizzata su un supporto che si muove verticalmente;

- La testa di estrusione dopo aver realizzato i perimetri interno ed esterno riempie lo spazio compreso (incremento le proprietà meccaniche);

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- Non sono richiesti post-trattamenti;

- Il controllo della temperatura della

testa e della zona di lavoro sono

fondamentali;

- Processo “pulito” e la stazione di

lavoro può esser installa vicino a un

CAD;

- Vengono impiegati materiali a basso

punto di fusione (cera, ABS, lega

ABS-metacrilato).

Fused Deposition Modelling (FDM):

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Il processo FDM

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Laminazione di fogli di carta (LOM):

- Tecnica idonea a costruire prototipi di grandi dimensioni;

- Progressivo incollaggio di fogli di carta sui quali viene dopo ricavata la

sezione del pezzo mediante taglio meccanico o laser;

- Processing: - incollaggio e taglio delle sezioni: fase di costruzione del

prototipo, si ottiene un parallelepipedo di materiale

stratificato dal quale si deve estrarre il pezzo (materiale

in eccesso viene tolto manualmente con utensili). La

carta in eccesso alla sezione tagliata funge da supporto;

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- finitura: ottengo un pezzo con aspetto

esterno e consistenza simile al

compensato, però presenta una forte

anisotropia lungo la direzione

perpendicolare a quella di costruzione

(pericolo delaminazione). Un trattamento

con tela abrasiva permette di ottenere

buone finiture superficiali, però è meglio

effettuare un ulteriore trattamento

impermeabilizzante con vernice per evitare

deformazioni causate dall’ umidità.

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Schema del processo

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Il processo LOM

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3D Printing:

-Tecnologia sviluppata presso il M.I.T. di Boston per la produzione di

gusci ceramici, recentemente usata per la produzione di elementi

metallici e nella modellazione concettuale;

- Comprende numerose tecnologie per la prototipazione attraverso l’

utilizzo di polveri ceramiche, di cellulosa e metalliche;

- Le operazioni necessarie sono simili a quelle della sinterizzazione laser

e si differenziano per il metodo di unione delle polveri (viene usato un

colante spruzzato con la tecnica della stampa a getto d’inchiostro);

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Caratteristiche del sistema di incollaggio:

- la soluzione spruzzata deve contenere un’alta percentuale di

collante e bassa viscosità;

- la soluzione deve esser conduttiva per agevolare il lavoro della

testina di stampa;

- il collante deve esser fatto asciugare rapidamente prima di

applicare un secondo strato di polvere.

Vengono effettuati post-trattamenti di tipo combinato chimico e termico per evitare disgregazioni e migliorare le caratteristiche meccaniche (infiltrazioni per garantire compattezza)

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Schema del processo

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Selective Laser Melting:

La fusione selettiva con laser è una variante rispetto alla classica sinterizzazione selettiva con laser, le differenze sono:

- Utilizzo una polvere metallica integrale senza

aggiunte di elementi bassofondenti;

- Bisogna fornire una densità di energia molto elevata

per fondere la polvere (sorgente laser a elevata

potenza)

Ottengo un elemento massivo ad elevata densità

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Processing: - deposizione, pressatura e livellatura della polvere

metallica sulla tavola di costruzione della macchina;

- il laser, focalizzato tramite un sistema di specchi nel

paino X-Y, fonde in modo selettivo le particelle

metalliche realizzando la sezione desiderata e facendola

aderire alla precedente. Nella camera viene addotto un

gas inerte per evitare l’ossidazione del materiale;

- l’elevatore viene abbassato di una quantità

corrispondente allo spessore dello strato e il processo

riprende fino alla completa realizzazione del pezzo.

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Schema del processo

Al termine l’elevatore viene sollevato per estrarre il prototipo, la cui

superficie può esser migliorata sia tramite pallinatura che tramite la

classica finitura manuale.

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Electron Beam Melting:

L’ electron beam melting è una variante rispetto alla classica sinterizzazione selettiva con laser, le differenze sono:

- Utilizzo una polvere metallica integrale senza

aggiunte di elementi bassofondenti;

- Bisogna fornire una densità di energia molto elevata

per fondere la polvere (sorgente Electron Beam)

Ottengo un elemento massivo ad elevata densità

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Processing: - deposizione, pressatura e livellatura della polvere

metallica sulla tavola di costruzione della macchina;

- il fascio di elettroni, focalizzato tramite un sistema di

specchi nel paino X-Y, fonde in modo selettivo le

particelle metalliche realizzando la sezione desiderata e

facendola aderire alla precedente. Nella camera viene

eseguito il vuoto per evitare l’ossidazione del materiale;

- l’elevatore viene abbassato di una quantità

corrispondente allo spessore dello strato e il processo

riprende fino alla completa realizzazione del pezzo.

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Al termine l’elevatore viene sollevato per estrarre il prototipo, la cui superficie può esser migliorata sia tramite pallinatura che tramite la classica finitura manuale.

Schema del processo

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Rapid tooling (RT)

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Rapid tooling (RT):

- Insieme di tecniche mirate alla realizzazione in brevi tempi di

attrezzature per pre-serie;

- L’attrezzatura prototipale non viene sottoposta alle sollecitazioni

meccaniche e termiche dello stampo definitivo in acciaio;

- Permette risparmi economici fino al 70% nonché riduce i tempi di

produzione;

- Elevata diffusione a livello industriale;

INDISPENSABILE PER ESSERE

COMPETITIVI

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Rapid tooling (RT): Tecniche

Le tecniche RT si dividono in:-Tecniche per la produzione di stampi leggeri

SOFT TOOLING

(produzione: centinaia di unita, tempi brevi);

-Tecniche per la produzione di stampi rigidi

HARD TOOLING

(produzione: 10.000 pezzi o oltre, tempi più lunghi);

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Rapid tooling (RT): Tecniche

Le tecniche RT si suddividono in:

-Tecniche di tipo DIRETTO = la macchina produce direttamente l’attrezzatura;

-Tecniche di tipo INDIRETTO = si combina il prototipo rapido con processi tradizionali per ottenere l’attrezzatura;

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Rapid tooling diretto:

Permette la costruzione dell’attrezzatura idonea alla

realizzazione di:

- Inserti per stampi per iniezione di cera (microfusione);

- Inserti per stampi destinati all’iniezione, soffiaggio o termoformatura

di resine termoplastiche;

- Stampi per imbutitura di lamiera;

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Rapid tooling diretto: processi utilizzati

- SLA, SLS e FDM: possono generare inserti per stampi da cera

garantendo un numero limitato di iniezioni;

- SLS di miscele metalliche, Selective Laser Melting ed Electron Beam

Melting (generazione di inserti per iniezione di polimeri - 1000 pezzi - o

per pressocolata – 50/100 elementi);

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Rapid tooling indiretto:

- Sviluppato contemporaneamente alle macchine RP;

- I metodi più diffusi sono: - Stampi in silicone;

- Spin Casting;

- Stampi in resina rigida;

- Stampi in lega bassofondente;

- Stampi ottenuti tramite metal spraying;

- Processo KelTool

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Stampi in silicone:- Stampi flessibili per la realizzazione di un numero limitato di

particolari in materiale prox a quello definitivo da destinare a prime

verifiche funzionali;

- Uso di attrezzature in resina siliconica flessibile e autodistaccante,

per particolari anche molto complessi = contenimento dei costi;

Processing: - realizzazione di prototipo dotato di sfiati e canali di colata;

- posizionamento del prototipo in una cassetta di contenimento;

- si esegue la colata di resina precedentemente degasata;

- si effettua un secondo degasaggio;

- cottura in forno;

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Esempio di stampo in silicone

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Spin Casting:

- Per produzione di stampi flessibili in silicone impiegati per colata di leghe

a base di Zinco con Tf = 500°C;

- Processing Stampo: - asportazione manuale di parte di dischi di silicone non vulcanizzato per realizzare l’alloggiamento del modello;

- inserimento del master;

- chiusura dello stampo;

- vulcanizzazione dello stampo mediante pressa riscaldata;

- apertura dello stampo e realizzazione dei dispositivi di colata (canali, materozze, sfiati);

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Spin Casting:

Lo stampo realizzato viene disposto in una macchina per colata centrifuga

per ottenere un’efficace riempimento; completato il raffreddamento, i

particolari vengono estratti.

NB: si potrebbero impiegare tutti i materiali colabili, ma si usano per lo più

leghe di Zn, come nell’esempio seguente, o PU (Poliuretani)

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Stampi in resina rigida:

- Uso di resine additivate, generalmente Epoxy;

- Sistema diffuso per produzione di attrezzature su piccola scala;

- Realizzazione di stampi di grandi dimensioni, con attrezzature e

capitali minimi;

- Limitata resistenza ad alte temperature;

- Scarsa conducibilità termica;

Restrizione del campo di applicazione

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Esempio di stampo in resina rigida

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Stampi in lega bassofondente:- Uso di leghe bassofondenti (max 300°C);

- Leghe generalmente a base di Bismuto, che si espande solidificando

(exp. 3,3% vol.): permette la produzione leghe insensibili al ritiro (con T

fusione tra i 20 e 300°C);

- Possono essere fuse addirittura in acqua calda = facile manipolazione

- VANTAGGI: - Materiale di basso costo e riutilizzabile

- Assenza di ritiro;

-Semplicità di utilizzo viste le basse temperature di

fusione;

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Esempio di stampo in lega leggera

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Stampi ottenuti con metal spraying:- spruzzatura di metallo liquido sul prototipo, previa deposizione di

distaccante, formando un rivestimento superficiale;

- Processing:

Il processo viene ripetuto fino ad ottenere un guscio di qualche mm; si

usano leghe a base di Zn ed Al.

- Il materiale viene fuso con sistema di spruzzatura ad arco (alimentazione con 2 bobine di filo me alle cui estremità viene fatto scoccare l’arco);

- Le particelle fuse vengono accelerate da un getto di aria compressa;

- Le particelle colpiscono la superficie e solidificano;

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Processo KelTool:- Tecnica per la produzione di attrezzatura in materiale definitivo con

tolleranze dimensionale, rugosità superficiale e durezza paragonabili ad

uno stampo in acciaio;

- Punto di partenza: matrice e punzone realizzati tramite SLA; la bontà di

questa prima fase condiziona tutte le successive;

- Processing: - Produzione di una replica siliconica temporanea;

- Riempimento della cavità con miscela di polveri Me + legante;

- Estrazione della matrice Me dallo stampo;

- Sinterizzazione ed infiltrazione di Rame per aumentare la

densità;

- Esecuzione di eventuali trattamenti termici;

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KelTool: stampi e prodotto finale

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