Martedì 31 Marzo 2015

Additive Manufacturing

Ph. D. Andrea VitaliDipartimento di Ingegneria Gestionale,

dell’Informazione e della Produzione

Andrea VITALI

IDEA GENERALE

3

• Sovrapponendo

strati sottili è

possibile generare

un oggetto 3D

• Processo

concettualmente

molto semplice e

facilmente

automatizzabile

Andrea VITALI

CONTESTO

▪ Prototipazione rapida e metodologie

– Tecniche per accrescimento

– Applicazioni

– CAD-RP MODELLO

VIRTUALE

MODELLO

FISICO

Generazione

Modello

CAD

Fabbricazione

CAM, AM

Andrea VITALI

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)

Andrea VITALI

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

Andrea VITALI

LA TERMINOLOGIA

Andrea VITALI

▪ 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

Andrea VITALI

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

Andrea VITALI

CAD → ADDITIVE MANUFACTURING

Sistema CAD 3D

Generazione modello Generazione file STL

Preparazione parte

Verifica modello CAD ed ev. modellazione

Verifica/correzione errori file STL

Piazzamento/orientamento modello

Generazione strutture di supporto

Slicing

File STL

Post-processamento e Finitura

Prototipo

Generazione prototipo per sezioni

Macchina AM - SW controllo processo

File di costruzione

Andrea VITALI

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 example

facet normal 6.89114779e-2 -9.96219337e-01 -5.28978631e-02

outer 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

endloop

endfacet

:

:

endsolid example

Andrea VITALI

GEOMETRIA DI INPUT (2/3)

▪ Esempio: scatola pompa a pistoni

Modello CAD 3D Rappresentazione a triangoli

Andrea VITALI

GEOMETRIA DI INPUT (3/3)

▪ 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)

Andrea VITALI

▪ Errori nella conversione da modello 3D a formato STL

– Gap

VERIFICA E CORREZIONE ERRORI FILE

STL

Piano sezione

Sezione

generata

– Normali inconsistenti

– Normali non corrette

– ...........

Andrea VITALI

▪ Quattro aspetti chiave del processo di AM

accuratezzadella costruzione

POSIZIONAMENTO DEL PEZZO

struttura di supporto

tempodi costruzione

volume“intrappolato”

Andrea VITALI

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

Andrea VITALI

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

Andrea VITALI

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)

Andrea VITALI

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)

Andrea VITALI

POWDER BED FUSION

(SINTERIZZAZIONE)

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

▪ Basato sullasinterizzazione direttadi polveri mediantelaser

metallo

plastica

Andrea VITALI

POWDER BED FUSION

(SINTERIZZAZIONE)

Sinterizzazione laser di MetalloInserti in metallo per stampi ad iniezione, quindi Rapid Tooling

Cavità ed inserti sinterizzati direttamente in metallo da utilizzare per stampaggio ad iniezione

di preserie nel materiale termoplastico definitivo.

Immagine cortesia di EOS

www.eos.com

Sinterizzazione laser di Plastica

Forme 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 EOS

www.eos.comCere, plastiche ABS e PVC, nylon, sabbia da fonderia e

polveri metalliche

In linea teorica, ogni materiale che dimimuisca di viscosità

con il calore

Andrea VITALI

▪ 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)

Andrea VITALI

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

Andrea VITALI

MATERIAL JETTING (POLY/MULTI-JET)

24

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

▪ Deposizione diretta di materiale

▪ Tecnologia derivata da Ink-Jet

Andrea VITALI

▪ Basato sulla sovrapposizione di foglisagomati

SHEET LAMINATION – LOM (1/2)

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

Andrea VITALI

SHEET LAMIANTION – LOM (2/2)

(Immagini cortesia di DemoCenter Scrl)

Andrea VITALI

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-Corp

www.zcorp.com

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

Andrea VITALI

DIRECTED ENERGY DEPOSITION

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

Andrea VITALI

TECNOLOGIE IBRIDE

▪ Additive e sottrattive nella stessa macchina– Vantaggi delle tecnologie additive

– Tolleranze di lavorazione da normale MU

29

Andrea VITALI

Punzone

ESEMPIO (1/3)

Andrea VITALI

ESEMPIO (2/3)

▪ Modello 3D dello stampo

Andrea VITALI

ESEMPIO (3/3)

Prototipi realizzato con tecnologia LOM

Punzone

Andrea VITALI

DOMANDE LEZIONE PRECEDENTE

▪ COSA SONO I SOTTOSQUADRI?

▪ QUAL'È LA TECNICA MIGLIORE IN TERMINI QUALITATIVI?

33

Andrea VITALI

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

Andrea VITALI

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

Andrea VITALI

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)

Andrea VITALI

PICCOLA SERIE

▪ Realizzare il pezzo finito con il materiale e la precisione sufficiente a soddisfare gli scopi per cui ilpezzo viene prodotto

▪ Può essere conveniente quando l'oggetto da realizzare è caratterizzato da una forma particolarmente complessa. Al contrario di ciò cheaccade per le tecnologie di tipo tradizionale infatti, la complessità geometrica non è un vincolodeterminante per le tecniche di AM

Andrea VITALI

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”

Andrea VITALI

INDUSTRIAL ENGINEERING

Andrea VITALI

SETTORE MEDICALE

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

Andrea VITALI

ORTODONZIA

www.invisalign.com

• Apparecchi ortodontici invisibili

Andrea VITALI

BENI CULTURALI

Andrea VITALI

AEROSPACE: BOEING

Andrea VITALI

ADDITIVE MANUFACTURING E

SVILUPPO PRODOTTO

Tecnologia adottata dagli anni 90

• Automotive

• Aerospace

• Beni di sonsumo

Andrea VITALI 62

Quixotic Divinity: This headdress was designed by artist Joshua Harker and manufactured with a system from EOS. It made its fashion-world debut on the catwalk of the 3D-Printshow (Source: 3D Printshow).The use of objects worn over the face for protection, disguise, or entertainment have been used since ancient times. Such ritualistic, theatrical and ceremonial masks have been used across the world for social, tribal and religious reasons. They served indigenous tribes as camouflage when hunting; the clown in the circus arena, the Venetian Carnival or Mardi Gras would be unthinkable without them and certain cultures still use such disguises in customary dances. A mask protects and hides the wearer's true face, giving him or her the opportunity of posing as someone or something else. Pretty or ugly, witty or ghastly, man or animal - everything is possible.

Andrea VITALI 63

Designed -by-Iris-van-Herpen

Andrea VITALI 64

dezeen_Nike-Vapor-Laser-Talon-3D-printed-football-boots

Andrea VITALI 65

Andrea VITALI 66

Andrea VITALI 67