Quinn - Innovazione - Fabbricazione Additiva (stato dell'arte) - 2014

FABBRICAZIONE ADDITIVA

STATO DELL’ARTE

2

1 Executive summary

1 Fabbricazione additiva

1 Market outlook

1 Casi di studio

1 Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva

1 Riferimenti e fonti

Indice

3

Executive summary

La copertina del settimanale Economist (21 aprile 2012) è dominata dall’immagine di un uomo seduto ad

una scrivania ed intento a lavorare con tastiera e mouse, che non sono però collegati a un computer, ma

ad un intero stabilimento industriale in miniatura dal quale escono automobili, aeroplani ed utensili. Il

disegno illustra efficacemente come si stia realizzando in questi anni la terza rivoluzione industriale,

almeno secondo gli autori della rivista britannica, che dedicano la loro storia di apertura al cambiamento

nel modo di progettare e soprattutto produrre le cose che ci stanno intorno grazie al digitale.

La prima rivoluzione industriale, spiega l’articolo diapertura dell’Economist, iniziò nel tardo diciottesimosecolo, quando nacque la nuova industria tessile congli stabilimenti meccanizzati. La seconda rivoluzioneindustriale arrivò più di un secolo dopo, all’inizio delNovecento, quando Henry Ford perfezionò la catenadi montaggio per le sue automobili, aprendo le portealla produzione di massa. Le due rivoluzionicambiarono radicalmente la vita di centinaia dimilioni di persone in poco tempo, favorendol’urbanizzazione e condizioni di vita migliori.

Oggi è in corso una terza rivoluzione che sta portando alla digitalizzazione dei metodi produttivi.

4

Executive summary

Il cambiamento è favorito dal progressivo emergere e dalla convergenza di molte tecnologie, a partire dasoftware più pratici, nuovi materiali, robot con maggior abilità, nuovi processi produttivi, come lafabbricazione additiva ed una grande quantità di nuovi servizi sempre disponibili grazie a Internet.Mentre la fabbrica del passato prevedeva la produzione di un’enorme quantità di prodotti in serie, tuttiuguali tra loro, le nuove tecnologie stanno rendendo sempre più semplice ed economicamentevantaggiosa la produzione di manufatti personalizzati a seconda delle richieste dei singoli acquirenti.

Nel passato i prodotti erano realizzati mettendo insieme un elevato numero di parti attraverso unionismontabili e/o non smontabili. Oggi, grazie alla fabbricazione additiva, un prodotto può essere progettatosu un computer e dopo pochissimo tempo essere realizzato con l’impiego di un processo tecnologicoche crea un oggetto solido attraverso la sovrapposizione di diversi strati di materiale uno sull’altro. Ilprocesso può essere portato avanti in maniera del tutto automatica, senza che vi sia un operatore atenere sotto controllo la macchina, e la nuova tecnologia di produzione consente di creare prodottianche molto elaborati che non potrebbero essere costruiti con i tradizionali sistemi di produzione.

A sostegno delle scelte del Management che stia valutando la possibilità di inserire all’interno dellapropria Azienda il processo tecnologico noto come fabbricazione additiva, si fornisce un’ampiadescrizione del nuovo processo di produzione, un inquadramento del mercato di riferimento, alcuniesempi di attrezzature disponibili sul mercato e di applicazioni, ed un caso di studio nel quale si mettonoa confronto, in termini di efficienza economica, due tecnologie standard e la fabbricazione additiva.

FABBRICAZIONE ADDITIVA

6

La «fabbricazione additiva» (additive manufacturing), anche chiamata stampa

3D*, è una tecnologia innovativa che rende possibile la produzione di oggetti

caratterizzati da una geometria comunque complessa, direttamente dal modello

matematico dell’oggetto realizzato su di un sistema CAD tridimensionale.

Inquadramento

*La stampa 3D rappresenta, tecnicamente, un

sottoinsieme della fabbricazione additiva. Altri termini

utilizzati come sinonimi, ancorché non corretti, sono

prototipazione rapida e produzione digitale diretta.

La fabbricazione additiva è stata

concepita nella seconda metà degli anni

‘80 per ridurre i tempi di realizzazione dei

prototipi e per molti anni ha assunto il

nome di «prototipazione rapida»

7

Evoluzione: dalla prototipazione rapida alla fabbricazione additiva [4]

Rapid Prototyping

Prototipi concettuali,

funzionali e tecnici.

Rapid Tooling

Rapid Casting

Rapid Manufacturing

Applicazioni per stampi e

attrezzature di fusione,

produzione di pre-serie.

Fabbricazione additiva

Prodotti finali

1980 20001990 2010 oggi

8

Complessità senza incremento di costo

PRODUZIONE ADDITIVA

complessità

costo

TECNICHE CONVENZIONALILa produzione additiva consente di ottenere un

incremento di complessità senza costi aggiuntivi.

Il punto chiave è rappresentato dall’eliminazione

dalla principale rigidità presente nelle attuali

produzioni dei beni di largo consumo: gli stampi.

I vantaggi ottenibili dalla produzione additiva possono

essere conseguiti solo se il prodotto è progettato tenendo

conto che sarà realizzato con la produzione additiva e

non con le tecnologie standard.

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Classificazione delle tecniche di fabbricazione additiva

Fabbricazione additiva

Polvere

1 componente

Selective Laser Sintering

Selective Electron Beam Sintering

1 componente +

legante3 dimensional printing

Liquido

Stampa a getto Multi Jet Modelling

Fotopolimerizzazione

Lampada U.V. Polyjet

Laser Stereolitografia

Solido

Incollaggio Laminated Object Manufacturing

Estrusione Fused Deposition Modelling

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Progettazione per la fabbricazione additiva

I principi della progettazione per la fabbricazione additiva (Design For AdditiveManufacturing, DFAM) e le modifiche rispetto ai processi di produzionetradizionali sono già stati delineati da diversi ricercatori [1].

Gibson et al. [2] hanno definito lo scopo del DFAM come “la massimizzazionedelle prestazioni del prodotto attraverso un’ottimizzazione topologica delleforme, dimensioni, strutture gerarchiche e composizione del materiale al fine disfruttare al meglio il potenziale delle tecnologie additive”.

Per perseguire tali obiettivi i progettisti devono considerare che:

ü la FA consente di avere sottosquadri, spessore di parete variabile e canaliprofondi e di geometria complessa.

ü Attraverso la FA è possibile produrre componenti con complessità geometricaillimitata, che ammette forme contorte e svergolate, fori ciechi e filettature/viticon un elevato rapporto resistenza/peso.

ü La FA consente la riduzione del numero di parti: è possibile produrredirettamente un assemblato come unico componente integrando giunti ecerniere.

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Selective Laser Sintering: tecnologia

Rappresenta la tecnologia attualmente dominante nell’ambito della fabbricazione

additiva per l’elevata accuratezza dimensionale e la buona finitura superficiale

delle parti prodotte.

12

Selective Laser Sintering: parametri di produzione

1 La direzione z è quella lungo la quale «cresce» il modello prodotto con la fabbricazione additiva2 La sinterizzazione produce una ZTA: il rapido raffreddamento successivo alla sinterizzazione produce una micro-struttura eterogenea

Progettazione

MaterialeLayout

Processo

Post processing

PARAMETRI DI PRODUZIONE (alcuni esempi)

POTENZIALI CRITICITA’

• Auto-tensioni/deformazioni

• Dissipazione termica

• Anisotropia in direzione z1

• Effetto scalino

• Contrazione di volume

• Micro-fusioni/Micro-struttura eterogenea2

• Potenza del laser

• Velocità di scansione

• Dimensione del fascio

• Atmosfera di lavoro

• Spessore dello strato

• Distribuzione granulometrica

• Forma dei grani

• Miscela

• Trattamenti termici

• Pallinatura

• Lucidatura

• Orientazione

• Prossimità

• Dimensioni

• Geometria

13

Selective Laser Sintering: prestazioni

Velocità di produzione 5 ÷ 20 cm3/h

Accuratezza ± 0.02 ÷ 0.05 mm (l rif = 25 mm)

Dimensione minima realizzabile 0.04 ÷ 0.2 mm

Qualità delle superfici* Ra = 4 ÷ 10 μm

Dimensioni massime realizzabili 500 mm x 280 mm x 325 mm

Costo medio delle attrezzature 450,000 € ÷ 600,000 €

Numero di sistemi installati nel mondo ~ 990

*Una superficie finita d’utensile ha una Ra = 3.2 (superficie grezza Ra=12.5)

Fonte: Additive Manufacturing and 3D Printing, State of the Industry. Wohlers Associates (2012)

Il materiale ottenuto dalla sinterizzazione di una miscela di polveri possiedecaratteristiche fisiche e meccaniche esprimibili attraverso una percentuale, più omeno elevata in funzione della messa a punto del processo, delle corrispondenticaratteristiche del materiale di riferimento.

14

Selective Laser Sintering: prestazioni [23]

Materiale X2 CrNiMo 17-13-2

AISI 316L

Forma dei grani sferoidale

Dimensione dei grani 22 μm

Attrezzatura Realizer-250

Potenza del laser 100 W

Atmosfera di lavoro Argon (P = 40 mbar)

Strategia di scansione Bi-direzionale (x/y)

Spessore dello strato(se non diversamente indicato) 75 μm Porosità relativa Vs. Potenza del laser

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Selective Laser Sintering: prestazioni [23]

«d» indica lo spessore dello strato

Caratteristiche meccaniche

Vs.

Spessore dello strato

Orientazione

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Selective Laser Sintering: vantaggi Vs. svantaggi

VANTAGGI SVANTAGGI

Piena libertà di progettazione Bassa capacità produttiva

Complessità senza aggravio di costo Elevati costi di produzione

Potenzialmente tooling free Elevato effort per il set-up

Ottimizzazione topologica → Progettazione leggera Variabilità delle caratteristiche

Consolidamento delle parti → Progettazione snella Processo di produzione discontinuo

Riduzione della complessità nella produzione Dimensioni limitate

MARKET OUTLOOK

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Market outlook: value chain

Material System Software

• Polvere metallica

• Purezza della polvere

• Stabilità dimensionale della polvere (30μm)

• Difficile da reperire presso grossi fornitori a

causa delle dimensioni ridotte degli ordini

• Generalmente venduta dai fornitori dei

sistemi

• Macchina stand alone

• La macchina è assemblata dal produttore

• Il produttore si configura come sistemista:

integra i componenti prodotti esternamente

ed ottimizza la configurazione finale

• Differenza tra software per il controllo di

processo ed applicativi

• Il software per il controllo di processo è

fornito dal produttore del sistema

• Gli applicativi dedicati al miglioramento,

come la generazione automatica del modello

e/o l’ottimizzazione del modello, sono forniti

da software house specializzate.

Application design Production

• Supporto al cliente finale

• Complesso

• È fornito direttamente dal produttore della

macchina, eventualmente in collaborazione

con gli sviluppatori di software

• La competenza specifica non è ancora molto

diffusa in ambito software house

• Scenari di riferimento

ü Il cliente finale produce on site

ü Il cliente finale stipula un contratto di

fornitura con un service provider

ü Il cliente finale commissione la produzione

di un numero limitato di parti ad un

service provider

• Il produttore della macchina non è

generalmente il service provider

19

Market outlook: key players

Material System Software

• Hoganas [8]

• TLS Technik [9]

• Sandvik [10]

• …

• EOS [6, 7]

• SLM Solutions [11]

• Concept Laser [12]

• Renishaw [13]

• Arcam [14]

• Materialise [15]

• Netfabb [16]

• Within [17]

• …

Application design Production

• 3T PRD [18]

• Material Solutions [19]

• EOS [20]

• …

• 3T RPD [18]

• Bego [21]

• LayerWise [22]

• …

20

Market outlook: manufacturers overview

• A livello mondiale nel corso del

2012 sono stati venduti 190

sistemi per la produzione

additiva.

• Il mercato dei produttori di

sistemi per la fabbricazione

additiva è dominato dalla

Germania che ne detiene il 69%.

Fonte: Additive Manufacturing and 3D Printing, State of the Industry. Wohlers Associates (2012).

21

Market outlook: service providers overview

• A livello mondiale esistono più di

90 aziende che forniscono un

servizio di produzione basato

sulla fabbricazione additiva.

• La maggior parte delle aziende

ha dimensioni ridotte (numero di

dipendenti <100).

• Esiste un numero limitato di

aziende (~10%) capaci di operare

in ambiti complessi come quello

dei componenti per il settore

aeronautico/aerospaziale.

Fonte: Additive Manufacturing and 3D Printing, State of the Industry. Wohlers Associates (2012).

22

CASI DI STUDIO

23

EOS – Particolare di una camera di combustione [5]

IN 625

IN 718

24

EOS – Iniettore [5]

25

EOS – Girante di una turbina (1/2) [5]

26

EOS – Girante di una turbina (2/2) [5]

IN 718

27

EOS – Ottimizzazione topologica di un elemento strutturale [5]

Confronto fra la configurazione convenzionale di

un elemento strutturale prodotto con tecnologia

standard e la configurazione ottimizzata dello

stesso elemento strutturale prodotto con

tecnologia Direct Metal Laser Sintering.

28

Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]Il braccetto del Piaggio P180

1) SUPPORTO PRINCIPALE

2) CERNIERA

3) BRACCETTO

4) AMMORTIZZATORE

5) ATTUATORE

29

Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]Il braccetto del Piaggio P180 - Riprogettazione

La geometria dei componenti è stata ottimizzata per topologia e forma: il componenteriprogettato è stato verificato staticamente (carico verticale sul mozzo 1000 N) ed irisultati numerici confermano che le tensioni sono uniformemente distribuite.

30

Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]Analisi dei costi – Ipotesi e limitazioni

Si suppone che l’intera piattaforma di costruzione del sinterizzato sia usata per produrre

copie dello stesso pezzo, perciò il costo di produzione è una costante. Se si considera la

variazione dei costi relativa ad una specifica tecnologia, devono essere presi in

considerazione solo quei fattori che influenzano direttamente il costo del pezzo.Fattori Pressofusione Fresatura DMLS

Grezzo di partenza lingotto spezzone polvere

Attrezzature specifiche stampi bloccaggi/utensili nessuna

Fabbricazione:

• riprogettazione nessuna limitata completa

• macchina pressa CNC 5 assi sistema SLM

• preparazione fusione della lega programmazione CAM creazione del job

• post-trattamento• smaterozzatura

• lavorazioni meccanichepulizia

• trattamento termico

• rimozione delle parti

• rimozione dei supporti

• finitura

31

Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]Analisi dei costi – Pressofusione

Dimensione del lotto [pezzi] N

Costo del materiale [€/kg] 16

Peso del grezzo [kg] 0.162

Costo del materiale [€] 2.59

Costo dei componenti standard [€] 2500

Costo delle figure e dei carrelli [€] 16000

Costi ausiliari [€] 3900

Costo dell’attrezzatura [€] 22400/N

Costo orario della pressa [€/h] 260

Costo orario dell’operatore [€/h] 35

Percentuale di tempo dell’operatore - 10%

Tempo ciclo [h] 0.001

Costo della lavorazione (pressofusione) [€] 0.26

Costo del trattamento termico [€] 1.42

Costo finitura [€] 13.98


Tempo dell’operatore [h] 0.1

Costo delle lavorazioni accessorie [€] 17.9

COSTO TOTALE [€] 22400/N + 20.75

2.6 2.6 2.6

5600.0

2800.0

1866.7

0.3

0.3

0.3

17.9

17.9

17.9

€ 0

€ 400

€ 800

€ 1,200

€ 1,600

€ 2,000

€ 2,400

€ 2,800

€ 3,200

€ 3,600

€ 4,000

€ 4,400

€ 4,800

€ 5,200

€ 5,600

€ 6,000

N=4 N=8 N=12

5620.8€/pezzo

2820.8€/pezzo

1887.5€/pezzo

32

27.5 27.5 27.5

845.0 812.5 801.7

490.0490.0 490.0

€ 0

€ 400

€ 800

€ 1,200

€ 1,600

N=4 N=8 N=12

Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]Analisi dei costi – Fresatura a 5 assi



Peso del grezzo [kg] 1.72


Costo della fresa Ø10 mm [€/pezzo] 55

Costo della fresa Ø6 mm [€/pezzo] 40

Numero di frese Ø10 mm [pezzi] 6

Numero di frese Ø6 mm [pezzi] 4

Costo dell’attrezzatura [€] 490

Costo programmazione CAM [€] 200/N

Costo orario della macchina [€/h] 60

Tempo di attrezzaggio [h] 1/N

Tempo di taglio [h] 10

Tempo improduttivo [h] 3

Costo della lavorazione (fresatura) [€] 260/N + 780

COSTO TOTALE [€] 260/N + 1297.5

1362.5 €/pezzo

1330.0€/pezzo

1319.2€/pezzo

33

Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]Analisi dei costi – Fabbricazione additiva (DMLS)


Costo della riprogettazione [€] 1800/N


Peso della parte (supporti compresi) [kg] 0.178


Costo orario della macchina [€/h] 35

Tempo di costruzione [h] 54

Costo di produzione del job [€/job] 1890


Tempo di preparazione del job [h/job] 1.2

Numero di pezzi per job [pezzi/job] 4

Costo della lavorazione (SLM) [€] 480


Tempo di post-trattamento [h/job] 3

Costo del post-trattamento [€/job] 60

Costo del trattamento termico [€/job] 20

Costo delle lavorazioni accessorie [€] 20

COSTO TOTALE [€] 1800/N + 525.8

450.0

225.0150.0

25.8

25.8

25.8

480.0

480.0

480.0

20.0

20.0

20.0

€ 0

€ 400

€ 800

€ 1,200

N=4 N=8 N=12

975.8 €/pezzo

750.8 €/pezzo

675.8 €/pezzo

34

Confronto tra tecnologie tradizionali e fabbricazione additiva [4]Analisi dei costi – Analisi comparata

0.0

1,000.0

2,000.0

3,000.0

4,000.0

5,000.0

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100

€/pe

zzo

Dimensione del lotto (N)

Pressofusione Fresatura 5 assi Produzione additiva (DMLS)

2

40

35

Riferimenti e fonti (1/2)

[1] Hague, R.J., Campbell, R.I. and Dickens, P.M., (2003). Implications on design of rapid manufacturing.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science,217(C1), 25-30.

[2] Gibson, I., Rosen, D. W. and Stucker, B., (2010). Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping toDirect Digital Manufacturing. New York: Springer

[3] Scott, J., Gupta, N., Weber, C., Newsome, S., Wohlers, T., Caffrey, T., (2012). Additive Manufacturing: Status andOpportunities. Science and Technology Policy Institute, The Institute for Defense Analyses. Washington, DC, USA.

[4] E. Atzeni, A. Salmi. (2012). Economics of additive manufacturing for end-usable metal parts. The InternationalJournal of Advanced Manufacturing Technology. (Online Article). DOI: 10.1007/s00170-011-3878-1

[5] http://www.eos.info/industries_markets/aerospace/engines

[6] http://www.eos.info/systems_solutions/metal/systems_equipment/eosint_m280

[7] http://www.eos.info/systems_solutions/metal/systems_equipment/eos_m_400

[8] http://www.hoganas.com/

[9] http://www.tls-technik.de/e_1.html

36

Riferimenti e fonti (2/2)

[10] http://www.smt.sandvik.com/en/products/metal-powder/

[11] http://stage.slm-solutions.com/index.php?index_en

[12] http://www.concept-laser.de/en/home.html

[13] http://www.renishaw.com

[14] http://www.arcam.com/

[15] http://software.materialise.com/

[16] http://www.netfabb.com/

[17] http://www.within-lab.com/

[18] http://www.3trpd.co.uk/

[19] http://www.materialssolutions.co.uk/

[20] http://www.eos.info/systems_solutions/software

[21] http://www.bego.com/it/home/

[22] http://www.layerwise.com/

[23] H. Meier, Ch. Haberland. Experimental studies on selective laser melting of metallic parts. Mat.-wiss. u.Werkstofftech. 2008, 39, No. 8.

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