Prototipazione rapida

Per poter valutare a priori i diversi fattori che possono influenzare sia la progettazione sia la costruzione di un qualsiasi oggetto (come per esempio gli obiettivi funzionali di applicazione nella pratica, i tempi della filiera del ciclo di produzione,i costi aziendali e di vendita del manufatto e le valutazioni estetiche con la risposta e il gradimento del mercato), sarebbe utile disporre di un primo prototipo, sul quale poi effettuare studi ed eventuali modifiche.

Esistono 2 tipologie di prototipi:

• estetici

• funzionali

La costruzione di questo prototipo sempre richiesto tempi lunghi, costi elevati e difficoltà di gestione mediante tecniche tradizionali (MU manuali, modelli, fusioni e così via) , per cui, il più delle volte, si è passati direttamente alla produzione e si sono espresse valutazioni solo a risultati ottenuti.

Un passo particolarmente importante verso la diminuzione dei costi e dei tempi di realizzazione del prototipo è stato lo sviluppo della tecnica della prototipazione rapida (Rp, rapid prototyping), processo tecnologico che ha permesso di realizzare il prototipo mediante diverse tecniche e sfruttando materiali differenti, in modo da avere la percezione delle forme modellate al CAD prima di iniziare a operare con il CAM e il CNC.

Schema di avanzamento lavori con processo RP (in successione)

1. Processo RP + tradizionale

2. CAD, disegno, pezzo 3D

3. prototipo RP

4. risultato e gradimento del mercato

5. CAM ,programma Cn

6. costruzione MU-CN

L’RP è una tecnologia che consente la produzione di oggetti di forma complessa a partire dal disegno del pezzo realizzato con un modello CAD tridimensionale.

La particolarità dell’RP è quella di trasformare un qualsiasi oggetto tridimensionale in una sovrapposizione di strati bidimensionali; ciò diventa possibile se si considera l’oggetto formato da tante sezioni parallele di piccolo spessore (0,05 fino a 0,5) e se su queste si esegue la lavorazione per stratificazione o per piani (layer manufacturing)

La differenza tra la lavorazione tradizionale e la tecnica RP:

• la tradizionale avviene per asportazione di materiale

• l’RP avviene per aggiunta del materiale strato per strato

L’applicazione dell’RP è enormemente diffusa nei più svariati settori , per esempio :

• automobilistico

• meccanico

• moda

• biomedicale

• odontoiatrico

• elettronico

• architettonico

• ecc

Il processo della RP può essere sintetizzato in alcune fasi fondamentali di cui diamo di seguito una breve descrizione:

1. file STL: una volta eseguito il disegno dell’oggetto in 3D al CAD, è necessario creare un file in formato STL, uno standard internazionale nel campo della prototipazione rapida.

La peculiarità del suddetto formato è quella di descrivere esclusivamente la geometria superficiale di un oggetto tridimensionale con una struttura a elementi triangolari semplici, quanto maggiore è il numero dei triangoli, tanto più precisa sarà l’approssimazione della superficie.

2. Dopo la generazione del formato STL, si passa alla progettazione dei supporti del pezzo, in particolare per le parti a sbalzo, al suo orientamento di costruzione e all’operazione che serve a creare l’una sull’altra, danno origine al pezzo.

Quest'ultima operazione, detta slicing (fette), genera, in funzione dello spessore di apporto del materiale , un errore sul contorno delle superfici curve o inclinate chiamato staircase, o effetto scalino.

Per uniformare o diminuire l’effetto scalino, lo spessore delle fette può essere programmato in funzione del tipo delle caratteristiche della macchina RP e della geometria del pezzo, a spessore costante o variabile.

3. La terza fase consiste nella costruzione del prototipo sulla macchina RP, con apporto del materiale a strati e nella generazione dei supporti del pezzo. Il tempo della lavorazione è generalmente molto lungo e la sua durata è influenzata sia dalla forma del pezzo, sia dallo spessore di stratificazione .

4. A pezzo ultimato, e dopo la sua rimozione dal piano di costruzione, questo risulta composta sia dall’oggetto sia da supporti, per cui, tramite operazioni manuali o lavaggio in acqua con solventi, è necessario passare alla loro diminuzione.

Fondamentalmente , i materiali impiegati nella Rp possono essere utilizzati allo stato:

• liquido: resine organiche liquide che vengono fatte polimerizzare (Fotopolimerizzazione con Laser Stereolitografica (SLA) o Fotopolimerizzazione con Lampada Uv (Polyjet)

• polvere: polveri riscaldate e fuse con raggio laser in materiali termoplastici,metallici,silicei e così via; (Sinterizzazione laser selettiva SLS)

• solido: fili , barrette in materiale termoplastico, fogli laminati di carta, plastica o ceramica e così via. (Incollaggio con stratificazione di fogli di carta (LOM) o estrusione con modellazione di filamenti FDM)

Si usa la stereolitografia: si ha una vasca piena di resina fotosensibile, che quando viene colpita da laser o UV solidifica o polimerizza. La solidificazione è selettiva, si solidifica solo la parte interna del nostro sample.

Il raggio parte dalla superficie, formando gli strati dall’alto verso il basso. Il pezzo rimane immerso nella resina per tutto il processo, questo comporta che: se il pezzo è cavo bisogna svuotarlo, e soprattutto bisogna fare processi post-trattamento. Parte del pezzo potrebbe non solidificare.

La parte che esce dalla vasca prende il nome di green-part, si post-trattata per solidificare tutto il liquido intrappolato. Il pezzo finale si chiama red part.

Un altro metodo è quello di usare cartuccie eiettanti: si eietta la resina allo stato liquido, che viene solidificata per mezzo di una lampada.Il piano di costruzione si muove dall’alto verso il basso. In questo caso non è detto sia necessario il post-trattamento.

Polveri termoplastiche, ceramiche o metalliche. Qui abbiamo la tecnica SLS. Si uniscono particelle solo per mezzo della temperatura, copia grossolana della fusione.

Qua si prevede temperatura e pressione, quindi qui è usata impropriamente. La pressione viene data mediante un rullo, che livella la polvere. Il laser fa solidificare in maniera selettiva. Effetto combinato temperatura e pressione.

Non servono supporti, lo fa direttamente la polvere.

Tecnica LOM: il materiale di partenza sono fogli cartacei-plastici arrotolati in rulli e incollati strato per strato. Vengono tagliati poi col laser. Si ottiene un materiale stratificato simile al legno. Importante agire sulla finitura superficiale. Il laser è focalizzato con un sistema di ottiche, segue il percorso dato dal file.

Tecnica FTM: materiale contenuto in cartucce. Materiale viene condotto in un ugello. Generalmente si usa materiale performante per l’oggetto, economico e fragile per i supporti.
Si hanno due testine (una per materiale). Queste seguono il contorno che deve avere l’oggetto. Generalmente la testina ha due assi, il piano 1.