Tecnologie di fabbricazione additiva

Generalità

Rapid prototyping-tooling-manufacturing

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Rapid tooling

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Rapid manufacturing

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Manifattura additiva vs sottrattiva

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• Punti di forza additive - Pagina 6
• Punti di debolezza additive - Pagina 6
• Punti di forza manifattura sottrattiva - Pagina 6
• Punti di debolezza sottrattiva - Pagina 6
• Perché l’additive manufacturing? - Pagina 7

Schema di processo

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Produzione personalizzata

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• Vantaggi - Classificazione
• Vantaggi di prodotto AM - Pagina 10
• Vantaggi di processo AM - Pagina 10
• Svantaggi di prodotto/processo AM - Pagina 11
• Classificazione - Pagina 11
• Mercato - Pagina 12

Aspetti economici

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Stampa 4D

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Materiali metallici

Materiali metallici

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Polveri metalliche

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Sistemi di produzione polveri

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Caratterizzazione polveri

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• Analisi dimensionale - Pagina 18
• Morfologia - Pagina 19
• Tecnica SEM e tomografia computerizzata - Pagina 19
• Scorrevolezza - Pagina 20
• Densità vera, apparente e battuta - Pagina 20
• Indice di compressibilità (indice di Carr) - Pagina 20
• Indice di Hausner - Pagina 21
• Angolo di riposo - Pagina 21
• Metodo sviluppato da Granutools - Pagina 21
• Composizione chimica - Pagina 21

Introduzione: PBF

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LPFB

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• Zona termicamente alterata - Pagina 25
• Interazione laser – letto di polvere - Pagina 25

Effetti interazione laser-letto di polveri

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• Instabilità di Rayleigh-Plateau
• Balling, flusso di Marangoni, denudation
• Contrazione volumetrica - Pagina 26

Aspetti da considerare

1. Scelta del recoater - Tipologie - Pagina 33
2. Posizionamento parti sul piatto di stampa - Pagina 34
3. Strategie di scansione - Suggerimenti - Pagina 34
4. Superfici in overhang (α-β, effetto gradino) - Pagina 35
5. Strategie di supportazione - Pagina 35
6. Trattamenti termici (As-built, Stress-relieve, Hot Isostatic Pressing) - Pagina 37

Parametri di processo

VED - Pagina 27

• Potenza laser (P) - Pagina 28
• Velocità di scansione (v) - Pagina 28
• Spessore strato (t) - Pagina 29
• Hatch spacing (h) - Pagina 30

EBM

Pagina 30 - Parametri di processo (Pagina 31): VED, Tensione di accelerazione (V), Corrente di fascio (I) - Pagina 32

Confronto LPBF – EBM

DED

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Aspetti tecnologici

• Ciclo termico DED - Pagina 40
• Percentuale di diluizione - Pagina 40
• Powder efficiency - Pagina 41
• GED - Pagina 41
• Effetti parametri di processo (Pagina 42): P, v, h, t + Iniezione frontale, in linea, dietro

S/Vantaggi

BJ

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• Fasi - Pagina 44
• Principio dell’infiltrazione capillare - Pagina 45

Sinterizzazione

Parametri di processo

• Raster Width - Pagina 48
• Raster Angle - Pagina 48
• Building orientation - Pagina 49
• Spessore layer - Pagina 50
• Air Gap - Pagina 50
• Temperatura di estrusione - Pagina 50
• Velocità di estrusione - Pagina 50

Materiali polimerici

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• Termoindurenti (e polimerizzazione) - Pagina 52
• Termoplastici - Pagina 53

Materiali polimerici per VAT photopolymerization

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Tipologie

• Stereolitografia (SLA)
• Digital Light Processing (DPL)

Parametri di processo

• Layer Thickness, Hatch spacing, Hatch overcure
• Fill Cure Depth
• Part orientation
• S/Vantaggi - Pagina 57

Selective laser sintering

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Material extrusion

• Criticità (Warping e Bridging) - Pagina 60
• S/Vantaggi - Pagina 60

Material jetting

• Tecnologie (PolyJet e MJM) - Pagina 62
• S/Vantaggi - Pagina 62

Materiali compositi

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• Matrice - Pagina 64
• Rinforzo (fibre) - Pagina 65
• Nanocariche - Pagina 67
• Biocompositi - Pagina 68
• Sheet lamination - Pagina 68
• S/Vantaggi - Pagina 69

Material extrusion

Tecnologie LCM RTM - Pagina 70

Sostenibilità

Trattamenti successivi e hybrid manufacturing

Hybrid manufacturing

Generalità sulle tecnologie di fabbricazione additiva

Nella produzione industriale, la tecnologia costituisce l’insieme dei processi necessari a trasformare materie prime (grezzi o semilavorati) in prodotti finiti aventi valore di mercato, attraverso processi produttivi realizzati su macchine o sistemi. La tecnologia, quindi, rende possibile il passaggio dal progetto alla realizzazione fisica di un oggetto; rappresenta dunque la base di partenza per poter fabbricare o produrre un componente.

Cosa vuol dire “produrre”?

“Dare, fornire un prodotto come risultato di una serie di lavorazioni o trasformazioni operate dall’uomo”

Altre definizioni: “Fabbricare, creare attraverso la lavorazione, la trasformazione di una materia prima” “Generare, creare, realizzare, rendere disponibile un prodotto come risultato di procedimenti artigianali o industriali”

Quindi, il ciclo di lavorazioni costituito da una sequenza di processi produttivi rappresenta la base per trasformare un materiale di partenza in un prodotto finito.

La produzione

La produzione rappresenta l’insieme dei processi che permettono di trasformare il materiale di partenza in prodotti con valore di mercato attraverso l’utilizzo di macchine e/o manodopera (risorse), utensili (materiali), energia e informazioni. Input: materiale di partenza. Output: materiale trasformato + scarti e sfridi (che dobbiamo cercare di minimizzare o di riutilizzare cercando, il più possibile, di farli rientrare nel ciclo produttivo di un altro componente; questo significa ridurre il più possibile l’impatto ambientale!).

Dal punto di vista economico, la produzione rappresenta la trasformazione mediante processi produttivi di materiali in prodotti caratterizzati da un valore di mercato maggiore. Il materiale di partenza, quindi, tramite il processo produttivo acquista sempre più valore trasformandosi prima in Work In Process (WIP) e poi in materiale trasformato (raggiungendo, quindi, il suo massimo valore).

Tecnologie tradizionali

• Processi di fonderia: trasformano materiale inizialmente allo stato fuso in pezzi aventi geometria prossima o coincidente con quella finale desiderata (un getto necessita quasi sempre di operazioni post-processing dopo il processo di fonderia come, ad esempio, lavorazioni per asportazione di truciolo per realizzare una finitura superficiale migliore).
• Processi di deformazione plastica: questi processi ci consentono di variare la geometria di un semilavorato mediante la deformazione permanente del materiale senza andare a modificare il volume e la massa del materiale di partenza. Alcuni esempi di processi di deformazione plastica sono: Piegatura, Forgiatura, Stampaggio.
• Processi per asportazione di truciolo (o sottrattivi): si realizza l’asportazione di tutto il materiale in eccesso (sotto forma di truciolo) a partire da un semilavorato di geometria più semplice allo scopo di ottenere la forma finale desiderata; generalmente, sono gli ultimi processi produttivi in un ciclo di lavorazione. Alcuni esempi di processi di lavorazioni per asportazione di truciolo sono: Foratura, Fresatura, Tornitura.

Tecnologie additive – Additive manufacturing

Secondo la normativa ISO/ASTM 52900, l’Additive Manufacturing è definito come l’insieme dei processi di unione dei materiali per realizzare parti a partire dai dati del modello 3D, solitamente strato su strato, in contrasto con la produzione sottrattiva e con le metodologie di produzione formativa. Dunque, l’Additive Manufacturing è in contrasto sia con la logica delle tecnologie sottrattive sia con la logica delle tecnologie formative (cioè che si basano su processi di deformazione plastica).

Quindi, quando parliamo di AM (o Fabbricazione Additiva o Stampa 3D) dobbiamo pensare a un tipo di tecnologia completamente nuova che esce fuori da tutti gli schemi tradizionali a cui siamo stati abituati e che, potenzialmente, è in grado di stravolgere i tradizionali modelli produttivi. Si tratta di una vera e propria rivoluzione nell’ambito delle Tecnologie Produttive; la frase che rappresenta a pieno l’approccio delle tecnologie di AM è: “Put the material only where it is needed”.

Tutti i processi AM partono sempre da un modello 3D (virtuale) per poi stampare (depositare materiale), strato dopo strato, solo dove serve. Diventa quindi fondamentale la parte di progettazione del componente perché è il progettista che deve capire come può intervenire sul pezzo sfruttando la logica dell’Ottimizzazione Topologica. Questo comporta un cambiamento anche nella logica della produzione industriale; in particolare, grazie all’introduzione dei processi AM si acquista una grande libertà nel design (quindi, una grande libertà nella scelta delle forme) e, di conseguenza, anche nel caso in cui si volessero realizzare parti caratterizzate da geometrie molto complesse (al fine di diminuire la massa del componente mantenendo invariate le sue funzionalità), questo aumento della complessità non comporterebbe un aumento del costo di lavorazione e, quindi, del prezzo del prodotto finito. In sostanza, la velocità di stampa è la stessa indipendentemente dalla complessità delle parti che vengono realizzate.

Additive manufacturing come tecnologia abilitante di industria 4.0

Le nuove tecnologie digitali AM sono state inserite tra quelle che vengono chiamate le tecnologie abilitanti di industria 4.0 in quanto hanno un impatto rilevante sul settore manifatturiero e sulla produzione industriale; in particolare, possono contribuire al miglioramento della produttività e della qualità del lavoro aziendale.

Con il termine “industria 4.0” indichiamo la rivoluzione industriale che è in corso in questi anni; viene vista come una visione del futuro secondo cui, grazie alle tecnologie digitali, le imprese industriali e manifatturiere aumenteranno la propria competitività ed efficienza tramite l'interconnessione e la cooperazione delle proprie risorse (impianti, persone, informazioni), sia interne alla fabbrica sia distribuite lungo la catena del valore.

Cosa si intende per industria 4.0?

Il termine “industria 4.0” indica una tendenza dell'automazione industriale che integra alcune nuove tecnologie produttive per migliorare le condizioni di lavoro, creare nuovi modelli di business e aumentare la produttività e la qualità produttiva degli impianti.

Origini del termine industria 4.0

L’espressione “industria 4.0” ha origine in Germania; fu pronunciata per la prima volta all’annuale Fiera di Hannover nel 2011 da un gruppo di lavoro dedicato all’industria 4.0.

Cosa si intende per rivoluzione industriale

Rivoluzione industriale: processo di trasformazione globale delle strutture produttive, economiche e sociali determinato dall'affermazione di nuove tecnologie. Una rivoluzione industriale, quindi, segna la storia europea e mondiale, condizionandone ogni forma di organizzazione civile e di esperienza di vita. Gli imprenditori, i manager, gli impiegati e gli operai a seguito di tali mutamenti, hanno dovuto affrontare sempre nuove sfide per imparare a gestire le nuove tecnologie. La trasformazione avvenuta a seguito di una rivoluzione può essere valutata e compresa solamente a posteriori, quando questa è terminata.

Le quattro rivoluzioni industriali

La prima rivoluzione industriale

• Produzione manifatturiera concentrata in piccoli laboratori artigianali
• Prodotti lavorati a mano in quantità ridotte, con alti standard qualitativi e forte valore aggiunto
• Produzione all’interno delle fabbriche
• Nasce la macchina a vapore; grazie allo sfruttamento dell’acqua e del vapore si possono sfruttare le forze propulsive per dare il moto e il movimento alle macchine all’interno delle industrie energia idroelettrica e motori a vapore alimentati a carbone
• Nuovi sistemi di organizzazione del lavoro, basati sulla separazione e sulla specializzazione dei compiti (impatto sulla società)

La seconda rivoluzione industriale

• Inizio 1870
• Introduzione dell’elettricità, del petrolio (come fonti di energia) e di prodotti chimici adoperati nel contesto della fabbrica
• Avviamento della catena di montaggio (personalizzazione nulla dei prodotti, risvolti etici e sociali negativi)
• Produzione di massa e a basso costo
• Rivoluzione proseguita fino alla Prima Guerra Mondiale, nel 1914
• Progressi nei sistemi di trasporto e di comunicazione effetto globalizzante, interconnettendo culture diverse

La terza rivoluzione industriale

• Introduzione massiccia dell’elettricità e sviluppo del settore informatico e delle telecomunicazioni nell’industria (incremento del livello di automazione all’interno di una fabbrica)
• Definita anche “rivoluzione digitale”: avvento di internet, smartphone, social media, e-mail
• Applicazione delle tecnologie informatiche ai processi produttivi con automatizzazione di alcune fasi, specialmente le più ripetitive
• Innovazioni più rilevanti: robot industriali, software di gestione aziendale e di progettazione (ad es. CAD, CAM, ecc.) e nuove metodologie di organizzazione della produzione
• Cambiamento nel modo di produrre, nella gestione amministrativa, contabile e finanziaria di un’azienda con proliferazione di computer

La quarta rivoluzione industriale

• Attuale e odierna rivoluzione industriale che l’intero pianeta sta affrontando, una rivoluzione non ancora presente sui libri di scuola
• Utilizzo in quantità sempre maggiori di informazioni e di dati attraverso sistemi totalmente digitalizzati e connessi
• Inserimento nei processi manifatturieri, sinora svolti dagli esseri umani, di macchine intelligenti e connesse a internet che servono per favorire una produzione industriale automatizzata e interconnessa
• Manifattura come un flusso integrato immaterialmente grazie alle tecnologie digitali
• Si basa sulle tecnologie abilitanti (di cui fanno parte le tecnologie AM)

Le tecnologie abilitanti

Per tecnologie abilitanti (o “Key Enabling Technologies”, KET) si intendono quelle tecnologie o strumenti in grado di creare modelli di interconnessione tra le informazioni e i sistemi. La Commissione Europea le ha definite come tecnologie ad alta intensità di conoscenza e associate a elevata intensità di ricerca e sviluppo, a cicli di innovazione rapidi, a consistenti spese di investimento e a posti di lavoro altamente qualificati.

Secondo l’Osservatorio Industria 4.0 del Politecnico di Milano, le tecnologie abilitanti sono principalmente sei:

• Tecnologie e servizi più vicini all’Information Technology (IT):
• Cloud Manufacturing
• Industrial Analytics
• Industrial Internet of Things
• Tecnologie vicine al livello operativo:
• Advanced Automation
• Advanced Human-Machine Interface
• Additive Manufacturing

I vantaggi che derivano dall’utilizzo delle diverse tecnologie abilitanti sono molteplici; in particolare, permettono di:

• Sviluppare nuove soluzioni e miglioramenti tecnologici
• Modificare l’approccio dell’uomo con la macchina
• Migliorare le condizioni di lavoro
• Migliorare la qualità del prodotto
• Migliorare l’efficienza del processo
• Migliorare il controllo del processo
• Rendere meno dispendioso il consumo energetico
• Ridurre gli sprechi di materiale
• Accrescere il valore commerciale di un bene e del servizio

La storia dell’additive manufacturing

La nascita ufficiale dell’Additive Manufacturing viene fatta risalire al 1982, quando Chuck Hull inventò il processo di “stereolitografia”, ovvero il primo processo produttivo di fabbricazione additiva. Il principio di funzionamento del processo di stereolitografia consiste nella creazione di un oggetto fisico attraverso una sequenza di strati sovrapposti; questo principio fu poi ripreso dalle tecniche inventate successivamente ed è valido ancora oggi.

1986: Carl Deckard, Joe Beaman e Paul Forderhase (e altri ricercatori), studiando la stereolitografia, idearono la Selective Laser Sintering.

1988: Scott Crump brevettò la Fused Deposition Modeling.

1995: anno di svolta per l’Additive Manufacturing, sviluppo della tecnologia Selective Laser Melting da parte dei tedeschi del Fraunhofer Institute.

2002: sviluppo dell’Electron Beam Melting.

Il termine "Additive Manufacturing" è stato coniato per racchiudere i concetti di:

• Rapid prototyping
• Rapid tooling
• Rapid manufacturing

allo scopo di identificare le tre principali destinazioni di utilizzo di questa tecnologia. L’AM nasce inizialmente con l’obiettivo di soddisfare l’esigenza della realizzazione di prototipi in maniera molto rapida (rapid prototyping). Successivamente, l’AM è stata utilizzata anche per la realizzazione rapida di attrezzature di supporto alla produzione (rapid tooling). Infine, le tecniche AM sono state adottate anche per la realizzazione rapida di prodotti finiti (rapid manufacturing).