Tesi triennale - Additive Manufacturing: tecniche, materiali, applicazioni

Politecnico di Torino

Collegio di Ingegneria Gestionale – Classe L/9
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale
Tesi di Laurea di I livello
Additive Manufacturing: Tecniche, Materiali e Applicazioni
Relatore: Prof. Giulio Malucelli
Candidato: Federico Neri
Anno Accademico 2020-2021

Indice

• Premessa e scopo del lavoro
• Origini e sviluppi Additive Manufacturing
• Tecniche Additive Manufacturing
  • Il processo produttivo
  • Materiali
  • AM di polimeri
    • Stereolitografia (SLA)
    • Fused Deposition Modeling (FDM)
    • Selective Laser Sintering (SLS)
    • Polyjet
  • AM di metalli
    • Selective Laser Melting (SLM)
    • Electron Beam Melting (EBM)
    • Beam Deposition - Laser-based Metal Deposition
  • Three Dimensional Printing
  • Layer Laminate Manufacturing (LLM)
• Applicazioni dell’Additive Manufacturing
  • Applicazioni industriali per Polimeri Termoplastici
  • Applicazioni industriali per i metalli
  • Applicazioni mediche dell’AM
  • AM nell’industria spaziale
• Conclusioni
• Bibliografia

Indice figure e tabelle

• Figura 1.1 schema di una macchina per stereolitografia
• Figura 1.2 schema di una macchina per selective laser melting
• Figura 2.1 schema dei passi che compongono il processo produttivo
• Figura 2.2 conversione da un modello CAD a un modello STL
• Figura 2.3 schema della foto-polimerizzazione per stereolitografia
• Figura 2.4 schema di una macchina per fused deposition modeling
• Figura 2.5 schema del processo di selective laser sintering
• Figura 2.6 schema del processo di polymer jetting (sinistra), macchina Connex 500 per il polyjet a 2 materiali (destra)
• Figura 2.7 schema di una macchina per il selective laser melting
• Figura 2.8 schema di una macchina per electron beam melting
• Figura 2.9 schema di un generico processo di beam deposition
• Figura 2.10 schema del processo di 3 dimensional printing
• Figura 2.11 schema dell’ultrasonic consolidation
• Figura 3.1 fotografia di una griglia per il passaggio dell’aria realizzata in Ultem 9085 mediante FDM
• Figura 3.2 tre ugelli convergenti da una a quattro porte prodotti con FDM
• Figura 3.3 set di strumenti di formatura in polietere-immide caricato con fibra di carbonio
• Figura 3.4 prototipi di girante PH1 in acciaio inossidabile sulla piastra di lavoro nella camera di costruzione
• Figura 3.5 bilanciere automobilistico ad alte prestazioni realizzato sfruttando i supporti per formare aree vuote lungo l’asse z
• Figura 3.6 canali di raffreddamento ad acqua realizzati in MS1
• Figura 3.7 esempio di girante in PH1
• Figura 3.8 collimatore a raggi x realizzato in polimero di tungsteno tramite 3DP
• Figura 3.9 immagine di un pezzo prodotto con AM che mostra la vascolarizzazione all'interno di un organo umano
• Figura 3.10 rete in titanio formata attorno a un modello maxillo-facciale
• Tabella 2.1 principali tecnologie di AM e materiali per cui sono maggiormente utilizzate

Premessa e scopo del lavoro

L’Additive Manufacturing è una tecnologia produttiva innovativa che costituisce una parte della cosiddetta Industry 4.0. I sistemi di stampa 3D stanno guadagnando ovunque terreno, vedendo ampliare di continuo il ventaglio dei loro possibili settori di applicazione. Basti pensare che la stampa 3D negli ultimi anni ha mosso passi da gigante all’interno del mondo delle imprese, tanto che oggi, come evidenziato in un recente studio della Dimensional Research, è presente nell’81% di esse.

Ciò che ha spinto sempre più organizzazioni in questa direzione è la necessità di velocizzare il processo di prototipazione e lo sviluppo di un determinato prodotto, passaggi che hanno acquisito una sempre maggiore importanza strategica in un mercato all’interno del quale chi arriva primo è destinato a vincere sulla concorrenza.

Si presenta così il presente lavoro di tesi, all’interno del quale saranno illustrati i materiali e le principali tecnologie impiegate nell’Additive Manufacturing. Saranno inoltre descritti alcuni esempi di applicazioni in settori tecnologici avanzati. Il primo capitolo presenta una rapida panoramica storica sull’evoluzione dell’Additive Manufacturing, a partire dalla sua nascita fino all’affermazione delle tecniche che ne hanno maggiormente segnato il percorso. Il secondo capitolo propone un’analisi dei materiali e delle tecniche maggiormente utilizzati in questo tipo di tecnologia. Il terzo capitolo illustra alcune applicazioni tecnologiche che hanno avuto un peso rilevante nei rispettivi settori industriali.

1. Origini e sviluppi additive manufacturing

Il primo tentativo di realizzare oggetti solidi mediante l’utilizzo di fotopolimeri risale alla fine degli anni ’60, presso il Battelle Memorial Institute, a Columbus, Ohio. L’esperimento prevedeva l’intersezione di due fasci laser di diversa lunghezza d’onda nel mezzo di una vasca di resina fotopolimerica, tentando di polimerizzare (solidificare) un volume del materiale nel punto d’intersezione. La resina utilizzata nel processo era già stata messa a punto negli anni ’50.

Verso la fine degli anni ’70 comparvero alcuni brevetti sulla fotografia solida. L’invenzione prevedeva il taglio di sezioni trasversali mediante controllo computerizzato, attraverso una fresatrice o un laser, e il loro impilaggio per formare un oggetto 3D.

Nel 1980, Hideo Kodama dell’Istituto municipale di ricerca industriale di Nagoya (Giappone) fu tra i primi pionieri nell’invenzione dell’approccio di vulcanizzazione laser a raggio singolo. I suoi esperimenti consistevano nel proiettare raggi UV usando una lampada a mercurio e una resina fotosensibile chiamata Tevistar. Il metodo prevedeva l’utilizzo di una pellicola in bianco e nero con la funzione di mascherare e controllare la regione di esposizione, corrispondente a ciascuna sezione trasversale. Nei suoi scritti successivi Kodama descrisse attentamente le tre tecniche di base da lui utilizzate per creare parti in plastica, solidificando sottili strati consecutivi di fotopolimero.

Gli esperimenti di Kodama con le tre tecniche sono stati forse la prima prova del funzionamento delle tecniche di Additive Manufacturing (AM) nel mondo.

La nascita ufficiale dell’Additive Manufacturing si può far risalire al 1982, quando Charles “Chuck” Hull inventò la Stereolitografia, una tecnica di fabbricazione additiva concepita per i polimeri. Hull fondò la 3D Systems, che divenne così la prima realtà commerciale di Rapid Prototyping. La stereolitografia (figura 1.1) è un sistema in cui una sorgente UV è focalizzata verso il basso in un bagno polimerico liquido fotopolimerizzabile. Tale sorgente di luce ha funzione di innescare in maniera selettiva, rimanendo coerente con la geometria del pezzo, una reazione termoindurente nel fotopolimero. Successivamente alla polimerizzazione di uno strato, la piattaforma di lavoro, sommersa dal liquido, scende di un delta, così da consentirne la lavorazione di quello successivo. Il principio fisico alla base di questo processo, ovvero la realizzazione del pezzo strato per strato, fu ripreso anche nelle tecniche sviluppate successivamente e resta valido ancora oggi. Chuck Hull fu anche la prima persona a trovare un modo per consentire ad un file CAD di comunicare col sistema RP (rapid prototyping) per costruire parti modellate al computer. I modelli CAD dovevano essere suddivisi in modo virtuale, così che ogni sezione potesse essere utilizzata per creare un livello utilizzando la stampante 3D.

Nel 1986 Carl Deckard, Joe Berman e Paul Forderhase (insieme ad altri ricercatori), partendo dallo studio della stereolitografia, idearono il Selective Laser Sintering (SLS), un processo concettualmente similare a quello scoperto in precedenza, ma all’interno del quale il fotopolimero liquido era sostituito da un polimero termoplastico in polvere. Nella SLS la forma in polvere del materiale è spalmata su una piastra sulla quale un laser sinterizza selettivamente la polvere in alcune aree della piastra stessa. Il supporto si abbassa di un delta e un altro strato di polvere è quindi distribuito sullo strato precedente così che il processo possa essere ripetuto. Alla fine, la polvere è sinterizzata, producendo una parte 3D.

Nel 1988 Scott Crump brevettò il Fused Deposition Modeling (FDM). Questa tecnologia prevede il riscaldamento di un materiale termoplastico in uno stato semiliquido, che è poi depositato su un substrato, dove costruisce la parte da realizzare strato per strato. Questa tecnologia fu brevettata nel 1992. Sia la SLS, sia la FDM hanno come vantaggio la possibilità di realizzare parti definitive con un materiale termoplastico.

Durante lo stesso periodo, Roy Sanders stava sviluppando un nuovo metodo RP. La sua azienda, precedentemente nota come Sander Prototype, ora denominata Solidscape, commercializzò la sua prima stampante 3D nel 1994. Questa macchina usava un approccio simile a quello della stereolitografia, ma invece di un laser, era spruzzato (a getto d’inchiostro) su una piastra del liquido termoplastico a cera calda per costruire ogni strato di un componente.

Nel 1993 Emanuel Sachs del MIT, Massachusetts Institute of Technology di Boston, sviluppò la Three Dimensional Printing, una tecnologia di stampa che consente di stampare elementi colorati allo scopo di ottenere una migliore resa d’immagine realistica. Il limite per questa tecnologia risiede nel fatto che il materiale non può essere usato per la produzione di parti definitive, può essere quindi applicato alla prototipazione concettuale.

Fino a quel momento le stampe 3D consentivano di realizzare parti solo utilizzando materiali polimerici. Con l’avvento degli anni ’90 prese sempre più piede la ricerca focalizzata a conciliare l’AM con l’utilizzo di materiali metallici e ceramici. Il 1995 fu un anno di svolta per l’Additive Manufacturing: per la prima volta la tecnologia permise di fondere polveri di metallo e realizzare oggetti la cui densità fosse equiparabile a quella ottenibile con l’industria tradizionale. Questo risultato fu ottenuto attraverso una procedura analoga al Selective Laser Sintering, questa volta in grado però di sinterizzare polveri metalliche (Selective Laser Melting, figura 1.2). Tale tecnica fu sviluppata al Fraunhofer Institute. Questo processo consentì di utilizzare molti materiali metallici come alluminio, cobalto, nichel, acciaio inox e leghe di titanio.

Nello stesso periodo, fu sviluppata ad Albuquerque, New Mexico, un’altra tecnologia di stampa 3D che potesse produrre parti metalliche. Fu chiamata Laser Engineered Net Shaping (LENS). Il sistema LENS funziona facendo depositare la polvere sotto un laser ad alta potenza dove è fusa e si solidifica su un substrato. La base e la testa sono entrambe mobili, così da poter depositare strato per strato il metallo solo sulle aree selezionate del substrato, fino alla costruzione della parte desiderata.

Un altro processo di Additive Manufacturing che è molto popolare tuttora e fu ideato sul finire degli anni ’90 (commercializzato nel 2002) è l’Electron Beam Melting (EBM). Questa tecnologia opera sparando un fascio di elettroni sopra ad un letto di polvere in aree selettive fondendolo. Una volta che lo strato è stato fuso nelle aree selezionate, un altro strato di polvere è depositato sopra il precedente e il processo continua fino al completamento del pezzo. Le tecniche sopra elencate si sono dimostrate le più significative nel percorso di affermazione dell’Additive Manufacturing. Oltre a queste ne esistono molte altre e la ricerca per migliorarle continua ad essere molto attiva, specialmente per poter consentire di produrre parti definitive con questa tecnologia.

2. Tecniche di additive manufacturing

2.1 Il processo produttivo

Tutti i processi di sviluppo di un prodotto che coinvolgano una macchina di Additive Manufacturing richiedono che l'operatore esegua una sequenza prestabilita di attività. La differenziazione delle macchine avviene per costo, semplicità d’utilizzo e facilità di posizionamento in un ambiente di lavoro. Nelle macchine di più semplice utilizzo (desktop o di stampa 3D) è probabile che un passaggio del processo possegga poche opzioni e richieda uno sforzo minimo. Tuttavia, ciò comporta anche che generalmente ci siano meno scelte, con una gamma limitata di materiali e altre variabili con cui effettuare la sperimentazione. Le macchine più grandi e più versatili hanno una maggiore capacità di soddisfare le diverse esigenze dell'utente e di conseguenza risultano più difficili da utilizzare. Possiedono una più ampia varietà di risultati possibili ed effetti che possono essere sfruttati da un operatore esperto. Tali macchine richiedono inoltre un'installazione più accurata negli ambienti di lavoro.

Si fa riferimento a otto passaggi chiave nella sequenza del processo:

• Concepimento del modello e CAD
• Generazione file STL
• Trasferimento e manipolazione del file STL sulla macchina AM
• Setup della macchina
• Costruzione del componente
• Rimozione e pulizia dei componenti
• Post-trattamento
• Applicazione

Concepimento del modello e CAD (Computer Aided Design)

Il primo step in ogni processo che ha come scopo lo sviluppo di un prodotto è di trovare un'idea sull’aspetto e il funzionamento del prodotto stesso. Il concepimento di tale modello può assumere molte varianti, ma, se si deve utilizzare l’AM, la descrizione del prodotto necessiterà di una forma che consenta di realizzare un modello fisico finale. È quindi importante che tale modello sia descritto all’interno di un computer. La tecnologia AM non esisterebbe se non fosse per il CAD 3D, il quale consente la creazione di un modello matematico tridimensionale del prodotto. Solo dopo aver acquisito la capacità di rappresentare oggetti solidi nei computer si è stati in grado di sviluppare la tecnologia per riprodurre fisicamente tali oggetti. Il processo AM generico deve quindi iniziare con le informazioni CAD 3D, come mostrato in figura 2.1. In passato, i software riscontravano delle difficoltà nella creazione di modelli solidi completamente chiusi, e, spesso, sembravano essere chiusi all'osservatore casuale ma in realtà non lo erano. Tali modelli potevano produrre output imprevisti dalle macchine AM, in base a come le diverse tecnologie AM trattavano le lacune. Oggi, il software CAD si è sviluppato nella misura in cui ci sono pochissimi problemi con le discontinuità superficiali, con un ampio software di controllo e correzione integrato nella maggior parte dei sistemi.

Generazione file STL

Quasi ogni tecnologia AM utilizza il formato di file STL. Il termine STL deriva da STereoLithography (la prima tecnologia commerciale AM della 3D Systems negli anni ’90), ma è anche utilizzato come acronimo di Standard Triangulation Language. STL è un modo semplice per descrivere un modello CAD in termini di sola geometria. Funziona convertendo il modello CAD 3D in un modello nel quale le superfici interne ed esterne sono approssimate da triangoli di differenti dimensioni, in funzione della complessità geometrica e della risoluzione richiesta, così da ricreare il profilo del componente. Si cerca così di avvicinare le superfici del modello con una serie di sfaccettature triangolari (figura 2.2). L'obiettivo è garantire che i modelli creati non mostrino triangoli evidenti sulla superficie. In altre parole, una basilare regola empirica è fare in modo che l'offset del triangolo minimo sia inferiore alla risoluzione della macchina AM. Il processo di conversione in STL è automatico nella maggior parte dei sistemi CAD, ma esiste la possibilità che si verifichino errori durante questa fase. Sono stati quindi sviluppati numerosi strumenti software per individuare tali errori e correggerli quando possibile. Sebbene la maggior parte degli errori possa essere rilevata e automaticamente corretta, potrebbe essere necessario un intervento manuale. Poiché le geometrie possono diventare molto complesse, potrebbe essere difficile per il software stabilire se il risultato sia veramente un errore o qualcosa che appartiene all’intento progettuale originale.

Trasferimento e manipolazione del file STL su una macchina di AM

Successivamente alla sua creazione, il file STL può essere inviato direttamente alla macchina di AM per la quale è stato concepito. Idealmente, si dovrebbe poter premere un pulsante "stampa" e la macchina dovrebbe essere in grado di costruire subito il componente. Tuttavia, prima di fabbricare il pezzo potrebbero essere necessarie alcune operazioni. Oltre a verificare che la rappresentazione sia corretta, potrebbe essere richiesta la volontà da parte dell’utente di riposizionare il componente o cambiarne l’orientamento prima della costruzione. Inoltre, è pratica abbastanza comune il costruire più di un componente alla volta nella stessa macchina. I componenti possono essere multipli dello stesso pezzo (funzione di copia) o file STL completamente diversi. Un’altra funzione utilizzabile è il ridimensionamento dei file STL in modo lineare. Casi più insoliti possono richiedere la segmentazione (per esempio per parti troppo grandi) o persino l'unione di più file STL. Va notato che non tutte le macchine AM avranno tutte le funzioni qui menzionate.

Setup della macchina

Tutte le macchine per l’AM hanno alcuni... (continua)