Prototipazione rapida tesina

Istituto Istruzione Superiore Leonardo da Vinci

ITI Meccanica Meccatronica ed Energia

Area di progetto: la tecnologia della prototipazione rapida

Studente: Stefano Natalino

Classe: 5^AM

A.S.: 2013/2014

La prototipazione

Il prototipo

Prima di parlare di prototipazione rapida bisogna capire cos’è un prototipo.

Il prototipo è il modello originale o il primo esemplare di un oggetto.

Normalmente costruito in scala 1:1, sul prototipo verranno effettuati collaudi, modifiche e perfezionamenti, fino al prototipo definitivo, da avviare alla produzione in serie.

La prototipazione rapida

La prototipazione rapida è il processo con cui, attraverso l’utilizzo di software di disegno 3D e stampanti tridimensionali si riesce a fornire modelli fisici di pezzi meccanici in tempi rapidissimi.

Con questa tecnica è possibile partire da file CAD tridimensionali ed ottenere in poche ore, tramite deposizione di sottilissimi strati di materiale, prototipi con caratteristiche eccezionali. Questa tecnica permette di ottenere pezzi di elevata precisione e accuratezza, con particolare attenzione a tolleranze e accoppiamenti.

La prototipazione rapida si differenzia dalle tecniche tradizionali di lavorazioni meccaniche perché mentre queste ultime operano per asportazione di materiale, ossia ottengono la forma voluta lavorando un blocco all'interno del quale essa già esiste, le tecniche RP (rapid prototyping o prototipazione rapida) operano in maniera opposta, ossia per aggiunta di materiale, con la possibilità di poter ottenere forme anche molto complesse, impossibili da realizzare con le lavorazioni tradizionali, semplicemente aggiungendo materiale strato per strato. Si parla, infatti, di fabbricazione stratificata.

La classificazione principale delle macchine RP è fatta in base alle caratteristiche dei materiali impiegati, in particolare polveri, liquidi, solidi. Oggi l'impiego di polveri sta assumendo sempre maggiore importanza, poiché con la stessa macchina si possono ottenere oggetti con caratteristiche differenti cambiando il tipo di polvere.

Oltre alla polvere, ci sono tecniche che si basano su liquidi, costituiti sostanzialmente da resine che vengono fatte polimerizzare, e infine l'uso di materiali solidi quali fili o fogli speciali.

Le macchine RP utilizzano due tipi di materiali diversi per la costruzione del prototipo, un tipo è quello principale che andrà a formare il pezzo finito, e l’altro è il materiale di supporto che ha la funzione di fare da base per il materiale principale durante la fase di stampa, soprattutto per geometrie complesse come cavità, sporgenze, rientranze e parti a sbalzo, nonché la creazione con un unico processo di assiemi completi già dotati di parti mobili e funzionanti, questo materiale è idrosolubile poiché sarà poi rimosso una volta finita la fase di stampa.

La prototipazione rapida si può paragonare all'operazione di stampa di un testo, solo un po' più complicata. In dettaglio le fasi che portano alla realizzazione del prototipo sono le seguenti:

• Creazione del file STL
• Gestione del file STL
• Costruzione del prototipo strato dopo strato
• Operazioni manuali

La prima fase è la creazione del file STL (Standard Triangulation Language To Layer), ossia del file leggibile dalla stampante, si può suddividere sostanzialmente in due momenti.

Il primo momento è la progettazione e la creazione del prototipo graficamente utilizzando software CAD tridimensionali, il secondo momento è l’esportazione del file STL da inviare poi alla stampante che lo leggerà ed eseguirà il pezzo, l’esportazione può essere fatta direttamente dal software CAD o da un software secondario.

Il file STL non è altro che lo stesso disegno 3D creato con il software CAD suddiviso però in tanti strati tanto più sottili quanto più è necessario che il prototipo sia preciso.

Divisione del file CAD in STL

La seconda fase è l’analisi del file STL e cioè si deve verificare che il file sia privo di errori. Il controllo si fa attraverso software appositi che oltre a individuare e correggere gli errori presenti, permettono di inserire i supporti per le parti a sbalzo, orientare gli oggetti (operazione che può influenzare fortemente il risultato finale), modificarne le caratteristiche degli strati che sovrapposti creeranno il solido finale. La modifica degli strati è un’operazione importante perché determina le caratteristiche superficiali e interne dell'oggetto finito. Quest’operazione può essere di tipo uniforme se vogliamo avere un pezzo più compatto e resistente, ma questo comporta un maggior utilizzo di materiale e un maggior tempo di produzione del prototipo. Oppure può essere adattativa quando lo spessore degli strati è variabile, si utilizza quando non abbiamo bisogno di un prototipo eccessivamente resistente, comporta un minor utilizzo di materiale e un minor tempo di produzione.

La terza fase consiste nell'inviare alla macchina il file STL che procederà con la deposizione del materiale strato per strato fino ad arrivare all'oggetto finale.

Fasi della realizzazione del prototipo

Fonte: Gatto A., Iuliano L., “Prototipazione rapida: La tecnologia per la competizione globale”

Questa fase può durare alcune ore in funzione delle dimensioni dell'oggetto in particolare dell'altezza, pertanto un'accurata scelta dell'orientazione fatta nella fase 2 è importante sia per la finitura superficiale sia per ridurre i tempi di produzione.

La quarta fase consiste in operazioni manuali il cui scopo è togliere l'oggetto stampato dalla macchina e liberarlo dal supporto o dal materiale in eccesso ed eventualmente operare ulteriori finiture. La macchina come detto prima utilizza due tipi di materiali, quello di supporto è idrosolubile perché è necessario eliminarlo prima di poter utilizzare il pezzo, si può eliminare a mano nelle parti accessibili del pezzo ma per le parti meno accessibili dove rimangono residui di materiale di supporto (es. fori, gole o incavi) bisogna ricorrere all’utilizzo di speciali lavatrici o idropulitrici.

Le problematiche della prototipazione rapida

Come ogni attività anche la RP è soggetta ad alcune problematiche che influenzano il risultato finale, pertanto un'attenta analisi preliminare e una corretta applicazione delle metodologie derivanti da queste analisi aiutano a diminuire di molto gli inconvenienti che potrebbero verificarsi.

Il File STL, come già ripetuto, è la suddivisione del modello 3D creato con il software CAD, in strati. Questo comporta che la superficie finale del pezzo presenterà un aspetto non perfettamente liscio ma a gradini dovuto al metodo di lavoro della macchina. Quindi a differenti spessori degli strati corrisponderanno differenti finiture del pezzo finito, in particolare per le superfici curve. L'ideale sarebbe di disporre spessori piccolissimi e macchine capaci di stampare tali strati in modo velocissimo.

Per macchine a spessore di strati costante, il problema di regolare lo spessore non si pone più di tanto dato che l’unica scelta che può fare l’operatore è quella dell'orientamento del pezzo sulla tavola di lavoro.

Per macchine a spessore di strati adattativi è diverso; infatti, appositi software si occupano di cambiare lo spessore degli strati in base alla curvatura del pezzo, per cui si avranno strati più spessi di fronte a superfici a elevato raggio di curvatura e più sottili nelle zone a curvatura ridotta. Il risultato finale è quello di avere una superficie a gradini.

Un altro problema è quello dell’interfacciamento, ossia le problematiche che si riscontrano durante il passaggio del file dal software CAD al file STL e poi alla macchina. C'è da dire che oggi i più diffusi CAD hanno già integrato una funzione di esportazione, quindi questi problemi d’interfaccia sono alquanto ridotti, anche se in alcune occasioni possono riscontrarsi.

I vantaggi della prototipazione rapida

I principali vantaggi della prototipazione professionale:

• Elevata accuratezza e finitura
• Riduzione del tempo e del costo della fase di costruzione del prototipo
• Alta precisione e garanzia di planarità
• Parti mobili e parti assemblate ottenute con un unico processo
• Assoluta libertà di forma
• Alta resistenza meccanica dei materiali e del modello
• Possibilità di applicazioni flessibili a scatto e cerniere integrali
• Superfici facilmente lavorabili, incollabili, colorabili, metallizzabili
• Velocizzazione degli altri stadi della produzione
• Disponibilità di più colorazioni di base

Esempio di riduzione del tempo di produzione

Fonte: Gatto A., Iuliano L., “Prototipazione rapida: La tecnologia per la competizione globale”

Fused deposition modeling (FDM)

La tecnica FDM è in grado di produrre modelli tridimensionali non solo per i test meccanici ma anche prototipi funzionali in grado di lavorare come unità produttive. La tecnica FDM ha la funzione di aiutare i designer nella valutazione dei pezzi grazie ad una veloce stampa tridimensionale.

Il processo parte con la creazione del modello tridimensionale CAD del pezzo, la conversione in STL e il caricamento del file nella macchina che dopo averlo processato e analizzato, orienta il pezzo nella posizione costruttiva ottimale ed individua e genera automaticamente le strutture di supporto. Lo spessore degli strati può essere modificato manualmente e varia da 0.172 a 0.356 mm a seconda delle necessità.

Questa tecnica utilizza materiali differenti sotto forma di fili sottili avvolti in bobine che vengono estrusi da una testa di estrusione che li scalda fino ad uno stato semi-liquido. Il materiale estruso viene quindi depositato in strati ultra sottili, uno alla volta. Poiché l’aria attorno alla testina d’estrusione viene mantenuta ad una temperatura inferiore a quella del punto di fusione, il materiale estruso solidifica rapidamente. La testina muovendosi nel piano X-Y costruisce il pezzo sezione dopo sezione partendo da quella inferiore e distribuisce due materiali grazie ad un meccanismo a doppia punta, il primo per costruire il pezzo vero e proprio mentre il secondo per produrre le strutture di supporto. Il particolare prodotto non necessita di post-trattamenti poiché si devono solo eliminare le strutture di supporto con l’utilizzo di speciali lavatrici o idropulitrici ed eseguire la finitura manuale per migliorare la rugosità.

Schema del processo Fused Deposition Modeling (FDM)

I principali vantaggi della tecnica FDM sono i seguenti:

• Costruzione di parti funzionali, i pezzi prodotti presentano ottime caratteristiche meccaniche e ciò è molto utile soprattutto per lo sviluppo di prodotti che richiedono test funzionali in tempi brevi
• Minimo scarto di materiale
• Facilità di rimozione dei supporti
• Facilità di cambio del materiale.

Gli svantaggi sono invece:

• Accuratezza limitata, ciò è dovuto al fatto che il materiale è estruso sotto forma di fili dallo spessore di 1.27 mm circa
• Lentezza del processo
• Ritiro imprevedibile del materiale dovuto al raffreddamento.

I materiali utilizzabili, sotto forma di fili sottili avvolti in bobine, sono vari:

• Cera per microfusione, di un polimero termoplastico, il limite del suo impiego consiste nella bassa temperatura di fusione che crea difficoltà nel controllo della temperatura. Questi problemi stanno spingendo verso un suo progressivo abbandono
• Poliammide, viene usato per realizzare prototipi estetici a causa delle limitate precisioni e proprietà meccaniche
• ABS, garantisce un’alta resistenza meccanica e chimica, stabilità al calore, rigidità, basso coefficiente di ritiro e rapida solidificazione, viene utilizzato soprattutto per la realizzazione di modelli funzionali. La qualità superficiale dei modelli può essere migliorata con verniciatura, sabbiatura e sono inoltre possibili lavorazioni meccaniche tradizionali (torniture, fresature, forature ecc.)
• MABS, è un materiale destinato ad applicazioni medicali, i modelli possono essere sterilizzati con le radiazioni γ e utilizzati per prove funzionali direttamente a contatto con le apparecchiature medicali e nelle camere sterili
• Elastomero, è caratterizzato da elevata elasticità ed è destinato alla realizzazione di prototipi di elementi elastici come le guarnizioni.

Tutti i materiali sono sviluppati e ottimizzati per l’applicazione specifica dell’estrusione semi-liquida, per ogni materiale ne esiste un secondo con proprietà termo-meccaniche leggermente inferiori idrosolubile e con colore diverso destinato alla creazione dei supporti.

Istituto Istruzione Superiore Leonardo da Vinci

ITI Meccanica Meccatronica ed Energia

Approfondimento sulle nuove tecnologie e sul motore endotermico

Argomenti:

Sistemi:

I robot e la robotica industriale

Meccanica:

Dispositivo biella-manovella

Inglese:

The 4 stroke engine and its parts

Storia:

Tecnologie belliche della II guerra mondiale e svolgimento del conflitto

Letteratura:

Il futurismo

Studente: Stefano Natalino

Classe: 5^AM

A.S.: 2013/2014

Sistemi

I robot e la robotica industriale

Definizione e cenni storici

La parola robot è di origine slava (robota) e significa lavoratore, secondo alcuni anche lavoratore forzato. Negli anni quaranta lo scrittore Isaac Asimov modificò radicalmente il concetto di fantascienza descrivendo in una serie di racconti, robot costruiti con lo scopo specifico di compiere determinati lavori. Ad Asimov va dunque riconosciuto il merito di aver fatto nascere la robotica intesa come scienza della costruzione dei robot, anche se ancora a livello di fantascienza. Il successo dei suoi libri fu tale che negli anni sessanta la parola robot fu adottata per indicare le prime macchine industriali che avevano lo scopo di sostituire l’uomo in alcune attività produttive.

Il primo robot industriale chiamato UNIMATE, fu realizzato dalla ditta americana Unimation Inc. nel 1961.

Con il termine robotica industriale si indica la scienza che progetta, costruisce e programma i robot industriali. Essa deriva dall’integrazione di numerose tecnologie, tra le più importanti abbiamo la meccanica, l’elettrotecnica, l’elettronica, l’informatica e la logistica.

Il robot industriale è un manipolatore autonomo e controllato che può essere riprogrammabile, multiscopo e programmabile su tre o più assi e può essere fisso o mobile.

Abbiamo nominato tre termini importanti e con un significato ben preciso, che sono:

• Riprogrammabile: i movimenti programmati e le funzioni ausiliarie possono essere modificate o sostituite senza interventi sulla struttura meccanica e fisica del robot
• Multiscopo: può essere adattato a diverse applicazioni con semplici modifiche fisiche
• Programmabile degli assi: possono essere programmati per specificare i movimenti compiuti dai robot che possono essere di traslazione o di rotazione

In Italia sarebbe più corretto utilizzare il termine automa, che è una macchina che sostituisce l’uomo in alcune attività produttive, in particolare in alcune lavorazioni come la manipolazione, il montaggio e il controllo, deve essere dotato di una memoria per immagazzinare i dati e le istruzioni e deve essere programmabile e flessibile per eseguire cicli di operazioni differenti e ripetitive.

Quindi si può affermare che un robot o automa è una macchina che:

• È capace di movimentare pezzi oppure di eseguire lavorazioni specifiche senza il continuo controllo dell’uomo
• Può essere impiegata per eseguire diversi compiti senza subire modifiche fisiche
• Può eseguire lavori nocivi, pericolosi o inadatti per l’uomo

Struttura del robot

Pur essendo i robot le macchine flessibili per eccellenza, essi vengono costruiti secondo la struttura più idonea ai compiti da svolgere, per questo motivo e per il fatto che non sarebbe economicamente vantaggioso, non esiste oggi un robot universale.

I robot industriali, essendo dei manipolatori, devono essere strutturati in modo da operare con un braccio e una mano.

I componenti principali sono:

• La struttura meccanica
• Il sistema di azionamento dei giunti
• Il sistema di comando, composto dall’unità di governo e dai sensori