Riassunti di Digital manufacturing

Riassunti di A.A. 2018/2019, lezione di Digital manufacturing Padova Unipd

Lezioni tenute dal Professor Paolo Bariani.

Sommario

• Sommario ......................................................................................................................................... 1
• 1 CAM-Computer aided manufacturing ...................................................................................... 3
• 1.1 Sistemi retroattivi ............................................................................................................. 4
• 1.2 Macchine CNC ................................................................................................................. 5
• 2 Programmazione di una macchina CNC (G-Code) .................................................................. 7
• 3 Additive manufacturing .......................................................................................................... 10
• 3.1 Introduzione .................................................................................................................... 10
• 3.2 Stereolitografia ............................................................................................................... 10
• 3.3 Digital light processing................................................................................................... 11
• 3.4 Fused deposition modelling ............................................................................................ 12
• 3.5 Binder jetting .................................................................................................................. 14
• 3.6 Photopolymer jetting ...................................................................................................... 15
• 3.7 Laser melting .................................................................................................................. 16
• 3.8 Laser sintering ................................................................................................................ 17
• 3.9 Electron beam melting .................................................................................................... 18
• 3.10 Direct metal laser deposition .......................................................................................... 19
• 3.11 Produzione delle polveri metalliche ............................................................................... 20
• 3.12 Vantaggi e svantaggi delle tecnologie AM ..................................................................... 20
• 3.12.1 Vantaggi delle tecnologie AM ................................................................................ 20
• 3.12.2 Svantaggi delle tecnologie AM .............................................................................. 21
• 4 Prototipazione del prodotto .................................................................................................... 22
• 4.1 Introduzione .................................................................................................................... 22
• 4.2 Impiego dei prototipi ...................................................................................................... 22
• 4.3 Tipologie di prototipi ...................................................................................................... 22
• 4.4 Metodi di prototipazione ................................................................................................ 24
• 4.5 Prototipazione rapida ...................................................................................................... 24
• 5 Seminari Ing. Gramegna sul CAE .......................................................................................... 25
• 5.1 Introduzione .................................................................................................................... 25
• 5.2 Processi e modelli di fonderia dell’acciaio .................................................................... 25
• 5.3 Processi e modelli per la fonderia della ghisa ................................................................ 27
• 5.4 Processi e modelli per la fonderia di alluminio .............................................................. 27
• 5.4.1 Colata in sabbia ...................................................................................................... 27
• 5.4.2 Colata in stampo permanente ................................................................................. 28
• 5.4.3 Colata a bassa pressione ......................................................................................... 28
• 5.4.4 Pressocolata ............................................................................................................ 29
• 5.5 Processi e modelli per la deformazione plastica dei materiali metallici ........................ 29
• 5.6 Strumenti di simulazione per le lavorazioni meccaniche ............................................... 31
• 6 Seminari Ing. Paolo Chiabert sul PLM .................................................................................. 33
• 6.1 Introduzione ................................................................................................................... 33
• 6.2 Configuration management ............................................................................................ 33
• 6.3 Change management ...................................................................................................... 33
• 6.4 Project management ....................................................................................................... 34
• 6.5 Requirements development e management .................................................................... 34
• 6.6 Product lifecycle management ....................................................................................... 34
• 7 Aggiunte finali ....................................................................................................................... 36
• 7.1 Precisazioni programmazione G-code ........................................................................... 36
• 7.2 File in formato STL ....................................................................................................... 36
• 7.3 Orientazione del pezzo sulla platform............................................................................ 37
• 7.4 Supporti .......................................................................................................................... 37
• 7.5 Ottimizzazione topologica ............................................................................................. 37
• 7.6 Strategie di stampa ......................................................................................................... 38
• 7.7 Stress residui .................................................................................................................. 38

1 CAM-Computer aided manufacturing

I software CAM sono impiegati nella fase di produzione del componente per migliorare la produttività, la qualità e i profitti del processo produttivo. Gli obiettivi del CAM sono diminuire i costi, migliorare la qualità e abbattere i tempi di produzione. Esso permette di svolgere un’analisi della produzione ancor prima che essa venga svolta.

Generalmente il CAM interagisce con macchinari a controllo numerico CNC. La tecnologia CNC è basata sul controllo del movimento della macchina mediante un apposito part program. I macchinari CNC si compongono fondamentalmente di due pezzi: la macchina utensile e l’unità di controllo (NCU). Quest’ultima è divisa in DPU, che legge e decodifica le coordinate del part program, e in CLU, che muove gli assi.

Il funzionamento dei macchinari CNC si basa sul moto relativo tra pezzo e utensile. Questo tipo di macchine sono in genere dotate di 5 assi: la terna principale x, y, z e gli assi secondari di rotazione e basculamento del pezzo. La movimentazione dell’utensile può essere punto a punto oppure in presa continua. La prima è impiegata quando si devono riprodurre traiettorie semplici di tipo rettilineo perché gli assi vengono mossi uno alla volta. Quando si vogliono riprodurre geometrie complesse allora si controlla l’utensile in maniera continua, affinché sia sempre in presa diretta con il pezzo.

La macchina CNC può utilizzare simultaneamente due o più assi durante la lavorazione. Si parla di 2D quando l’utensile si muove lungo gli assi x e y fissata la quota z. Si parla di 2D / quando la quota z viene fatta variare in più step durante la lavorazione. La lavorazione 3D viene svolta facendo variare tutte le coordinate della terna principale. La lavorazione più complessa è quella 5D che muove tutte e 5 le coordinate della macchina.

Terminologia

• Range: definisce la capacità del macchinario. Imposta il limite inferiore e il limite superiore entro i quali la macchina lavora correttamente.
• Risoluzione: è il cambiamento più piccolo dei parametri di controllo. Rappresenta un vincolo quando si vanno ad impostare le tolleranze di progetto.
• Accuratezza: è la deviazione tra il valore misurato e quello nominale.
• Precisione/ripetibilità: è la probabilità con la quale il valore misurato si discosta da quello nominale.
• Errore: è il valore dello scostamento tra il valore misurato e il valore nominale. L’errore può essere random o sistematico. Se è random si deve trattare in maniera statistica, mentre se è sistematico è necessario rivedere le condizioni di processo.

1.1 Sistemi retroattivi

I sistemi retroattivi monitorano la posizione effettiva del pezzo rispetto alla posizione nominale. Questo tipo di sistemi vengono altamente sovradimensionati per sopportare al meglio i carichi e gli attriti prodotti dalla lavorazione e restituire una misura precisa all’unità di controllo.

Il controllo della posizione del carrello che muove l’utensile è svolto dall’encoder. Esso può essere di due tipologie: incrementale o assoluto. Il primo acquisisce un preciso e definito numero di pulsazioni per rivoluzione. La limitazione di questo sistema sta nel fatto che ad ogni accensione della macchina utensile è necessario settare il grado 0 dal quale partire per fare le misurazioni. L’encoder assoluto non richiede questo tipo di attenzione e può svolgere un numero di rilevamenti decisamente superiore. Tuttavia è maggiormente soggetto agli errori sistematici. Per misurare il numero di giri dell’utensile si impiega il tachimetro.

Questi strumenti di controllo possono essere posizionati in diversi punti della macchina. Si parla di loop chiuso quando i sistemi di controllo sono posti sul carrello portautensile. Essi ne studiano lo spostamento e inviano le informazioni all’unità di controllo. Si parla di loop semi-chiuso quando il sistema di controllo è calettato sulla sorgente in ingresso, ovvero l’albero servomotore. In questo modo si può controllare indirettamente la posizione del carrello. Combinando il loop chiuso con quello semi-chiuso si ottiene il loop ibrido. Esso è caratterizzato dalla presenza di un encoder che controlla la sorgente in ingresso e di un sistema di compensazione che monitora la posizione effettiva del carello.

1.2 Macchine CNC

Le macchine a controllo numerico sono composte da tre unità:

• MMI: è l’interfaccia tra operatore e macchina CNC.
• NCK: interpreta e controlla le righe di codice, svolge un’interpolazione e compensa gli errori.
• PLC: agisce sul cambio utensile, sulla velocità del mandrino e sul cambio del pezzo.

Il funzionamento di una macchina utensile può essere scandito in 5 fasi. La prima è la scrittura del part program mediante l’unità MMI. Successivamente l’NCK legge le coordinate e le interpola. In seguito la stessa unità definisce i profili di accelerazione e decelerazione. Infine si controlla la giusta successione dei movimenti. I profili di accelerazione possono essere lineari, esponenziali o a forma ad S. Nelle macchine di ultima generazione è stato implementato un programma look ahead che permette di conoscere il feed rate ottimale.

Le strategie di lavorazione devono essere scelte secondo la qualità richiesta e per ridurre al minimo i tempi di produzione. Tra le principali si possono individuare la pocket milling, la face milling, la profile milling e le lavorazioni superficiali.

2 Programmazione di una macchina CNC (G-Code)

La parte più importante di una macchina a controllo numerico è il part program. Esso serve per definire i movimenti che la macchina deve eseguire per realizzare una lavorazione meccanica. Il part program è normato da ISO 6983 e sfrutta il linguaggio G-Code. Questo tipo di linguaggio contiene dei codici alfanumerici messi in sequenza in cui la lettera indica l’indirizzo e il numero rappresenta un valore o un codice di funzione. Ogni blocco è costituito da un numero di blocco, informazioni geometriche e informazioni tecnologiche.

Le lettere si suddividono in indirizzi di movimento (A,B,C,U,V,W,X,Y,Z) e indirizzi macchina o funzioni (F,G,M,N,S,T). Gli indirizzi possono essere modali, cioè che rimangono attivi finché non vengono sostituiti da un altro indirizzo corrispondente, o non modali, rimangono attivi nel blocco.

Vengono elencate di seguito le funzioni principali e i comandi più usati. È bene tenere a mente che i programmi delle macchine CNC non sono tutti uguali, per cui i comandi potrebbero variare di macchina in macchina.

Funzione N

Identifica il numero di blocco. I codici devono essere disposti in ordine crescente e non progressivo.

Funzione G

Predispone il modo di esecuzione delle istruzioni successive.

• G90 Coordinate assolute.
• G91 Coordinate incrementali.
• G00 Spostamento veloce e si indicano le coordinate del punto finale rispetto al sistema di riferimento indicato.
• G01 Spostamento da un punto A ad un punto B per interpolazione lineare.
• G02 Spostamento da un punto A ad un punto B per interpolazione circolare in senso orario.
• G03 Spostamento da un punto A ad un punto B per interpolazione circolare in senso antiorario.

Se si utilizzano i comandi G02 o G03 si possono usare due tecniche di comando: si può indicare con I(X), J(Y) e K(Z) le coordinate dell’arco di circonferenza rispetto al punto iniziale oppure si può indicare con R il raggio della traiettoria.

• G17 Piano di lavoro X-Y.
• G18 Piano di lavoro Z-X.
• G19 Piano di lavoro Y-Z.
• G40 Disattiva compensazione raggio utensile.
• G41 Attiva compensazione raggio utensile a sinistra.
• G42 Attiva compensazione raggio utensile a destra.
• G94 Velocità di avanzamento F in mm/min (default fresa).
• G95 Velocità di avanzamento F in mm/giro (default tornio).
• G96 Velocità rotazione mandrino in m/min.
• G97 Velocità rotazione mandrino in giri/min.
• G80 Soppressione del ciclo.
• G81 Foratura normale.
• G82 Foratura normale con sosta (lamatura).
• G83 Foratura profonda (con scarico).
• G84 Filettatura.
• G85 Alesatura.
• G86 Barenatura.
• G87 Variano a seconda del modello di controllo numerico.
• G88.
• G89.

Funzione T

Definisce l’utensile e le informazioni presenti nella memoria del programma associate con esso.

Funzione M

Comprende i comandi ausiliari al CNC.

• M00 Stop programma.
• M03 Rotazione oraria del mandrino.
• M04 Rotazione antioraria del mandrino.
• M05 Arresto mandrino.
• M06 Cambio utensile.
• M08 Attiva lubrorefrigerante.
• M09 Esclude lubrorefrigerante.
• M10 Blocca il pezzo.
• M11 Sblocca il pezzo.
• M30 Fine del programma.

Per la funzione G00 si deve solo indicare il punto finale, mentre per la G01 si indica oltre al punto finale anche la lettera S, ovvero velocità del mandrino, e la lettera F, cioè la velocità di avanzamento. Le funzioni di compensazione raggio utensile possono essere impiegate nello stesso blocco oppure in blocchi separati. Nel primo caso la movimentazione dell’utensile viene fatta partire senza calcolare il raggio utensile. Nel secondo caso la movimentazione considera la compensazione prima del punto di partenza.

Le funzioni da G80 a G89 sono dette cicli fissi e sono una serie di istruzioni contenute nel CN che sono richiamabili con una riga di istruzione con i seguenti dati: modo di lavorazione, dati di posizionamento, dati di lavorazione e ripetizioni dell’utensile.

La funzione T fa riferimento al blocco di dati che contiene le dimensioni di set up. Le funzioni M possono formare un blocco a sé stante o in unione con istruzioni di tipo G o di tipo T. Se le funzioni di questo tipo vengono programmate in un blocco contenente movimenti degli assi, esse sono attive prima del movimento. In un blocco possono essere contenute fino a tre istruzioni tipo M.

Con la lettera S si indica la velocità del mandrino, mentre con F la velocità di avanzamento.

3 Additive manufacturing

3.1 Introduzione

L’additive manufacturing si riferisce ad un processo in cui i materiali vengono uniti strato sopra strato per creare degli oggetti da un modello virtuale 3D in contrasto con le metodologie di manifattura sottrattiva. Queste tecnologie sono molto recenti e sono state adottate in ambito industriale da pochi anni. Esse vengono classificate a seconda del materiale di partenza. ( , ) { {

3.2 Stereolitografia

La stereolitografia costruisce i pezzi a partire da un liquido fotopolimerico indurito da un laser UV. I pezzi sono costruiti su una platform di costruzione all’interno di una vaschetta riempita di liquido fotopolimerico. Il laser viene puntato sulla superficie della vaschetta che solidifica. La platform viene abbassata gradualmente all’interno della vaschetta e il pezzo viene creato strato su strato. In molti casi il processo viene svolto sotto