Tesi triennale - Additive Manufacturing: tecniche, materiali, applicazioni

Attività di post-trattamento

PL’attività di post-trattamento comprende le fasi (solitamente manuali) della finitura delle parti ai fini specifici dell’applicazione. Alcune applicazioni potrebbero richiedere attività minime di post-trattamento; sfruttando la velocità di realizzazione delle parti. Altre, al contrario, potrebbero necessitare di una gestione molto attenta dei componenti, per garantire una buona precisione e finitura finale. Inoltre, in alcuni processi sono prodotti componenti relativamente fragili che potrebbero essere sottoposti ad infiltrazioni e/o rivestimenti superficiali per rafforzare il prodotto finale. Generalmente queste attività traggono vantaggio dall'uso di utensili elettrici e attrezzature aggiuntive, come vasche di lucidatura o forni di essiccazione e cottura.

Applicazione

Dopo il post-trattamento, i componenti sono pronti per l'uso. Va notato che, sebbene essi possano essere realizzati con materiali simili a quelli utilizzabili da altri processi.

produttivi (comestampaggio e fusione), potrebbero non comportarsi analogamente alle specifiche standard dei materiali. Alcuni processi AM generano intrinsecamente prodotti con piccoli vuoti o bolle intrappolate al loro interno, che potrebbero rivelarsi la causa del fallimento del componente sotto stress meccanico. Inoltre, diversi processi possono portare alla degradazione del materiale durante la costruzione, oppure compromettere il collegamento o la cristallizzazione dei materiali in modo ottimale. Ciò può far sì che i componenti si comportino in modo diverso rispetto a quelli realizzati con approcci di produzione convenzionale. Tuttavia, i materiali e i processi di AM sono in continuo miglioramento e molte applicazioni non richiedono prestazioni elevate dai componenti. Il numero di applicazioni per gli output dei processi di AM è quindi in costante aumento.

2.2 Materiali

In principio, i materiali per i quali furono sviluppate le tecnologie di Additive

Manufacturing eranomateriali polimerici, cere e laminati di carta. Successivamente, fu introdotto l'uso di compositi,metalli e ceramici (per applicazioni più di nicchia). In tabella 2.1 si elencano le principali tecnologiedi AM associate ai materiali per i quali sono utilizzate.

Materiali Polimerici

Le materie plastiche sono state il primo gruppo di materiali ad essere elaborati dall'AM. Tutt'oggicostituiscono la categoria di materiali che possiede la più vasta gamma di scelta quando si tratta di Additive Manufacturing. I materiali polimerici possono essere distinti in 2 grandi sotto categorie,osservando il loro comportamento ad alte temperature.

• Polimeri Termoplastici: rammolliscono al riscaldamento mantenendo le proprietà, possono esseresottoposti a più trattamenti di fusione e solidificazione (riciclabili).
• Polimeri Termoindurenti: carbonizzano al riscaldamento, una volta raggiunto lo stato solido nonpossono essere fusi.

nuovamente (difficoltà nel riciclo). I polimeri si differenziano tra di loro anche per altre proprietà come la resistenza a trazione, la colorazione, la trasparenza, la temperatura di transizione vetrosa, ed altre ancora. Materiali Metallici Il numero di materiali metallici utilizzabile nell'Additive Manufacturing è in costante crescita. Ad oggi, sono utilizzabili Acciaio inossidabile, Acciaio per utensili, leghe di Alluminio, leghe di Titanio, leghe a base di Nickel, leghe di Cobalto-Cromo, Oro, Argento ed altri. Le odierne tecnologie sono in grado di produrre componenti metallici che abbiano una densità quasi del 100%, il che li protegge da eventuali fratture interne che potrebbero condurre al danneggiamento o alla rottura del pezzo. Inoltre, con l'Additive Manufacturing, si ottengono dei componenti aventi strutture composte da grani di dimensione inferiore, il che consente di avere delle migliori proprietà meccaniche. Questa riduzione della

La dimensione dei grani è dovuta al fatto che i tempi di raffreddamento del pezzo sono notevolmente ridotti rispetto alle tecniche tradizionali.

I materiali compositi sono materiali costituiti da due fasi tra loro chimicamente differenti. Entrambi i componenti mantengono la loro identità fisica e chimica producendo una combinazione di proprietà che non si possono avere dai singoli costituenti.

Nell'AM, la base del composito è in matrice termoplastica di Nylon (poliammide) o ABS, alla quale si aggiungono materiali come fibre di Carbonio, Vetro o Alluminio per migliorarne le proprietà (per esempio resistenza a trazione, rigidità, durezza). Sono tipicamente usati per la creazione di prodotti leggeri con strutture uniformi.

In un recente studio, la SmarTech Publishing afferma che, nei prossimi 10 anni, quello dei compositi diventerà uno dei segmenti principali della produzione additiva e un'opportunità considerevole per la produzione.

in generale. Nei prossimi capitoli, si procederà all'illustrazione della maggior parte delle tecnologie elencate in tabella 2.1, operando una suddivisione per materiali. È importante sottolineare come molti processi possano essere comunque utilizzati per materiali differenti rispetto a quelli per i quali sono usati più comunemente.

Tecnologie Materiali

• Stereolitografia, Polyjet, Digital Light Process - Fotopolimero (resine termoindurenti)
• Fused Deposition Modeling, Selective Laser Sintering - Termoplastico
• Selective Laser Melting, Electron Beam Melting - Metallici
• Laser-based Metal Deposition - Metallici
• Three Dimensional Printing, Selective Laser Sintering - Ceramici
• Three Dimensional Printing, Ultrasonic Consolidation - Ceramici
• Fused Deposition Modeling, Selective Laser Sintering, Beam Deposition - Compositi

Tabella 2.1 principali tecnologie di AM e materiali per cui sono maggiormente utilizzate 1

2.3 AM di Polimeri

2.3.2 Stereolitografia (SLA)

Questa tecnica, che si basa sul concetto di foto-polimerizzazione,

coinvolge 4 aspetti differenti: laser, ottica, chimica dei fotopolimeri e software. Il processo di elaborazione del prodotto finale può essere suddiviso in 4 fasi principali:

1. Preparazione: si svolge su una workstation e, se necessario, prevede la predisposizione di supporti che sostengano il componente durante la sua creazione.
2. Costruzione: è controllata da un computer. Un fascio laser, attraverso dei sistemi ottici, è localizzato sulla superficie della vasca contenente il monomero allo stato liquido. Questo laser fa sì che si inneschi una reazione chimica a catena che ha come risultato la polimerizzazione del monomero, con la conseguente formazione di una particella solida. Il piano di focalizzazione del laser, attraverso il suo movimento, consente di realizzare l'intera sezione del componente. La piattaforma di lavoro, una volta terminata la polimerizzazione del primo strato, scende di una delta pari allo spessore del fotopolimero solidificato.

così che una racla (o altri sistemi di ricopertura) possa rivestire la sezione polimerizzata con un film liquido di monomero per consentire la solidificazione della sezione successiva. Questa fase è illustrata in figura 2.3.

Pulizia: al completamento del processo, il componente solidificato è sollevato dall'elevatore, estratto dalla vasca e pulito dal liquido non polimerizzato.

Post-trattamento: poiché la polimerizzazione richiede tempo, il laser non è in grado di solidificare la sezione nella sua interezza. Solamente il profilo e un determinato numero di linee che collegano il perimetro interno a quello esterno risulteranno polimerizzati. In questo modo, il componente finale sarà completamente solidificato solo all'esterno. Sarà quindi sottoposto ad un ulteriore trattamento di polimerizzazione mediante l'utilizzo di una lampada UV, che solidifica definitivamente la rimanente resina liquida all'interno del componente.

L'elaborazione del pezzo si conclude con l'asportazione di eventuali supporti e la finitura finale. Per questo tipo di tecnologia si utilizzano resine epossidiche e acriliche, non riempite e riempite. Le prime presentano stabilità e temperatura di flessione scadenti. Quest'aspetto può essere migliorato con l'aggiunta di microsfere, oppure oggetti geometrici a forma di chicco di riso in vetro, carbonio o alluminio. Il processo di stereolitografia, a seconda del tipo di macchinario utilizzato, può presentare due tipi diversi di configurazione. - Configurazione 1: la piattaforma che sostiene il pezzo è rivolta verso l'alto e, man mano che il monomero polimerizza grazie al laser, si immerge ricomprendo le parti solidificate col liquido non ancora polimerizzato. Questa configurazione richiede grandi quantità di fotopolimero per riempire la vasca di grandi dimensioni, oltre ad una racla (lama), che assicura ladistribuzione uniforme del nuovo liquido da reticolare sulla superficie già solidificata. • Configurazione 2: la piattaforma di sostegno del pezzo è rivolta verso il basso e si muove verso l'alto ogni volta che uno strato è solidificato, uscendo dalla vasca contenente il fotopolimero liquido. Questa configurazione necessita di minori quantità di fotopolimero e di vasche meno voluminose. La superficie in lavorazione è completamente immersa nel liquido, quindi non è necessario l'utilizzo di una racla. Figura 2.3 schema della foto-polimerizzazione per Stereolitografia: polimerizzazione di un singolo strato, abbassamento della piattaforma, passaggio della racla Questa tecnologia consente di sviluppare prodotti dalla forma molto complessa, dotati di ottime finiture superficiali e tolleranze geometriche e dimensionali. Inoltre, si riduce la necessità di sostegni poiché è il liquido stesso a sostenere la superficie.

macchinari per la SLA sono molto costosi e l'intero processo, comprensivo delle fasi di posttrattamento, richiede tempi lunghi.

14fi2.3.1 Fused Deposition Modeling (FDM)

Il Fused Deposition Modeling, essendo stata la prima tecnologia a produrre un componente utilizzando un materiale termoplastico, risulta essere una delle più famose. In realtà, l'acronimo FDM altro non è che un marchio registrato e protetto, utilizzato per un processo di deposizione strato per strato di stringhe pastose chiamato fused layer modeling. Il nome FDM è spesso usato come sinonimo di quest'ultima tecnologia.

Una macchina per il FDM, che non utilizza laser, è costituita da una camera di costruzione riscaldata dotata di una testa di estrusione e una piattaforma sulla quale avviene la costruzione. La testa di estrusione, potendosi muovere nel piano, deposita il materiale nell'area x-y rispettando il contorno dello strato fisico finale. Una volta completati i

contorni interno ed esterno della sezione, la testa di estrusione dovrà riempire lo spazio compreso tra questi per incrementare le propri