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Martedì 31 Marzo 2015
Prof. Ing. Daniele REGAZZONIUniversity of BergamoDepartment of Management,Information and Production Engineering
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IDEA GENERALE
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• Sovrapponendostrati sottili è possibile generaleun oggetto 3D
• Processo concettualmente molto semplice e facilmente automatizzabile
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CONTESTO
Prototipazione rapida e metodologie
– Tecniche per accrescimento
– Applicazioni
– CAD‐RP MODELLO
VIRTUALE
MODELLO
FISICO
GenerazioneModello
CAD
Fabbricazione
CAM, AM
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CONTESTO
Per produrre oggetti fisici– modelli
– prototipi
– attrezzature per produrre prototipi/prodotti finiti
– prodotti finiti
Motivazioni– ridurre tempi e costi
– ridurre gli errori e le modifiche dovute ad errori di progettazione
– produrre geometrie complesse
– delocalizzare la produzione
– ridurre magazzini (ricambi)
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TRE APPROCCI DI TIPO DIVERSO
Rapid Prototyping
– Produzione automatica di modelli fisici a partire da modelli CAD
Rapid Tooling
– Produzione automatica o semiautomatica di stampi per produrre prototipi a partire da modelli CAD dell’oggetto
Rapid Manufacturing
– Produzione automatica di component o prodotti finite a partire da modelli CAD
Applicazioni di prototipazione e fabbricazione:RAPID PROTOTYPING AND
ADDITIVE MANUFACTURING
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LA TERMINOLOGIA
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Oggetto/prototipo ottenuto per accrescimento medianteaggiunta ed aggregazione successiva di particelle, fili o strati di materiale
disponendo del modello CAD dell’oggetto
– il prototipo può essere prodotto automaticamente
TECNICHE PER ACCRESCIMENTO
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PREREQUISITI COMUNI
Disporre di un modello 3D solido del pezzo proveniente dal sistema CAD
Disporre di un convertitore nel formato STL
Il software di controllo del sistema AM che provvede a:
– sezionare per piani paralleli il modello
– generare contorni e traiettorie di riempimento delle singolesezioni
– generare in modo più o meno automatico strutture di supporto se e dove necessario
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CAD ADDITIVE MANUFACTURING
Sistema CAD 3D
Generazione modello Generazione file STL
Preparazione parte
Verifica modello CAD ed ev. modellazioneVerifica/correzione errori file STL
Piazzamento/orientamento modelloGenerazione strutture di supporto
Slicing
File STL
Post-processamento e Finitura
Prototipo
Generazione prototipo per sezioni
Macchina AM - SW controllo processo
File di costruzione
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GEOMETRIA DI INPUT (1/3)
Rappresentazione approssimata dell’oggetto mediante una mesh di triangoli
Formato STL (.stl) introdotto da 3D Systems nel 1987
Esempio file STL in formato ASCII
Solid examplefacet normal 6.89114779e-2 -9.96219337e-01 -5.28978631e-02outer loop
vertex 2.73239994e+01 1.08957005e+01 4.57905006e+01
vertex 2.81019993e+01 1.09582005e+01 4.56250000e+01
vertex 2.75955009e+01 1.09116001e+01 4.58456993e+01
endloopendfacet::
endsolid example
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GEOMETRIA DI INPUT (2/3)
Esempio: scatola pompa a pistoni
Modello CAD 3D Rappresentazione a triangoli
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GEOMETRIA DI INPUT (3/3)
Vantaggi– Conversione semplice
– Qualsiasi forma geometrica può essere convertita in un modello a triangoli
– Algoritmo di slicing è semplice poiche’ lavora su triangoli
– Modelli STL sono facilmente suddivisibili per adattarli allospazio di lavoro della macchina
Svantaggi– Verbosità e ridondanza dei dati nei file STL
– Errori dovuti all’approssimazione (superfici ridotte a faccette)
– Mancanza di informazione (modello iniziale ha informazionisu geometria, topologia e materiali)
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Errori nella conversione da modello 3D a formato STL
– Gap
VERIFICA E CORREZIONE ERRORI FILE STL
Piano sezione
Sezionegenerata
– Normali inconsistenti– Normali non corrette– ...........
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Quattro aspetti chiave del processo di AM
accuratezzadella costruzione
POSIZIONAMENTO DEL PEZZO
struttura di supporto
tempodi costruzione
volume“intrappolato”
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SLICING
Lo slicing è un’operazione critica perché condiziona in modo determinante la precisione del prototipo
… due possibilità– Slicing uniforme: strati di spessore costante
– Slicing adattivo: lo spessore viene scelto in funzione della curvatura
superficiale, per limitare al massimo l’aspetto a gradini della superficie
esterna
uniforme adattativo
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TECNICHE DI ADDITIVE MANUFACTURING (1/2)
Tipologie di materiali
• Resine-fotopolimeri• Cere-termoplastici• Polveri ceramiche e metalliche• Carta• PLA-ABS• …….
Processi fisici
• Fotopolimerizzazione• Sinterizzazione• Spruzzatura• Incollaggio• Estrusione• …….
La precisione ottenibile con queste tecniche è nell’ordinedi 1 decimo di millimetro sull’asse Z
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Terminologia unificata (ASTM‐approved)
Vat Photopolymerization (Stereolitografia)
Powder Bed Fusion (Sinterizzazione)
Material Extrusion (FDM)
Material Jetting (Poly/Multi‐jet)
Binder Jetting (3D Printing)
Sheet Lamination (LOM)
Direct Energy Deposition (Electrobeam melting)
TECNICHE DI ADDITIVE MANUFACTURING (2/2)
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VAT PHOTOPOLYMERIZATION
(STEREOLITOGRAFIA) E’ la prima tecnologia ad introdurre il metodo per accrescimento
Le prime dimostrazioni di laboratorio nel 1984
Il primo sistema disponibile
sul mercato alla fine del 1988
Basato sulla fotopolimerizzazione
(Immagine ©1997, 1998 Prototipazione Rapida, Publitec)
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POWDER BED FUSION(SINTERIZZAZIONE)
http://www.custompartnet.com/wu/images/rapid-prototyping/sls.png
Basato sullasinterizzazione direttadi polveri mediantelaser
metallo
plastica
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POWDER BED FUSION(SINTERIZZAZIONE)
Sinterizzazione laser di MetalloInserti in metallo per stampi ad iniezione, quindi Rapid ToolingCavità ed inserti sinterizzati direttamente in metallo da utilizzare per stampaggio ad iniezionedi preserie nel materiale termoplastico definitivo.
Immagine cortesia di EOSwww.eos.com
Sinterizzazione laser di PlasticaForme per microfusione e modelli in plastica
Modelli in poliammide per prototipi funzionali con proprietà strutturali, di precisione per verifica design e master copia
per stampi sottovuoto in silicone. Forme in polistirene per microfusione a cera persa
Immagine cortesia di EOSwww.eos.com
Cere, plastiche ABS e PVC, nylon, sabbia da fonderia e polveri metalliche
In linea teorica, ogni materiale che dimimuisca di viscosità con il calore
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Basato sulla estrusione di materiali termoplastici
Deposizione di strati successivi si materiale riscaldato fino alla temperatura di fusione
Necessarie strutture di supporto
MATERIAL EXTRUSION (FDM)
(Immagine ©1997, 1998 Prototipazione Rapida, Publitec)
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TECNOLOGIE LOW‐COST EMERGENTI
Basate principalmente su tecnologia FDM
– Soluzioni costruttive ampiamente diffuse ‐>
bassi costi delle macchine (0,5 ‐ 3 k€)
Materiali di costruzione
– Plastica: più diffuse sono ABS o PLA
Campi applicativi
– Le ridotte dimensioni e i materiali impiegato le limitano alla creazione di prototipi per la fase di concept
Pro (oltre al costo)– Facilità di utilizzo– Ingombro stampante ridotto– No post‐processing– Manutenzione limitata
Contro– Ridotti volumi di costruzione– Risoluzione limitata
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MATERIAL JETTING (POLY/MULTI‐JET)
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http://www.makeuseof.com/tag/what-is-3d-printing-and-how-exactly-does-it-work/
Deposizione diretta di materiale
Tecnologia derivata da Ink‐Jet
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Basato sulla sovrapposizione di foglisagomati
SHEET LAMIANTION – LOM (1/2)
http://www.custompartnet.com/wu/laminated-object-manufacturing
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SHEET LAMIANTION – LOM (2/2)
(Immagini cortesia di DemoCenter Scrl)
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BINDER JETTING Deposizione di un legante su strati di polveri (ceramiche, di cellulosa e
metalliche)
Sviluppato presso MIT
Prima macchina: Z402
della Z‐corp
Immagine cortesia di Z-Corpwww.zcorp.com
http://blog.nus.edu.sg/u0804594/common-rp-techniques/d-3dp/
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DIRECTED ENERGY DEPOSITION
http://blog.cafefoundation.org/?p=8410
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TECNOLOGIE IBRIDE
Additive e sottrattive nella stessa macchina– Vantaggi delle tecnologie additive
– Tolleranze di lavorazione da normale MU
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Punzone
ESEMPIO (1/3)
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ESEMPIO (2/3)
Modello 3D dello stampo
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ESEMPIO (3/3)
Prototipi realizzato con tecnologia LOM
Punzone
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VALUTAZIONE DEL PROGETTO
valutazione non solo visuale, ma anche tattile
valutazione estetica
– La precisione raggiunta è sufficiente, ed i materialiutilizzati (plastica, cera e carta) soddisfacenti
– Alcune tra le più nuove macchine AM sono vere e propriestampanti tridimensionali, fatte per trovare postoaccanto alla stazione CAD e in grado di lavorare in silenzio e con la sicurezza richiesta alle comuni macchineda ufficio
– Parti in cera con dimensioni di massima di 250x200x200mm, sono realizzabili nell’ordine di tempo di un’ora
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VERIFICA FUNZIONALE
Verifica di montabilità e di accessibilità delle parti
– Bisogna garantire una sufficiente precisione
Verifica delle prestazioni cinematiche
Verifica delle prestazioni aerodinamiche
Altre verifiche strutturali (tenuta, fatica, resistenza a corrosione, …) non sono possibili con AM
– il materiale con cui viene realizzato il prototipo non sempreha le stesse caratteristiche fisiche del materiale con cui verràrealizzato il pezzo finale
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ULTERIORI PROCESSI DI FABBRICAZIONE
Rapid Tooling (attrezzaggio rapido)
– produzione di tool attraverso tecniche di additive manufacturing
– tecnica usata per produrre stampi per iniezione e stampiper fusione
• per temperature di iniezione inferiori ai 400°C e per produzioni inferiori ai 100 pezzi, è possibile realizzaredirettamente con tecniche AM stampi in materialeceramico, oppure ricoprire lo stampo in plastica con tecniche di metal spray o mediante elettroplaccatura
– ... anche HSC (High Speed Cutting)
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PICCOLA SERIE
Realizzare il pezzo finito con il materiale e la precisionesufficiente a soddisfare gli scopi per cui il pezzo vieneprodotto
Può essere conveniente quando l'oggetto da realizzare ècaratterizzato da una forma particolarmente complessa. Al contrario di ciò che accade per le tecnologie di tipotradizionale infatti, la complessità geometrica non è un vincolo determinante per le tecniche di AM
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SETTORI INDUSTRIALI TRAINANTI
Rappresentazione percentuale sull’intero volume del business accreditata ai principali settori industriali
Source: “Wohlers Report 2014 – Additive Manufacturing State of the Industry”
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INDUSTRIAL ENGINEERING
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SETTORE MEDICALE
Salmi M et al., ”Patient specific reconstruction with 3D modeling and DMLS additive manufacturing.” Rapid Prototyping Journal, 18:209-214, 2012.
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ORTODONZIA
www.invisalign.com
• Apparecchi ortodontici invisibili
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BENI CULTURALI
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AEROSPACE: BOEING
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ADDITIVE MANUFACTURING E
SVILUPPO PRODOTTOTecnologia adottata dagli anni 90• Automotive
• Aerospace
• Beni di sonsumo
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SWOT ANALYSY
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TREND DI SVILUPPO
INDUSTRIA STA ACCETTANDO
LE TECNOLOGIE ADDITIVE
COME PROCESSO DI
PRODUZIONE PIUTTOSTO CHE
PER LA CREAZIONE DI
PROTOTIPI
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Quixotic Divinity: This headdress was designed by artist Joshua Harker and manufactured with a system from EOS. It made its fashion-world debut on the catwalk of the 3D-Printshow (Source: 3D Printshow).The use of objects worn over the face for protection, disguise, or entertainment have been used since ancient times. Such ritualistic, theatrical and ceremonial masks have been used across the world for social, tribal and religious reasons. They served indigenous tribes as camouflage when hunting; the clown in the circus arena, the Venetian Carnival or Mardi Gras would be unthinkable without them and certain cultures still use such disguises in customary dances. A mask protects and hides the wearer's true face, giving him or her the opportunity of posing as someone or something else. Pretty or ugly, witty or ghastly, man or animal ‐ everything is possible.
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Designed -by-Iris-van-Herpen
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dezeen_Nike-Vapor-Laser-Talon-3D-printed-football-boots
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