Stream Lion Design riprogetta un martello modale con Multi Jet Fusion

Lo studio di consulenze ingegneristiche migliora il design del prodotto con l'ausilio della stampa 3D

Per tutta la sua carriera, Paul Sickles ha lavorato all'avanguardia della tecnologia industriale ad alta performance. La sua esperienza risale agli ultimi giorni del programma Lockheed SR-71, all'F-22 Raptor, e include persino la collaborazione con diverse agenzie spaziali per lo sviluppo di un materiale per veicoli ipersonici.

Oggi, Sickles gestisce la propria attività di consulenza, Stream Lion Design LLC, specializzata nell'applicare le ultime tecnologie per aiutare le aziende a risolvere problemi critici a livello ingegneristico. Più recentemente, Stream Lion si è affidata alla Stampa 3D per risolvere una sfida per un'azienda operante nel settore dei servizi di erogazione dell'elettricità.

Il cliente di Sickles doveva risolvere un problema relativo ad una turbina di combustione, una preoccupazione che interessava diffusamente il settore. Doveva pur esserci un modo per controllare le turbine, al fine di identificare quelle soggette a maggiore rischio di guasto.  Pertanto, Sickles venne chiamato in causa per aiutare a risolvere il problema.

Parte della soluzione dipendeva dalla raccolta di dati sulla risposta alle vibrazioni dall'interno di motori assemblati, processo comunemente chiamato test modale.  Una volta raccolti, i dati sarebbero stati usati per mostrare quali motori erano maggiormente soggetti a vibrazioni, per cui potevano essere gestiti di conseguenza.

I dati di risposta alle vibrazioni vengono raccolti colpendo un pezzo con uno strumento di precisione chiamato martello modale. Il pezzo colpito viene spesso dotato di accelerometro che invia le misurazioni delle vibrazioni risultanti ad un altro dispositivo chiamato analizzatore di segnale.  È possibile capire molte cose sulla risposta di un pezzo alle vibrazioni colpendolo e misurandone la reazione all'impatto.

In breve...

La Sfida
Con il design di un nuovo martello modale in mente, Paul Sickles, fondatore di Stream Lion Design, aveva bisogno di una soluzione di produzione in volumi ridotti che potesse produrre pezzi precisi e durevoli.

La Soluzione
Stream Lion Design si è rivolta a Protolabs per realizzare pezzi di serie con Multi Jet Fusion, un processo di stampa 3D da produzione.


Il Risultato
Il pezzo stampato in 3D si adattava all'assemblaggio ed era sufficientemente durevole per l'uso industriale. Con la sua ergonomia migliorata e dimensioni più funzionali, il nuovo martello modale dimezzò il tempo dei test.

Il design del nuovo martello modale di Stream Lion è più compatto rispetto alla versione disponibile in commercio, e lo rende più facile da usare in ambienti industriali ristretti.

La ricerca di una soluzione di produzione in volumi ridotti

Questo approccio comportava un problema: questi tipi di test sono più adatti ad un ambiente di laboratorio e non all'interno di una turbina di combustione.  Sickles doveva infatti raggiungere fisicamente l'interno del motore per eseguire centinaia di test di vibrazione. Non gli ci volle molto per rendersi conto che il martello modale solitamente usato in laboratorio non era stato progettato per questa applicazione specifica.

In breve tempo trovò estremamente difficile manovrare il martello all'interno del motore. Notò infatti che: “Calandomi nel motore della turbina, un ambiente piuttosto angusto, la visibilità dei pezzi era minima, se non addirittura nulla, durante lo svolgimento dei test.” Questo ha reso difficile colpire in modo netto i pezzi, producendo dati di qualità scadente. 

Sickles non riuscì inoltre a verificare i pezzi in modo sufficientemente rapido perché il martello era troppo ingombrante. “Quando ti trovi a fare questo lavoro in una centrale elettrica, tutto deve essere fatto secondo i piani e in base a tempistiche molto rigorose,” spiega Sickles. “Dovevo entrare e uscire rapidamente.”

Dopo essersi reso conto degli inconvenienti della versione disponibile in commercio, Sickles iniziò a immaginarsi un nuovo martello modale dalla performance migliore in un ambiente industriale.  Quindi, come qualsiasi ingegnere avrebbe fatto, decise di creare un nuovo design. Voleva migliorare l'ergonomia del martello, ridurne le dimensioni e integrare altri miglioramenti per rendere più rapido e più affidabile il processo di raccolta dei dati.

“Ho esaminato l'attrezzo, per vedere come potevo migliorarlo. Ho iniziato a pensare alle modifiche che potevo apportare e mi sono poi avvalso della stampa 3D per ottenere il prototipo del dispositivo.”
Utilizzando la stampa 3D, Sickles lavorò a diverse iterazioni prima di perfezionare il design. Per il pezzo finale, scelse Multi Jet Fusion, un processo di stampa 3D di pezzi di serie sviluppato da HP.

“Ho esaminato l'attrezzo, per vedere come potevo migliorarlo. Ho iniziato a pensare alle modifiche che potevo apportare e mi sono poi avvalso della stampa 3D per ottenere il prototipo del dispositivo”, dichiara Sickles. “Ho sperimentato con diversi prototipi prima di validare il nuovo design.”

Man mano che lavorava su diverse iterazioni ed il design finale prendeva forma, iniziò a considerare come si sarebbe dovuto produrre il pezzo. “Il nuovo design rappresentava un tale miglioramento che iniziai a destare l'interesse di altre aziende che volevano acquistare questo attrezzo. Mi trovai quindi a cercare di capire come mettere a disposizione dei clienti il martello migliorato,” spiega.

Sickles evidenziò diverse priorità chiave per il pezzo di serie mentre cercava un processo di produzione idoneo. Il pezzo finale doveva essere sufficientemente durevole per resistere a impatti ripetuti, possedere rigide tolleranze per interfacciarsi correttamente con i componenti del trasduttore di forza e, poiché ne avrebbe avuto probabilmente bisogno di pochi pezzi per volta, essere prodotto in volumi ridotti ad un prezzo economico.

Stampa 3D —Non solo per la prototipazione

I primi prototipi furono costruiti con la stampante 3D da scrivania di Stream Lion, ma Sickles sapeva che durevolezza e qualità generale dovevano essere migliori per un pezzo robusto, destinato all'utilizzo finale.  Fu a questo punto che si rivolse a Protolabs.

Dopo aver discusso i requisiti del pezzo con un Application Engineer di Protolabs, ponderò i vantaggi della sua realizzazione con la sinterizzazione laser selettiva (SLS) o Multi Jet Fusion (MJF), entrambi processi di stampa 3D di pezzi di serie.

La decisione finale di Sickles fu quella di usare MJF per i suoi costi inferiori, la precisione delle caratteristiche più fini e la qualità superiore della finitura di superficie rispetto alla SLS. Questa tecnologia di stampa 3D di pezzi di serie gli avrebbe permesso di ottenere un pezzo in nylon durevole con caratteristiche precise che si adattavano correttamente ad altri pezzi dell'assemblaggio.

Il nuovo design colpisce nel segno

Il design del nuovo martello riuscì a risolvere i problemi incontrati da Sickles con l'utensile disponibile in commercio. Non solo era più ergonomico e facile da usare, ma il pezzo stampato in 3D possedeva la resistenza e la durevolezza necessarie per resistere all'utilizzo sul campo. Sickles afferma che il nuovo martello gli ha permesso di raddoppiare la velocità di raccolta dei dati.

 “Giusto sin dall'inizio, il pezzo si è rivelato un enorme successo. Le tolleranze erano esattamente quelle di cui avevo bisogno.”

“Oltre a svolgere la funzione per la quale era stato progettato, era importante che il pezzo possedesse la corretta finitura di superficie e durevolezza, poiché sarebbe stato usato sul campo e non si trattava soltanto di un prototipo,” ha affermato. “Giusto sin dall'inizio, il pezzo si è rivelato un enorme successo. Le tolleranze erano esattamente quelle di cui avevo bisogno; si adattava perfettamente all'assemblaggio e la perlatura e la finitura in colore nero hanno un ottimo aspetto, in quanto conferiscono al martello una goffratura perfetta.”

Avvalendosi del servizio di stampa 3D di Protolabs, Sickles può tornare a stampare più martelli man mano che questi vengono ordinati. Inoltre, con un modello di produzione on-demand, è in grado di iterare il design senza rendere le scorte obsolete.

“Questa applicazione è stata la soluzione ideale per la stampa 3D di pezzi di serie,” ha aggiunto Sickles. “Molto spesso le persone tendono ad avvalersi sulla produzione additiva per la prototipazione per poi passare allo stampaggio o alla lavorazione con macchine utensili quando raggiungono lo stadio di produzione del progetto. Ma per me, la stampa 3D dei pezzi nelle quantità precise di cui ho bisogno corrisponde realmente ad un business model efficiente.”