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Ecco come la stampa 3D dei metalli sta ridefinendo la progettazione dei pezzi

La sinterizzazione laser diretta dei metalli offre come mai prima d'ora la piena libertà ai progettisti disposti a ripensare il modo tradizionale di disegnare i pezzi.

Una delle regole fondamentali della fabbricazione recita: Tanto più complesso è il pezzo, tanto maggiori saranno i costi di lavorazione e assemblaggio. E se ci fosse invece un modo diverso di produrre pezzi metallici, con un minor numero di limitazioni rispetto ai tradizionali processi di fresatura, tornitura e smerigliatura, in grado di realizzare pezzi complessi in minor tempo e con un ridotto intervento dell'operatore?

Vi presentiamo il processo di stampa 3D industriale chiamato sinterizzazione laser diretta dei metalli. Attraverso la tecnologia di fabbricazione additiva, la DMLS produce prototipi metallici totalmente funzionali e pezzi destinati all'uso finale, semplificata l'assemblaggio riducendo il numero di componenti e rende possibile la produzione di pezzi di complessità virtualmente illimitata senza alcun costo aggiuntivo.

Illustrazione del processo DMLS
L'illustrazione mostra il processo di sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS).
Supporti di fabbricazione

La DMLS consiste nell'"affettare" i modelli dei pezzi in strati sottili quanto un foglio di carta e successivamente “disegnarli” con un laser su uno strato di polvere di alluminio, titanio, acciaio inossidabile, acciaio maraging. Lavorando strato dopo strato partendo da quello inferiore, ogni particella di metallo viene sciolta e fusa con quelle confinanti, uno strato per volta, sino alla realizzazione del pezzo. Il risultato è un prodotto in metallo pienamente compattato dalle caratteristiche di resistenza meccanica e alla fatica pressoché simili, e in alcuni casi migliori, a quelle dei pezzi lavorati, ma prodotto con costi minimi di lavorazione con utensili, tempi di configurazione significativamente ridotti e pochissimi sprechi.

Se siete pronti a salire sul "treno" espresso della DMLS, dovete innanzitutto conoscere alcune considerazioni importanti. Sebbene la tecnologia produca pezzi pienamente compattati da metalli ad alta resistenza e resistenti alla corrosione, alcune caratteristiche dei pezzi tendono a deformarsi e ad arricciarsi se non correttamente supportate durante il processo di fabbricazione. Il disegno dei supporti di fabbricazione non è un aspetto che interessa particolarmente i progettisti o i tecnici di prodotto, ma occorre sapere che alcune forme sono eccezionalmente difficili da realizzare e se si apportano alcune modifiche al disegno del pezzo, è possibile ridurre i costi pur ottenendo un prodotto di qualità elevata.

Imparare l'ABC

Prendiamo come esempio l'alfabeto. Uno degli aspetti più interessanti della DMLS è che potete stampare un certo numero di componenti diversi allo stesso tempo, a condizione che essi rientrino nella camera di processo della macchina che, nel caso di Proto Labs, ha un volume di circa 250 mm x 250 mm x 300 mm.

Iniziamo con la lettera A. A meno che la sezione trasversale orizzontale abbia una lunghezza inferiore a 2 mm, si renderanno necessari supporti verticali per evitare la deformazione. Questo non è un problema, ma il costo della fresatura o della lavorazione a macchina dei supporti allo scopo di rimuoverli dopo la realizzazione aumenterà. Lo stesso dicasi per la lettera T: senza la presenza di supporti al di sotto della sezione superiore sporgente, la lettera si arriccerà come un palo. Le lettere B, D, P e R sono particolarmente problematiche perché i supporti rimarranno all'interno dei pezzi, nella posizione più difficile da rimuovere. Le forme curve come la O e la Q presentano gli stessi problemi, a meno che le lettere siano piuttosto piccole, con un diametro simile a quello di una cannuccia. Infatti, le uniche lettere che non richiedono alcuna forma di sostegno sono la X e la Y, a condizione che i bracci siano ad un angolo di almeno 45 gradi dalla linea orizzontale.

A DMLS example using the alphabet
In questo suggerimento per la progettazione, ritornando all'esempio dell'alfabeto, la lettera A rappresenta un pezzo con una sezione trasversale orizzontale. A meno che tale sezione trasversale abbia una lunghezza inferiore a 2 mm, sotto di essa si renderanno necessari dei supporti verticali per evitare la deformazione, come illustrato in questo esempio.
Trovare la giusta soluzione

Alcuni di voi si potranno chiedere: “Perché non proviamo a posizionare le lettere sulla parte posteriore?” “Idea fantastica!” potrebbero rispondere, soddisfatti. In questo caso, tutte le pareti della lettera sono verticali e l'unico supporto necessario è una serie di staffe collegate tra loro inserite tra la parte inferiore di ogni lettera e la piastra, un po' come i ponteggi usati per sostenere i lavoratori durante un intervento di restauro di un edificio. Queste staffe vengono rimosse facilmente una volta realizzato il pezzo ed evitano il contatto diretto con le superfici piatte e di grandi dimensioni del pezzo, che potrebbero deformare o danneggiare la piastra. Questo approccio consente anche di ottenere la migliore finitura di superficie, in quanto le asperità aumentano man mano che le pareti si allontanano dalla verticale nei pezzi stampati mediante DMLS e risulta di essere di qualità scadenti nelle superfici ad angolo rivolte verso il basso.

Un altro aspetto da considerare è lo spessore delle pareti. Pareti dallo spessore inferiore a 1 mm devono conservare un rapporto altezza-spessore minore di 40:1 perché altrimenti la struttura potrebbe crollare. D'altro canto, pareti molto spesse rappresentano uno spreco e richiedono molto tempo per la loro realizzazione; è quindi meglio praticarvi delle cavità con una struttura a forma reticolo, che permette di ridurre il costo del materiale il tempo di lavorazione preservando comunque l'integrità strutturale.

Infatti, le strutture con forma reticolo rappresentano uno dei migliori "assi" nella manica della fabbricazione additiva. Sono virtualmente impossibili da realizzare con i metodi di lavorazione a macchina tradizionali, ma con la DMLS si possono ottenere in modo relativamente semplice. Lo stesso dicasi per le strutture ad albero, le delicate curve a forma di conchiglia intrecciata e altre forme organiche, che risultano economiche da produrre con la stampa 3D: richiedono infatti sono un po' d'immaginazione e il giusto software CAD.

Un'ultima considerazione da fare è la seguente. Sebbene Proto Labs incoraggi i progettisti e tecnici di prodotto a pensare fuori dal coro, è importante tenere sempre in considerazione il risultato finale. La DMLS offre l'opportunità di spingere i limiti della progettazione di prototipi e di pezzi fabbricati in volumi ridotti, ma non è ancora fattibile per la produzione di volumi elevati a causa dei fattori economici. È pertanto un'idea eccellente spiegare l'intero ciclo di vita del prodotto ad un interlocutore esperto in tutti i tipi di fabbricazione, per evitare di progettare un prodotto e rendersi conto solo alla fine che la sua produzione si riduce soltanto a poche centinaia di pezzi.

Come sempre, ti invitiamo a contattarci per qualsiasi domanda al numero +39 0321 381211 o all'indirizzo customerservice@protolabs.it. Per ottenere subito un'analisi sulla realizzabilità del tuo pezzo, basta caricare un modello 3D sul sito www.protolabs.it e ricevere in poche ore un preventivo interattivo.

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