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Stampa 3D industriale per la fabbricazione di componenti da produzione

La progettazione di pezzi metallici e termoplastici funzionali mediante tecniche di fabbricazione additiva richiede un'accurata selezione del processo e del materiale, oltre a considerazioni sulla geometria del pezzo.

Consideriamo il seguente elenco di componenti: ugelli di alimentazione carburante per il motore LEAP di General Electric, staffa della cabina di un aeromobile Airbus A350, apparecchi acustici e protesi per il cranio, l'anca o la cassa toracica ad hoc o alloggiamenti per gli indicatori LED per robot da combattimento. Questi sono solo alcuni esempi di pezzi interamente funzionali fabbricati con la tecnica di stampa 3D industriale (nota anche col nome di "fabbricazione additiva"), superando dunque la convinzione diffusa che tale processo sia indicato soltanto per la realizzazione di prototipi.

Qualche regola generale

Lo sanno tutti che la stampa 3D costituisce un modo eccellente di fabbricare prototipi destinati a collaudi di forma, adattamento e collaudi funzionali. Eppure, gli esempi appena citati provano che questa tecnica è sempre più utilizzata anche per realizzare componenti "veri e propri". Ciò è vero soprattutto nelle circostanze in cui i volumi di produzione sono bassi al punto da non rendere conveniente l'utilizzo di processi di fusione e stampaggio, oppure quando la complessità del modello impedisce il ricorso alla lavorazione con macchine. Prima di buttarsi a capofitto nella realizzazione di un dispositivo medicale o componente aerospaziale, però, è bene riflettere sui seguenti aspetti:

Tecnologia: Proto Labs mette a disposizione 3 processi di fabbricazione additiva: sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS), sinterizzazione laser selettiva (SLS) e stereolitografia (SLA). Grazie alla capacità di creare su richiesta pezzi metallici a totale compattazione, la DMLS è un'opzione dall'efficacia già ampiamente accertata per applicazioni destinate all'utenza finale, mentre la SLS si rivela spesso una scelta impeccabile per la realizzazione di componenti plastici in volumi ridotti. La SLA, dal canto suo, è sempre stata un processo di fabbricazione dedicato alle fasi di prototipazione, sebbene esistano tecnologie di verniciatura secondarie che migliorano la durabilità dei pezzi con base in resina.

Pezzi stampati in 3D
La stampa 3D è particolarmente indicata per la fabbricazione di forme organiche come questa turbina in nylon (sinistra) o pezzi da produzione come questo componente in titanio per un trapano a uso chirurgico (destra).

Scelta dei materiali: Le quasi due dozzine di resine e polveri messe a disposizione da Proto Labs per il processo di stampa 3D sono in grado di soddisfare molti degli attuali requisiti meccanici ed elettrici per la fabbricazione di pezzi, e la maggior parte dei materiali offerti è indicata per applicazioni di lungo termine. Dal cobalto-cromo al nylon con rinforzo in vetro, Proto Labs permette di realizzare pezzi funzionali in quantità convenienti e con livelli di precisione paragonabili a quelli offerti dalle tecniche di lavorazione o stampaggio a iniezione.

Requisiti di progettazione: In molti casi, le differenze tra la progettazione di un prototipo e quella di un componente destinato ad anni di utilizzo non è poi così sostanziale. L'importante è che progettisti e ingegneri riconoscano il potenziale della stampa tridimensionali per usi al di là della sola prototipazione. La capacità di creare forme organiche e reticoli complessi apre orizzonti un tempo inaccessibili mediante le tecniche di fabbricazione tradizionali.

Quantità di produzione: Nonostante i molteplici punti di forza, la stampa 3D è relegata alla realizzazione di quantità relativamente ridotte, e l'utilizzo per applicazioni a volumi elevati risulta ancora limitato. Identificare le quantità adeguate per la fabbricazione di pezzi funzionali è dunque un passo importante per tutte le attività di progettazione. La stampa 3D offre possibilità potenzialmente illimitate: dalla fabbricazione di ricambi per auto d'epoca a cicli di produzione su richiesta di componentistica complessa; occorre però essere certi che il pezzo non possa essere realizzato in modo più conveniente utilizzando tecniche differenti.

Considerazioni per la DMLS

Iniziamo col porci una delle domande fondamentali per qualsiasi attività di progettazione di pezzi funzionali: meglio il metallo o la plastica? La risposta stabilisce il processo da utilizzare per la fabbricazione dei pezzi, oltre alle conseguenti proprietà del materiale. Se si desidera ottenere pezzi metallici, la DMLS costituisce una scelta logica (oltre che l'unica possibile). La DMLS è indicata per la fabbricazione di pezzi adatti ad applicazione mediche e aerospaziali in un'ampia gamma di metalli, tra cui acciaio, alluminio e titanio.

A giudicare dall'impiego massiccio di questa tecnica da parte di società del calibro di GE o Airbus, possiamo dedurre che gli aspetti normativi concernenti le polveri metalliche utilizzate per produrre i pezzi mediante DMLS non rappresentano più un vincolo determinante. La validazione del materiale resta in ogni caso un fattore da tenere in considerazione nel lancio di qualsiasi prodotto destinato all'utenza finale, specie per i componenti aerospaziali che influiscono sulle funzioni di volo di un aeromobile o per i prodotti a uso medicale che saranno collocati nel corpo umano.

Proto Labs si impegna a collaborare con il cliente per sviluppare piani di controllo qualità ancora più stringenti per l'elaborazione di pezzi mediante DMLS. Tali piani possono prevedere controlli in base a specifiche di settore o ad hoc e la possibilità di mettere a disposizione documentazione e campione di prova a seconda delle esigenze. I campioni di prova potranno essere realizzati e inviati a un laboratorio per consentirne la validazione con ampio anticipo rispetto al lancio del prodotto; oppure potranno essere costruiti contestualmente ai pezzi effettivi durante la produzione in vista di collaudi successivi. La decisione è tua.

Strutture di supporto
Le strutture di supporto aiutano a evitare deformazioni e arricciature nei pezzi realizzati mediante SLA e DMLS durante la stampa 3D.

Solo perché il metallo è adatto alla fabbricazione di pezzi funzionali, non significa che la DMLS sia necessariamente il processo giusto per costruirli. La DMLS si serve di un sistema laser ad alta potenza per sciogliere e fondere le particelle di metallo uno strato sottilissimo alla volta. Poiché il materiale è esposto a calore estremo, sarà necessario evitare deformazioni e arricciature adoperando strutture di supporto simili a impalcature, le quali dovranno essere rimosse a seguito del processo di costruzione. La necessità di tale passaggio rende la DMLS un processo che risulta conveniente soltanto per i pezzi metallici complessi che non possono essere realizzati mediante tecniche diverse (come la lavorazione con macchine) o, ancora, per i casi in cui il modello iniziale possa essere sottoposto a significative attività di semplificazione. Un esempio di un tale approccio è rappresentato dagli ugelli carburante di GE, per cui il modello originale, che prevedeva la realizzazione di 20 pezzi singoli, è stato poi semplificato a un solo pezzo stampato mediante DMLS.

Scegliere la SLS

La DMLS sarà anche la tecnica più gettonata per la realizzazione di pezzi funzionali in volumi ridotti, ma la SLS è anch'essa un'opzione estremamente popolare. Da un punto di vista tecnologico, questa tecnica è abbastanza simile alla DMLS. Entrambe si servono di un laser per fondere strati di materiale su un letto di polvere. La plastica si scioglie a temperature più basse rispetto al metallo, pertanto non è necessario ricorrere a strutture di supporto. Ciò permette di sfruttare più agevolmente l'intero volume della superficie di produzione, semplificando configurazione e post-trattamento del pezzo e riducendo dunque i costi. La SLS è una metodologia limitata a materiali plastici della famiglia del nylon, ma è disponibile anche all'utilizzo con materiali con rinforzi in vetro e fibra di vetro. A differenza della DMLS, la SLS è offerta in un'unica risoluzione con strati di spessore pari a 0,1 mm. Visita protolabs.it per maggiori informazioni.

Altre considerazioni sulla SLS

Solitamente i clienti scelgono di ricorrere a nylon privo di rinforzi per i pezzi che necessitano di maggiore flessibilità (lo schienale di una sedia, ad esempio), mentre i materiali rinforzati costituiscono una scelta migliore per ingranaggi, pulegge e altre applicazioni meccaniche. Il nylon si presta a essere sterilizzato in autoclave ed è quindi spesso utilizzato per la fabbricazione di componenti medicali quali i manici degli strumenti e le custodie di dispositivi. Ma è anche un materiale "igroscopico" (in grado di assorbire l'acqua) e lievemente poroso, il che lo rende adatto anche ad applicazioni estremamente umide.

I materiali plastici sono soggetti a deformazioni e il nylon non è certo esente da tale difetto. Le stesse prassi di progettazione impiegate per migliorare la stabilità e la precisione dei pezzi stampati a iniezione (spessore uniforme delle pareti, introduzione di nervature su superfici ampie e piane...) contribuiscono anche a migliorare la qualità dei pezzi ottenuti con SLS. Poiché il nylon è ampiamente utilizzato per la fabbricazione di pezzi stampati a iniezione, la SLS costituisce un'eccellente soluzione intermedia per coloro che attendono la consegna di un impianto di produzione o per i clienti per cui non avrebbe senso investire in un tale impianto.

Non scartare a priori la SLA

Se la DMLS è l'ultima novità nel campo dei processi di fabbricazione additiva, la stereolitografia può essere considerata "il padre" di questa tecnica. Un tempo regina incontestata della prototipazione rapida, la SLA è in grado di realizzare pezzi precisi caratterizzati da un alto livelli di dettaglio ma viene spesso ignorata per la realizzazione di pezzi funzionali. La resina fotopolimerizzabile utilizzata nella stereolitografia, infatti, non reagisce bene a un'esposizione prolungata alla luce ultravioletta ed è soggetta a deterioramento e spostamenti. Ma c'è una soluzione: basta ricoprire i pezzi con SLArmor, una leggera galvanotecnica offerta da Proto Labs, e diventeranno estremamente stabili e resistenti al punto da durare per anni.

Indipendentemente dal metodo utilizzato, è importante ricordare che la stampa 3D è in grado di offrire il grado di complessità desiderato. Ciò introduce infinite possibilità di miglioramento del prodotto. Alleggerimento del pezzo, semplificazione, riduzione dei costi di fabbricazione... L'elenco dei vantaggi potrebbe proseguire all'infinito. Mentre i progettisti continuano a esplorare le tecniche di stampa 3D, scopriremo nuove applicazioni di utilizzo che alimenteranno a loro volta la crescita della stampa tridimensionale e delle sue capacità.

Se desideri saperne di più sui vantaggi offerti dalle tecniche di SLA, SLS e DMLS, scarica il nostro white paper sulle "Tecnologie di stampa 3D per attività di prototipazione e produzione". Se hai la necessità di produrre piccole quantità di pezzi funzionali destinati all'utenza finale, la stampa 3D potrebbe essere la soluzione. Contatta Proto Labs all'indirizzo customerservice@protolabs.it per ottenere consigli personalizzati o carica un modello 3D sul portale protolabs.it per ricevere un preventivo istantaneo.

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