Tecnologie per la produzione a richiesta di componenti speciali

12 Aprile 2005
Auditorium “Giorgio Fini” Unione Industriali Modena

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Realizzare un prototipo è sempre una sfida, quella di superare i limiti della conoscenza e dell’esperienza. La prototipazione rapida (Layer Manufacturing Technique) rappresenta attualmente la tecnica  più avanzata per ottenere, in tempi rapidi, il modello finito da sperimentare.
In particolare, con la tecnologia della sinterizzazione selettiva a mezzo laser(Selective Laser Sintering  SLS)   , il prototipo viene  creato dalla sovrapposizione consecutiva di strati e senza la programmazione di percorso utensile e il lungo e complesso post processing. In una camera in atmosfera inerte e a temperatura costante, un rullo, ruotando in senso inverso al suo avanzamento, stende uno strato sottile di polvere su una piattaforma, sulla quale è indirizzato il raggio laser che sinterizza il materiale, fornendo il t necessario alla fusione locale delle polveri. Il sistema non necessita di supporti perché il pezzo è sostenuto dalle polveri non sinterizzate.

QUANDO UTILIZZARE LA PROTOTIPAZIONE RAPIDA
Certe industrie sono piu' orientate rispetto ad altre ad approfittare dei vantaggi della prototipazione rapida.
L'industria dell'auto per esempio esegue più prototipi di qualsiasi altra: la massa di lavoro necessaria a fronte della lentezza delle preparazioni manuali, hanno spinto questa industria ad investire in modo significativo in RP.
Anche nell'industria aerospaziale la necessità di ottimizzare il progetto di parti complesse ha messo in evidenza l'importanza di queste tecnologie.
La RP e' utile anche per produrre piccoli lotti di pezzi complessi oppure pezzi complessi suscettibili di molte modifiche, e' questo il caso della formula uno e del "racing" in generale.
L'applicazione del RP è utile in molti altri campi industriali, tanto che nomi noti nel design per la casa, tendaggi da esterni, carrozzine e prodotti per bambini, elettrodomestici, e altri  appartenenti a settori molto diversi tra loro, si avvalgono di questa tecnica per sperimentare nuovi prodotti.
Se vogliamo fare un elenco, certamente non esaustivo, dei settori produttivi nei quali la RP trova ampia applicazione, possiamo indicare: Aerospaziale, Racing, Motorsports, Automotive, Design, Packaging, Electronics, Entertainment, Government, Consumer products , Industrial, Lighting systems, OEM products, e molti altri.

RICERCA E INNOVAZIONE PER I MATERALI
I primi materiali che hanno aumentato significatamene  le prestazioni meccaniche e termiche dei materiali standard venduti dalle grandi case produttrici delle macchine di SLS, sono stati i Windform based. E’ questo un primato che risale al 1999.
Il prodotto Windform permette vantaggi significativi nella produzione di modelli o di prototipi perchè semplifica e velocizza tutto il processo. Tra i plus più importanti ricordiamo:

1. Alto livello di prestazione e definizione del prototipo per la massima adesione alla concezione del  progetto. 
   E’ possibile scoprire in tempi molto rapidi come una certa idea può diventare un prodotto reale ed assicurarsi che tutti gli interessati la comprendano bene . Per questa applicazione sono normalmente sufficienti materiali standard, a meno che l’aspetto estetico e la performance richiesta dal particolare non suggeriscano l’impiego di materiali con caratteristiche meccaniche e definizione superficiale superiori ed ottenibili di conseguenza con materiali Windform.
2. Funzionalità garantita al 100%.
   Permette di effettuare tutte le prove utili e necessarie per l’utilizzo definitivo e verificare che un prodotto o un componente sia a specifica, per fare prove in galleria del vento, di resistenza ad ambienti ostili e all'uso prolungato. In questo caso il Windform si è dimostrato veramente all’altezza, rispetto ai materiali standard che non hanno dimostrato proprietà termiche e meccaniche sufficientemente elevate: flettono, si rompono e non hanno la definizione superficiale sufficiente.
3. Grande affidabilità e resistenza per le prove di adattamento
   Il prodotto Windform offre un ottimo livello di adattamento, per verificare che componenti dimensionati a disegno si adattino all'insieme previsto; (modelli per verifiche di montaggio). I materiali SLS standard e quelli per Stereolitografia, finora, hanno affidabilità e durata minori perchè hanno caratteristiche meccaniche inferiori che permettono di ottenere pezzi più fragili, rispetto a particolari in Windform.
4. La verifica estetica ed ergonomica immediata.
   Spesso è Indispensabile verificare l’estetica e l’ergonomia di un progetto e confrontarne le varianti mediante focus groups.  La definizione migliore dei dettagli, l’affidabilità maggiore e un look accattivante, dato dalla lucentezza del grigio alluminio o dalla sensazione vellutata del nero opaco, fa di Windform un materiale ideale.
   Sono state espresse, da parte di clienti che hanno provato diversi materiali e diverse tecnologie, preferenze per il Windform anche per diverse applicazioni: i pezzi infatti non si rompono, si possono manipolare, testare, montare, smontare, ecc…senza problemi.
5. La rapidità di esecuzione, fondamentale per evidenziare errori progettuali.
   I nuovi prodotti infine permettono di gestire al meglio anche le richieste d'offerta e le presentazioni commerciali:  aiuta gli offerenti ad interpretare il progetto del cliente e a preparare offerte specifiche, affidabili ed economiche e più rapidamente.

Al fine di essere sinteticamente esplicativi, leggerò la testimonianza del progettista capo di Mascalzone Latino:
“La prototipazione rapida in generale è per noi progettisti un aiuto impensabile per verificare durante la progettazione tutti i limiti e i possibili difetti del lavoro svolto fino a quel momento, evitando quindi sprechi di tempo per la ri-progettazione alla scadenza dei termini di tempo. Anche per la presentazione stessa del prodotto al cliente, offrirgli la possibilità di toccare con mano un modellino che riproduce perfettamente e nel dettaglio il progetto finale, ci consente di ridurre tantissimo i tempi di messa a punto per la customizzazione del prodotto, oltre ovviamente a permettere al cliente di capire meglio quello di cui si sta parlando. Molti clienti infatti non hanno praticità con i disegni al CAD  e non è facile far capire solo con immagini il progetto.
Quello che però mi ha sempre limitato nell’utilizzo massiccio di questa tecnologia era la prestazione dei materiali che costringevano l’utilizzo dei pezzi realizzati solo con estrema cautela, oppure una riproduzione dei dettagli molto scarsa. Prestazioni accettabili c’erano solo con la stereolitografia e materiali ad alte prestazioni, ma con tempi di realizzo più alti dell’SLS e con costi decisamente maggiori.
I materiali CRP invece permettono di ottenere tutte le proprietà di cui ho bisogno per prove di assemblaggio, di galleria del vento, per esposizioni ai clienti e anche per analisi di progettazioni: la tecnologia SLS permette la totale libertà di forma e i materiali Windform le prestazioni meccaniche necessarie.”

DAL RAPID PROTOTYPING AL RAPID MANUFATURING
Con Windform si è riusciti a far fare alla tecnologia il grande salto: DAL RAPID PROTOTYPING AL RAPID MANUFACTURING, con conseguente forte riduzione del Time to Market.
Questo grazie all’ultimo nato della famiglia Windform: il Windform XT, un materiale composito a base poliammidica caricato fibre di carbonio.
I prototipi realizzati con tale materiale, oltre ad essere prototipi funzionali e con caratteristiche e affidabilità superiori, sono in realtà veri e propri pezzi finiti e pronti all’uso.  (quando la performance richiesta da tali oggetti non preveda l’utilizzo di materiali superiori come Acciai o Titanio):

• Qualità e ripetibilità dei batch di polvere: grazie al sistema di produzione e miscelazione utilizzato ogni lotto è uguale all'altro e viene fornito, a garanzia di ciò, il "Certificato di Conformità" (analisi di laboratorio che certifica le qualità del materiale).
• Servizio e informazioni ai clienti: condivisione del know-how costruito in 10 anni di ricerca, innovazione e service.

Entrando nello specifico, i plus sono così sintetizzabili:

1. Tutti i materiali della linea Windform sono molto facili da lavorare
2. Non creano problemi in macchina alle parti hardware standard
3. Il software non deve essere modificato, solo alcuni parametri vanno corretti secondo direttive semplicissime da seguire.
4. I materiali sono estremamente stabili e si possono tenere sotto controllo eventuali deformazioni dovute ad accelerazioni (riduzioni di tempo) nel raffreddamento dei pezzi se si vogliono ridurre i tempi di consegna. Questo accade soprattutto su pezzi con spessori sottili. Si parla di riduzioni fino al 15 % del tempo di costruzione tipico dell’SLS, che a sua volta  è già un lead time ridotto del 50-60% rispetto a tecnologie costruttive tradizionali.
5. Le prestazioni meccaniche, termiche, di definizione superficiale e l’ accuratezza dei dettagli sono palesemente superiori, rispetto a qualsiasi altro materiale per SLS attualmente in commercio.

TERMOFORMATURA, MATERIALI COMPOSITI E DESIGN: RIDUZIONE DEL TIME TO MARKET

Il Windform PRO si è rivelato particolarmente adatto per due applicazioni fondamentali: la termoformatura, - i contenitori nell’Industria Alimentare o Packaging per Fashion-Health and Beauty -, e la creazione di stampi per materiali compositi, come il carbonio, le fibre aramidiche (Kevlar) e la vetroresina.
Le vie seguite sono sostanzialmente due: la prima è la realizzazione dello stampo finale eliminando così tutti i passaggi del processo standard, complesso e molto lento. Questa soluzione è particolarmente indicata nel caso di dimensioni fino circa un volume di 300 x 300 x 200 mm.
Per l’industria alimentare un esempio tipico, particolarmente performante e apprezzato, è la creazione di stampi per macchine termoformatrici che producono le vaschette per prodotti freschi o freschissimi.
La vaschetta che verrà prodotta potrà avere un design nuovo e originale in tempi brevissimi permettendo ai produttori o alla grande distribuzione una flessibilità, elasticità e design accattivanti, impensabili prima d’ora. Lo stesso risultato con le tecnologie tradizionali CNC avrebbe richiesto tempi e costi improponibili.
Il Windform PRO  grazie ad un alto HDT (a 1,82 Mpa 140 gradi C) e un UTS di 52 Mpa non ha manifestato finora alcun limite di durata se confrontato con le soluzioni standard in lega di alluminio.

Dichiarazione di un fornitore nell’Industria Alimentare
“Stiamo utilizzando stampi in Windform PRO per la realizzazione di vaschette per salumi affettati o in cubetti con risultati davvero interessanti: questa soluzione innovativa ci permette infatti di dare alle vaschette forme nuove e create ad hoc per il cliente, aggiungendo sul fondo della vaschetta anche il nome del cliente in tempi minimi. In questo modo possiamo rinnovare il packaging molto più spesso, avere forme uniche create apposta per noi, grazie al supporto che CRP ci fornisce per il disegno al CAD 3D, e i costi sono contenuti: le stesse forme realizzate con la tecnica tradizionale della lavorazione CNC comporterebbero un aumento del prezzo dello stampo in alluminio inaccettabile, oltre a richiedere tempi minimi che vanno da 1 a 3 mesi, mentre CRP ci ha fornito lo stampo finale in meno di una settimana. Le prestazioni poi sono esattamente le stesse, non abbiamo cioè riscontrato durata inferiore rispetto agli stampi classici in alluminio, nessuna incrinatura o peggioramento dei dettagli dopo alcune stampate: lo stampo ha quindi esattamente le stesse proprietà di quello tradizionale, ma con forme più nuove, tempi di consegna decisamente inferiori e costi contenuti per la prestazione ottenuta.”

E’ possibile allo stesso modo creare stampi per materiali compositi, per settori racing, hi-tech, automotive, e per ogni settore che richieda l’utilizzo di carbonio, kevlar o vetroresina.
Le caratteristiche del PRO consentono l’utilizzo degli stampi in autoclave, fino a 120-130 gradi, senza nessun problema di deformazioni o rotture.
Ovviamente per ottenere il grado di finitura ottimale nei pezzi in composito ottenuti con questa tecnologia è consigliabile verniciare gli stampi in Windform PRO con le stesse tecniche di verniciatura utilizzate per stampi tradizionali in resina (UREOL) ottenuti mediante lavorazione meccanica CNC.
Quando le dimensioni dello stampo superano i limiti costruttivi delle macchine SLS, e quindi si renderebbe necessario procedere con incollaggi strutturali, benché CRP sia stata in grado di realizzare intere carene e scocche di auto sportive,si rischia di ridurre eccessivamente la precisione dello stampo o di renderlo antieconomico.
In questo caso è allora possibile realizzare in PRO il master model, il quale può essere agevolmente utilizzato, viste le caratteristiche superiori del materiale, per la realizzazione di stampi in vetroresina.Il processo è il seguente: partendo dal master model in PRO, si lamina su di esso lo stampo in fibra di vetro, il quale viene “curato” in autoclave per circa 24 ore, dopodiché, rimosso il master model, è possibile usare lo stampo per la produzione dei pezzi definitivi.
Questa soluzione permette di accorciare i tempi solitamente lunghi della realizzazione del master model, normalmente creato a mano o mediante costose e lunghe lavorazioni meccaniche CNC, e di garantire la completa e scientifica corrispondenza tra idea, progetto, modello CAD 3D e pezzo finito.
Le altre tecnologie di RP o gli altri materiali per SLS non permettono nessuna delle soluzioni che abbiamo visto. Questo perchè  sia con i materiali per Stereolitografia, sia con quelli per SLS tradizionali, si ottengono pezzi fragili, con affidabilità troppo bassa per queste condizioni di lavoro e soprattutto che non sopportano temperature così elevate, senza rischiare deformazioni o rotture che screditerebbero la qualità del prodotto finito.
Per quanto riguarda il Design alcuni esempi concreti fanno intuire quanto questi materiali possano supportare gli architetti nella progettazione di oggettistica di design e il conseguente abbattimento totale dei limiti finora imposti alla fantasia e alla realizzazione.
Le prestazioni di tutti i materiali Windform permettono di realizzare oggetti realmente funzionanti mentre  la tecnologia SLS elimina completamente qualsiasi limite di progetto e di disegno avendo eliminato anche i supporti presenti invece nell’SLA, e con i tempi di costruzione ridotti al minimo.
Infine, il colore alluminio brillante del GF o del PRO, la sensazione vellutata del nero opaco del PRO B e la definizione altissima dei dettagli del GF, paragonabile quasi all’SLA, rendono gli oggetti estremamente eleganti, accattivanti, unici.