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INTRODUZIONE
Il lavoro è focalizzato sulla progettazione,assemblaggio e collaudo di un nuovo e diverso
sistema di deposizione di materiale per un sistema desktop di prototipazione rapida,
conosciuto come FAB@HOME, in uso nei laboratori del Dipartimento di meccanica e
gestionale del POLITECNICO di BARI. La macchina in oggetto fa parte di un progetto di
ampio respiro internazionale a cui partecipano università e privati con lo scopo di
diffondere la prototipazione rapida, tecnologia di nicchia anche a causa degli elevati costi,
e farla diventare disponibile e utilizzabile da un più elevato numero di soggetti.
Allo stato attuale la macchina in oggetto non è paragonabile in termini di prestazioni ai
sistemi professionali disponibili sul mercato ma il relativo basso costo (circa 2000 euro)
permette una diffusione della tecnologia dal basso e consente a tutti di poter apportare
migliorie tecniche e sperimentare nuovi materiali di costruzione. Un corposo sito web,
forum e blog permettono la condivisione delle conoscenze e la divulgazione delle migliorie
tecniche contribuendo allo sviluppo del progetto.
La caratteristica importante della FAB@HOME, che la contraddistingue dagli altri sistemi
professionali e la possibilità di utilizzare diversi materiali per la deposizione, dai siliconi e
resine epossidiche al cioccolato e formaggio. Questa caratteristica rispetta a pieno l‟idea
dei progettisti che consiste nel creare un sistema a basso costo per un uso domestico,
flessibile e che possa essere utilizzato per produrre un appendiabiti o decorare una torta.
Con questo lavoro si cerca di dare contributo al progetto sviluppando una nuova testa di
estrusione per depositare materiale termoplastico (ABS). La tecnologia utilizzata è la
Fused Deposition Modelling (FDM) brevettata dall‟azienda americana STRATASYS che
ne detiene il brevetto. Il DIMEG possiede ed utilizza con profitto un modello della
STRATASYS , la FDM3000 il cui funzionamento è stato studiato per raccogliere idee ed è
stata utilizzata per costruire la nuova testa utensile. La differenza sostanziale rispetto al
sistema in uso è essenzialmente nell‟esigenza di fondere il materiale che ha comportato la
progettazione di un sistema per il controllo della temperatura e la definizione di scelte
opportune per implementare un sistema caldo su una macchina non progettata per questo
tipo di utilizzo.
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L‟esigenza di progettare un nuovo sistema di deposizione è nata dall‟aver constato la
difficoltà di costruire anche forme semplici con materiali che non siano il silicone. Questo
è essenzialmente dovuto al fatto che il materiale idoneo a questo tipo di operazione deve
essere caratterizzato da una viscosità tale sia da mantenere le forze di estrusione entro le
potenzialità dei motori passo-passo montati sulla macchina sia da mantenere la forma
all‟uscita dall‟ugello in modo tale da non compromettere la precisione del pezzo. Queste
due caratteristiche sono ovviamente discordanti e il solo materiale che ha permesso una
costruzione soddisfacente è stato il silicone. A causa di questi risultati, ottenuti su un
precedente lavoro di tesi, si è deciso di cambiare il sistema di deposizione e cercare di
capire se è possibile implementare con profitto la tecnologia FDM sulla FAB@HOME.
Il primo passo è stata la definizione del sistema,in modo tale da capire come intervenire e
cosa occorreva. Successivamente si è passati a definire i materiali occorrenti e a definire
l‟assemblato , poi si è proceduto alla scelta dei fornitori e quindi all‟effettuazione
dell‟ordine. Al ricevimento dei materiali poi, si è passati all‟assemblaggio e al collaudo
dell‟utensile che ha permesso di identificare gli elementi positivi e quelli negativi che
hanno indicato la direzione da prendere.
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1. INQUADRAMENTO TECNOLOGICO E AMBITO DI
APPLICAZIONE
1.1 Introduzione
L‟intento di questo capitolo è presentare il contesto tecnologico, l‟ambiente di lavoro e il
know-how acquisito per progettare e costruire la nuova testa di estrusione. È stato
innanzitutto necessario conoscere la FAB@HOME dal punto di vista meccanico,
elettronico e prestazionale e lo stato dell‟arte studiando gli sviluppi apportati da altri
utilizzatori come università e privati. In un secondo momento si è studiata la FDM3000
con una attenta osservazione del ciclo di lavoro e del modo di operare cercando di capire
problematiche riguardanti il materiale e il tipo di processo. Il capitolo si conclude con un
overview sulle altre tecniche di prototipazione e su altre macchine hobbistiche simili alla
FAB@HOME.
1.2 La prototipazione rapida
1.2.1 la tecnologia: scopi e applicazioni
Le tecniche di prototipazione rapida (o, utilizzando la dizione inglese, rapid prototyping,
RP) sono una serie di sistemi che, prescindendo dalla complessità costruttiva dell'oggetto,
lo riproducono con tecniche additive, partendo da una sua definizione matematica
specificata su un CAD tridimensionale ed utilizzando processi rapidi, flessibili e altamente
automatizzati. Già da questa breve definizione sono chiari i punti di forza di queste
tecniche: la possibilità di realizzare in tempi ridottissimi (da alcune ore a pochi giorni) un
prototipo in un'ampia gamma di materiali, indipendentemente da forma e complicazione
geometrica, senza nessun ausilio di attrezzature.
Fin dall'antichità, gli inventori, i disegnatori, i creativi si sono serviti sempre di un piano
bidimensionale per comunicare e valutare le loro idee, prima di tradurle in pratica. Mentre
nel passato i primi progettisti si affidavano a compasso e carta pergamena, quelli
contemporanei possono fare uso di un vero e proprio arsenale di mezzi di progettazione.
Ciononostante, il progettista non è mai assolutamente certo che ciò che osserva sullo
schermo sia una fedele rappresentazione del concetto che intende realizzare. La
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prototipazione rapida è il tentativo più riuscito di sfondare questa barriera: quella di
trasformare le fuggevoli immagini in un oggetto solido e concreto, da toccare con mano.
Dall'idea pionieristica di Charles W. Hull, datata 1982, è nata 3D Systems Inc., società
americana capostipite del settore e, cinque anni più tardi, il primo apparato per la
stereolitografia, la SLA-1. Da quegli anni un numero sempre più elevato di ricercatori e,
naturalmente, utilizzatori ha segnato il mondo (ed il mercato) della Prototipazione Rapida,
favorendone l'evoluzione in termini di diffusione e di prestazioni. La presenza sempre più
capillare di sistemi CAD ha dato una spinta straordinaria alla ricerca di metodologie
sempre nuove e diverse, finalizzate alla realizzazione di oggetti a partire da una geometria
definita elettronicamente. Dalle ricerche, perciò, sono nate e si sono consolidate altre
tecnologie come il selective laser sintering (più brevemente SLS), il fused deposition
modeling (o FDM), il laminated object manufacturing (LOM) e molte altre.
Da allora molte cose sono cambiate e le attività portate avanti dai primi pionieri vengono
ora affrontate in modo sistematico soprattutto da realtà industriali di piccola/media
dimensione. La comparsa di questa tecnologia “esotica” che era in grado di realizzare
elementi fisici direttamente dal CAD 3D per aggiunta progressiva di materiale destò molto
scalpore e suscitò un forte interesse ed una serie di aspettative che portò a pensare che
queste tecniche non avessero praticamente limiti.
Naturalmente, con il passare del tempo, la ricerca e lo sviluppo hanno favorito l'evoluzione
dei sistemi in termini prestazionali (tempi di lavorazione minori, tolleranze dimensionali
inferiori, finitura superficiale ancora migliore, resistenza dei modelli RP a condizioni
climatiche variabili e a sollecitazioni meccaniche, termiche e chimiche sempre più forti).
Oggi possiamo considerarci in una fase dove: le macchine di PR sono di semplice impiego;
la qualità dei prototipi in termini di precisione dimensionale, rugosità superficiale e
prestazioni meccaniche è cresciuta e in ogni caso stimabile; è disponibile un'ampia gamma
di materiali; sono noti i metodi e i limiti d‟impiego dei prototipi nel settore
dell‟attrezzaggio rapido. In definitiva queste tecnologie sono considerate a pieno titolo
mezzi per lo sviluppo rapido dei prodotti e delle attrezzature.
Le trasformazioni del mercato avvenute dagli anni „70 fino ad oggi hanno imposto una
crescita del numero di varianti, una progressiva riduzione del ciclo di vita del prodotto, un
incremento della sua complessità e il contenimento dei tempi di consegna; un ritardo di
alcuni mesi nell‟immissione del prodotto sul mercato può determinare una perdita degli
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utili anche del 30%; mentre un incremento del 50% dei costi di sviluppo risulta
ampiamente accettabile. La definitiva accettazione da parte del mercato e, più tardi, il
successo di queste tecnologie è stato decretato proprio da questa inarrestabile tendenza a
ridurre i tempi di sviluppo dei nuovi prodotti. Questo è stato il fattore di successo
principale.
Le tecniche di prototipazione e attrezzaggio rapidi giocheranno nel nuovo millennio un
ruolo sempre più determinante nello sviluppo dei nuovi prodotti e delle relative
attrezzature. Nell‟era della globalizzazione dei mercati la capacità di offrire tempi di
sviluppo e industrializzazione sempre più contenuti è il nuovo e stimolante obiettivo per le
nostre imprese. Queste tecnologie innovative rappresentano il collante tra le varie fasi di
sviluppo del prodotto come la progettazione, il CAD 3D, la definizione dell‟attrezzatura e
la fabbricazione della pre-serie. In Figura 1, Figura 2 e in Figura 3 sono visibili tre prototipi
realizzati con tre tecniche diverse: sinterizzazione a laser selettivo, Fused Deposition
Modelling e Polijet.
Figura 1: prototipo di una montatura di occhiali realizzato con la tecnica della stereo litografia.
Figura 2: prototipo in abs con la tecnica Fused Modelling FDM (fonte replab v 2.0)
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Figura 3: teschio umano realizzato con ladeposition la tecnica Polyjet in "vero White full core 830 Modelling
Mateerial". (fonte replab 2.0)
1.2.2 Descrizione del processo
Prima di parlare di prototipazione rapida è opportuno ricordare che per prototipo si intende
il primi elemento di una serie. Durante la fase di sviluppo di un prodotto vengono
realizzate le seguenti tipologie di prototipi: concettuali, funzionali, tecnici e preserie
ovviamente con obiettivi e materiali differenti. In Tabella 1 sono presentate le
caratteristiche per ogni tipologia di prototipi.
Tabella 1: caratteristiche dei prototipi realizzati durante la fase di sviluppo dei prodotti
PROTOTIPI
CONCETTUALI
PROTOTIPI
FUNZIONALI
PROTOTIPI TECNICI PRESERIE
OBIETTIVI
Valutazione della forma;
verifiche di montaggio;
analisi delle difficoltà
tecnologiche;
analisi delle
sollecitazioni assiali con
metodi fotoelastici
Valutazione delle
prestazioni con prove
funzionali;
ottimizzazione del prodotto
per la funzione;
Valutazioni del prodotto e del
ciclo di lavorazione;
ottimizzazione delle
tecnologie di fabbricazione
Valutazione
finale del
prodotto (sono
ammesse poche
modifiche
marginali
MATERIALE Qualsiasi:
può essere diverso da
quello del prodotto finale
Simile a quello del
prodotto finale
Molto simile a quello del
prodotto finale
Definitivo
TECNOLOGIA DI
FABBRICAZIONE
Non considerato Non è considerato Simile Definitiva
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Il prototipo può svolgere diverse funzioni all'interno del ciclo di sviluppo prodotto: per la
progettazione verificare un‟idea, per il marketing può servire per provare la risposta del
mercato ad una nuova proposta e per la produzione può essere utile per verificare un ciclo
di fabbricazione. In definitiva le funzioni del prototipo sono quindi la verifica funzionale,
la valutazione dei costi, la valutazione di tempi di flusso e della risposta del mercato.
Gli obiettivi di ciascuna tipologia di prototipo sono ovviamente differenti, così come il
materiale e la metodologia impiegati per la sua costruzione. La tecnologia tradizionale
della fabbricazione dei prototipi è affidata ai modellisti che, sulla base delle indicazioni di
grafici e progettisti, li realizzano con operazioni soprattutto manuali. Costi e tempi di
questa operazione stanno diventando incompatibili con le esigenze delle aziende di ridurre
drasticamente i tempi di immissione di nuovi prodotti sul mercato. E‟ quindi diventato
imperativo lo sviluppo di una nuova tecnica che permetta la compressione dei tempi e dei
costi per la fabbricazione dei prototipi, avendo come punto di partenza il modello
matematico dell‟oggetto da realizzare: la prototipazione rapida. Questa filosofia
innovativa rende possibile la produzione, in poche ore e senza l‟uso di utensili, di oggetti
di geometria comunque complessa, direttamente dal modello matematico dell‟oggetto
realizzato su di un sistema CAD tridimensionale.
Con il termine Rapid Prototyping si intende un insieme di processi che realizzano modelli
e componenti per addizione di materiale layer by layer a partire da un modello matematico
tridimensionale. Diversamente da tutte le macchine tradizionali, che funzionano per
sottrazione successiva di materiale da un blocco nel quale è contenuta la forma che si vuole
ricavare, i sistemi di RP fabbricano strati successivi di materiali costituiti di volta in volta
da liquidi, polveri, fili o laminati. Strato dopo strato, queste macchine ricostruiscono
l'oggetto che rappresenta il modello matematico di partenza. Per questa ragione tale
tecnologia produttiva è anche nota come Layer Manufacturing. Il processo di rapid
prototyping è schematizzato in Figura 4 e in Figura 5 sono visibili le fasi di realizzazione
del telaio dell‟estrusore ideato in questo lavoro: da un modello CAD è stato generato un
file STL che è stato l‟input per la generazione del pezzo sull‟FDM3000.
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Figura 4: fasi del processo di rapid prototyping: da un file CAD 3d alla realizzazione del pezzo.
Il prototipo deve essere disegnato al CAD utilizzando un modellatore tridimensionale
solido o superficiale. Soprattutto nel caso si modellatori superficiali, bisogna porre
particolare attenzione alla chiusura e alla connessione di tutte le superfici, onde evitare che
siano presenti gap o sovrapposizioni che vadano a inficiare il risultato del lavoro di
modellazione.
Successivamente il modello CAD viene elaborato in un formato compatibile con il
software di gestione della macchina RP. Lo standard grafico attualmente accettato da tutti i
costruttori è l‟STL (solid to layer) introdotto dalla società 3D System. Tale formato
prevede la tassellizzazione (0 mesh) delle superfici interna ed esterna del pezzo attraverso
elementi triangolari. L‟approssimazione di superfici curve attraverso facce triangolari
introduce inevitabilmente un errore, valutato misurando la distanza tra il baricentro del
triangolo e la superficie originaria. È possibile infittire il numero di triangoli in presenza di
una superficie curva del modello per raggiungere l‟approssimazione richiesta.
L'STL è un formato molto banale e ridondante, nel quale sono indicati per ogni triangolo le
tre coordinate spaziali dei tre vertici ed i tre coseni direttori della normale esterna alla
superficie così definita. La triangolarizzazione dovrebbe essere sempre effettuata
all'interno dell'ambiente CAD: quando questo non è possibile (per la mancanza nel sistema
del modulo di salvataggio in formato STL) è necessario utilizzare dei formati di
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interscambio (quali IGES, VDA o altri) e convertire il file in STL con dei CAD o dei
convertitori software creati appositamente per questo scopo. È necessario ridurre al
minimo questi passaggi intermedi, per evitare il deterioramento della "matematica" del
modello e la necessità di riparare i files STL in uscita per la presenza di superfici non
connesse o con incoerenze, che non possono essere trattate da un sistema RP.
Spesso, però, può capitare che anche senza utilizzo di formati di dati intermedi, il file STL
creato sia di scarsa qualità o comunque debba essere "riparato": è quindi necessario che la
workstation dedicata al RP sia equipaggiata con software adeguato.
Il file STL viene poi elaborato dalla macchina per le successive fasi di orientamento del
pezzo, generazione dei supporti e slicing. La prima fase consente di selezionare la
direzione di "crescita" ottimale del prodotto, che influenza notevolmente precisione
dimensionale, finitura superficiale e tempi e costi di produzione. La seconda fase è
necessaria per alcune tecniche, per sostenere eventuali parti a sbalzo. Il file deve poi subire
una ulteriore elaborazione, ovvero deve essere sezionato con una serie di piani ortogonali
alla direzione di "crescita", per ottenere le coordinate del contorno di ciascuna sezione.
Figura 5: il telaio dell'estrusore come a)modello solido, b) file stl , c) in sliced layers
Lo slicing è un'operazione critica, perché condiziona in modo determinante la precisione
del prototipo. Può essere uniforme, dando origine a strati di spessore costante,
oppure adattativo ed in tal caso lo spessore verrà scelto in funzione della curvatura
superficiale, per limitare al massimo l'aspetto a gradini della superficie esterna
(effetto staircase). In questo secondo caso, quindi, la precisione del modello è
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