STAMPA 3D, ADDITIVE MANUFACTURING E CONTROLLI CON TOMOGRAFIA

APPLICAZIONI DELLA TOMOGRAFIA: STAMPA 3D E ADDITIVE MANUFACTURING

Una delle applicazioni della tomografia computerizzata è il controllo non distruttivo di manufatti stampati in 3D e in additive manufacturing.

Perché?

La particolarità della stampa 3D e dell’additive manufacturing è la possibilità di creare oggetti con forme irrealizzabili in un unico pezzo con altri processi produttivi che appunto, richiedono di assemblare componenti diversi o di utilizzare maggiori quantità di materiale in geometrie meno complesse rispetto alla possibilità della manifattura additiva.

La tomografia, con la sua possibilità di analizzare campioni di qualsiasi forma, diventa quindi lo strumento principale con cui eseguire i controlli non distruttivi di questo tipo di campioni.

Ma lascia che ti racconti un po’ di storia delle stampanti 3D, quelle apparecchiature che solo poco tempo fa venivano considerate iper tecnologiche, grazie alla loro capacità di stampare oggetti, appunto, in 3D.

La Storia della Stampa 3D

Per quanto considerata recente, comunque, le tecniche di stampa 3D vedono gli albori alla fine degli anni ’70, proprio quando fu inventata e rilasciata sul mercato la prima stampante a getto d’inchiostro.
Dal foglio ad una creazione tridimensionale, il passo è stato breve.

Il primo brevetto di stampante 3D viene registrato negli anni ’80 ed è da attribuire all’ingegner Chuck Hull, ad oggi cofondatore, vicepresidente e CTO della 3D Systems, una delle aziende leader di mercato nella produzione di stampanti in ambito industriale.
Hull fu l’inventore della stereolitografia, quella che oggi chiamiamo prototipazione rapida, e del formato STL (Standard Triangulation Language), un formato di file nato per i software di stereolitografia CAD.

Oggi i metodi di stampa 3D vengono utilizzati nei diversi tipi di industrie soprattutto dove sono richiesti

• pesi ridotti,
• alte resistenze meccaniche,
• pezzi unici o piccole serie.

Nel processo di stampa 3D si parla di produzione additiva (Additive Manufacturing), ed il nome deriva proprio dalla tecnica utilizzata per la produzione.
L’oggetto finale risulta dall’addizione di materiale fuso che, una volta solidificatosi, acquisisce uno stato più resistente.
Il brevetto di Hull prevedeva la solidificazione delle materie prime ad opera di un raggio UV.

Il processo di Stampa 3D

Tutto il processo di stampaggio ha inizio dalla realizzazione (o dalla semplice acquisizione nel caso in cui esso sia già pronto) di un modello 3D che rappresenta in maniera accurata il prodotto da ottenere.
In seguito, e soprattutto in relazione alle caratteristiche che dovrà avere il prodotto finito, vengono scelte le materie prime, che possono presentarsi in stato liquido (o quasi) o polveroso.

La produzione additiva, ad oggi, può essere applicata ad un’ampia gamma di campi e di materiali: a seconda del processo di deposizione e saldatura delle materie prime, è possibile utilizzare materiali polimerici o metallici.

Successivamente, attraverso una procedura quasi sempre semi automatica (salvo alcuni momenti della lavorazione per le quali è ancora essenziale l’intervento umano), la costruzione del singolo pezzo avviene per addizione di strati di materiale.

Ogni livello del prodotto ha come superficie di costruzione lo strato precedente, permettendo così al prodotto finito di essere più leggero e di creare meno spreco di materiale.

Nell’industria metalmeccanica, addirittura, per la stampa 3D si adoperano molto spesso polveri metalliche che, se non utilizzate al termine del processo, possono essere in gran parte recuperate e riutilizzate per i progetti successivi.

La Produzione Additiva

La produzione additiva, di conseguenza, consente una libertà tendenzialmente infinita nella progettazione e produzione del pezzo, permettendo l’ideazione e la realizzazione di geometrie particolarmente complesse ed elaborate, proprio come succede per la stampa digitale di un qualsiasi documento.

L’Additive Manufacturing si va quindi a sostituire alle tradizionali alternative di produzione, che possono comprendere colate all’interno di stampi o rimozione del materiale da un blocco intero.
Soprattutto per quanto riguarda la rimozione, spesso queste tecniche portano ad un grande spreco di materiale che, spesso, non può più essere utilizzato per lavorazioni successive.
Inoltre, al contrario che con l’additive manufacturing, queste tecniche d’insieme rendono tendenzialmente impossibile (o per lo meno estremamente complicata) la realizzazione di oggetti con geometrie più elaborate o complesse.
In passato, per realizzare componenti particolari, occorreva realizzare i singoli pezzi, che successivamente venivano assemblati (con rischi di rottura ovviamente più elevati).
In questo caso, oltre che allo spreco di materiale, l’additive manufacturing permette di ovviare anche allo spreco di tempo, risultando nella creazione di elementi già assemblati.

Una tecnologia legata all’additive manufacturing è sicuramente la Selective Laser Melting, tecnica basata sulla fusione in punti specifici di un letto di metallo in polvere.
Questa lavorazione, messa in atto grazie ad un fascio laser molto potente e focalizzato, porta, uno strato alla volta, alla realizzazione dell’oggetto progettato.

Il risultato ottenuto è paragonabile ai prodotti derivanti dalle tecniche di produzione tradizionali, con risoluzioni dell’ordine delle decine di µm.
Grazie a questo particolare tipo di produzione, poi, è possibile realizzare pezzi mobili o composti da cavità interne altrimenti impossibili da immaginare cosa che risulta estremamente complicato con le tecniche di produzione alternative.

Prototipazione rapida

Parlando di additive manufacturing, poi, non possiamo non citare anche la prototipazione rapida.
Essa consiste in un insieme di tecniche industriali che permettono la realizzazione fisica di un prototipo a partire – in genere – dal modello CAD dello stesso.
Grazie alle tecniche di stampa 3D, quindi, la Rapid Prototyping non è più solo un bel sogno.
I tempi di produzione risultano sensibilmente ridotti, e aumenta di conseguenza il numero di oggetti che possono essere prodotti in serie.
Ciò, ovviamente, va ad influire in maniera più che positiva sui processi produttivi su scala industriale di grandi serie di campioni.

Per poter effettuare una prototipazione rapida, di conseguenza, il modello CAD risulta essere estremamente indispensabile.
Il modello in questione, di conseguenza, può essere creato in due modi:
– se parliamo di un prodotto nuovo, mai realizzato da nessun altro e che al momento esiste solo nella mente del suo ideatore, ci si dovrà affidare per forza al puro e semplice utilizzo del software CAD;

– nel caso in cui si disponga già di un pezzo di produzione, che però non risulta accompagnato dal modello CAD, il reverse engineering risulta un’alternativa valida e decisamente utile.

Reverse Engineering

Il Reverse Engineering è una tecnica di analisi che permette, grazie all’utilizzo di una Tomografia Industriale Computerizzata (iCT) e del software ad essa legato, di risalire al modello CAD di un qualsiasi oggetto analizzato, purché esso non abbia un peso superiore ai 500 kg ed un diametro superiore ai 1200×700 mm.
Dall’analisi Tomografica si ottiene una nuvola di punti – un insieme di punti caratterizzati da coordinate precise e da eventuali valori di intensità ad essi collegati – che, se necessario, può essere elaborata attraverso altri tipi di programmi per ottenere un’immagine tridimensionale del campione in analisi (ed in seguito, il modello CAD necessario).

Questo tipo di processo risulta essere l’ideale nel momento in cui ci si ritrovi in possesso di campioni vecchi dei quali non si dispone più delle matematiche.

Nell’ambito dell’industria 4.0, l’additive manufacturing ad oggi rappresenta una tecnica di produzione decisamente innovativa e dalla tendenzialmente infinita gamma di applicazioni: infiniti sono i progetti realizzabili, l’unico limite è quello della mente umana.

Controlli Non Distruttivi con Tomografia

I campioni prodotti con stampa 3D e Additive Manufacturing possono essere controllati in modo non distruttivo con l’analisi tomografica.

Fondamentale in casi di componenti prodotti con manifattura additiva è la possibilità di ricostruire virtualmente in 3D un oggetto e indagarlo in ogni sua parte, possibilità che solo la tomografia industriale computerizzata dà.

Tra tutti i controlli non distruttivi esistenti, il controllo tomografico è il miglior alleato per chi vuole misurare, cercare difetti, controllare il giusto posizionamento degli elementi che fanno parte di un manufatto prodotto con stampa 3D e Additive Manufacturing .

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