Altissima flessibilità, precisione e stabilità di processo nella lavorazione additiva sono garantite dal sistema di serraggio a punto zero AM-Lock di Peter Lehmann. Fonte: ©pL Lehmann.
La produzione additiva di componenti metallici è in ascesa. Siamo pronti per la fase di sviluppo successiva: dalla produzione singola a quella in serie, ma, al fine di rispettare i requisiti di qualità richiesti necessitano soluzioni d’automazione avanzate.
di Hansruedi Lehmann
Negli ultimi anni, la produzione additiva di componenti metallici è riuscita a dimostrare in modo impressionante il proprio potenziale. Dalla realizzazione di prototipi fino alla stampa in 3D di pezzi di ricambio, le applicazioni si sono ampiamente diffuse in tutti i settori industriali. Proprio per le sue possibilità e le libertà di design, ora non più collegato alle limitazioni della produzione tradizionale, la stampa 3D di componenti metallici è ampiamente riconosciuta come un metodo di produzione autonomo dal grande futuro.
Con la produzione di massa e la relativa necessità di automazione, devono tuttavia essere cambiate le fasi di produzione manuali tipiche della produzione di pezzi singoli. I componenti metallici stampati non fuoriescono dalla stampante pronti per essere usati. Nella maggior parte dei casi i componenti sono fissati alla piastra di base tramite strutture di supporto e devono, innanzitutto, essere separati dalla piastra. Il fissaggio alla piastra serve anche per contrastare le tensioni interne dei componenti che vengono a formarsi durante la stampa, soprattutto a causa delle differenze termiche.
Solo un trattamento termico successivo espande il pezzo, in modo da evitare qualsiasi rischio di curvatura. Le strutture di supporto consentono anche, nel caso di stampa con procedura a letto di polvere, di eseguire determinate geometrie come sbalzi, tagli posteriori e cavità. Certamente si sta puntando, tramite un design adattato, ad avere meno strutture di supporto possibili, ma, in genere, questo è un limite per uno dei più grandi vantaggi assicurati dalla stampa 3D, vale a dire la libertà di design. Sui componenti aderiscono residui di polvere, fusi parzialmente sulla superficie; la polvere può anche accumularsi nelle cavità: se le uscite sono bloccate da strutture di supporto risulta difficile svuotarle.
Nel progredire della tecnologia additiva siamo certamente giunti a una fase di sviluppo successiva: il passaggio da una produzione singola a quella in serie. Tuttavia, prima di poter riprodurre grandi quantità di pezzi, rispettando i moderni requisiti di qualità, sono necessarie ulteriori armonizzazioni e l’automazione di importanti fasi produttive. Una componente decisiva è costituita dal post-processing.
Il modulo di finitura H3000 è un sistema autonomo plug & play per il post-processing, completamente automatizzato, di pezzi stampati in 3D con la procedura brevettata Hirtisieren®.
UNA FASE DECISIVA PER IL FUTURO
Il post-processing può anche essere integrato con l’applicazione contemporanea di pressione, tramite la cosiddetta pressatura isostatica a caldo (HIP). Questa tecnica ha il vantaggio di ridurre i micro-pori rimasti nel materiale, così da poter contenere, nella maggior parte dei casi (fino al 99%), la compattezza di imballaggio dei componenti stampati. Se il componente è privo di polvere, trattato termicamente, e separato dalla piastra base, in numerosi punti le strutture di supporto vengono rimosse meccanicamente. Ciò include la fresatura manuale, il taglio con pinze e la limatura. La rugosità superficiale dei pezzi non utilizzabili a livello industriale viene quindi ridotta tramite radiazione e con procedure di barilatura, tra cui quella a vibrazione con processi chimici.
Tutte queste procedure hanno un fattore comune: è possibile lavorare sia gli spazi interni sia i tagli posteriori geometrici. Nella catena di post-processing indicata sono inclusi anche numerosi passaggi manuali; il processo è discontinuo e quindi non automatizzabile e, dunque, non è possibile attuare produzioni in grande serie. Vengono inoltre escluse dal processo alcune geometrie interessanti e quindi la libertà di design della stampa in 3D viene penalizzata. Una produzione di grandi quantità di pezzi necessita invece della maggiore automazione possibile, con fasi di processo perfettamente armonizzate tra loro e di tracciabilità e riproducibilità elevate.
A sinistra: la procedura Hirtisieren® può essere implementata per le future grandi serie anche nei percorsi di finitura di un modulo H12000 con capacità di 500 pezzi/h. A destra: la pinza di presa a vuoto, dopo la finitura è liberata dai supporti tramite la tecnica Hirtisieren®, ed è pronta all’uso. Fonte: ©Materialise.
L’ALTERNATIVA ELETTROCHIMICA
A questo punto, entrano in gioco i metodi elettrochimici, nel senso più ampio galvanici. Quello più noto è la classica pulitura elettrolitica; tuttavia, questa presenta limitazioni in diversi settori per quanto concerne la geometria dei pezzi e le aree interne, che non sono pulibili elettroliticamente se non con un enorme sforzo. Per questi compiti, una procedura dinamica idonea è quella dell’Hirtisieren®, una tecnica brevettata dall’austriaca hirtenberger Engineered Surfaces . Questa procedura ha origine sempre nell’elettrochimica, ma è stata sviluppata in modo speciale per diversi compiti di post-processing di componenti in metallo stampati in 3D. Come procedura chimica ed elettrochimica assicura un’alternativa alle comuni fasi di lavorazione meccanica.
Attraverso sistemi basati su fluidi, è possibile raggiungere anche aree difficilmente accessibili, considerata la loro geometria, e parti interne dei componenti. Nel suo processo unico, a tre livelli, la tecnologia Hirtisieren® rimuove, nella prima fase, le strutture di supporto e i residui di polvere aderenti, mentre nella seconda fase livella la superficie a uno strato tecnicamente utilizzabile (Ra
La scalabilità controllabile dei processi elettrochimici contribuisce, inoltre, a trasformare la stampa 3D in un metodo altamente efficiente e affidabile per la produzione in serie. La tecnologia Hirtisieren® viene implementata come procedura di finitura presso gli stabilimenti hirtenberger Engineered Surfaces o attraverso moduli di finitura, completamente automatizzati, direttamente sul posto con la stampante 3D. La procedura può essere implementata anche per future produzioni di grandi serie, nel percorso di finitura su una macchina H12000 con capacità di 500 pezzi/h.
GEMINAZIONE DIGITALE
Nel passaggio a una produzione in grande serie devono dunque essere definite e chiuse tutte le interfacce dell’intera catena di lavorazione, che vanno monitorate per la garanzia di qualità. Un dettaglio molto importante è costituito dalla “costruzione” della geminazione digitale, l’immagine virtuale di un prodotto specifico che accompagna il suo riscontro fisico per tutta la sua durata utile. Questo metodo di simulazione è impiegato anche per un prodotto singolo e, nella prima fase, viene “rifornito” con i dati di carico raccolti dai sensori. È proprio da un punto di vista relativo all’efficienza che la rappresentazione virtuale di macchine o impianti quali figure su una piattaforma digitale offre all’azienda numerosi vantaggi per il ciclo di vita: partendo dal design del prodotto e dalla progettazione della produzione, passando per l’engineering, fino alla messa in esercizio, al funzionamento, alla manutenzione e alla modernizzazione di sistemi e impianti. Le geminazioni, con un impianto digitale e uno reale, rimangono collegate in modo permanente, generando una memoria comune dell’oggetto. Questo, a livello ideale, nasce già dal primo studio: in questo modo, il modello di simulazione riflette lo stato dell’impianto fisico definitivo.
La geminazione digitale non deve tuttavia descrivere solo il componente come tale, ma anche l’intera origine del componente per tutta la catena di produzione. Dall’avvio materiale, attraverso tutte le fasi di lavorazione, fino al pezzo pronto, vengono rilevate completamente, oltre a tutte le variazioni geometriche di ogni fase, anche le variazioni delle diverse caratteristiche. In tal modo, è possibile, attraverso la geminazione digitale, riconoscere esattamente il pezzo reale in ogni stadio della sua creazione ed eseguire la produzione del pezzo puramente a livello digitale. La rappresentazione virtuale sotto forma di questo modello 3D intelligente permette, tra l’altro, un’identificazione precoce di errori di sviluppo e di problemi potenziali individuabili altrimenti solo dopo l’avvio della produzione.
Le caratteristiche diventano prevedibili in base alle fasi e ai relativi parametri di produzione. E qui – anche se passa quasi inosservata – si svolge una fase di sviluppo di assoluta importanza! L’origine di un pezzo avviene in uno spazio virtuale nel corso della catena di produzione. La produzione, e il pezzo stesso, esistono innanzitutto nel cloud, prima che venga creato un oggetto fisico. Occorre quindi un cambio di mentalità radicale. Il pezzo esiste già (realmente!) nella sfera digitale e da questo mondo virtuale viene materializzato nel mondo fisico. In tali ponderazioni va preso in esame, in particolare, il post-processing. Già durante la progettazione del pezzo devono essere considerate le fasi di lavorazione successive, per esempio la variazione delle dimensioni di un pezzo dopo la rifinitura: è così possibile tracciare e monitorare l’intero processo, compresa la finitura finale.
Il modulo di lavoro H6000, con dimensioni di 500 x 500 x 300 mm, presenta un’area di lavoro decisamente maggiore rispetto all’H3000. Può effettuare il post-processing contemporaneo di diversi pezzi in diversi materiali.
LA TECNICA DI RIVESTIMENTO
Un altro punto importante del settore della stampa in 3D finora poco considerato. È quello del rivestimento. I pezzi realizzati in modo classico vengono ovviamente rivestiti nell’ultima fase di produzione. Il rivestimento funge da protezione contro la corrosione, serve a migliorare l’aspetto decorativo e la stabilità chimica durante l’impiego o diventa una protezione contro l’usura. Il rivestimento adatto viene selezionato in base all’esigenza corrispondente: può essere un rivestimento galvanico, una verniciatura, una verniciatura catodica a immersione, un’anodizzazione (ossidazione anodica) o un rivestimento ceramico, eseguito nella maggior parte dei casi tramite un procedimento fisico come il PVD.
Considerando che la protezione superficiale è oggi uno standard industriale ampiamente utilizzato, è quasi ovvio pensare che prima o poi questo tema diventerà attuale anche per i pezzi stampati in 3D. Si pensi, ad esempio, al suo impiego nella produzione in serie di componenti per automobili. Anche questo è dunque un aspetto importante da considerare nel post-processing e deve essere integrato nell’intera catena di processo tramite le interfacce citate in precedenza.
IL POST-PROCESSING PARTE GIÀ DAL DESIGN
Ricapitolando, il post-processing è un aspetto di assoluta importanza per il passaggio dalla produzione di un pezzo singolo alla produzione in grande serie. Se la stampa 3D si affermerà stabilmente come metodo di produzione autonomo, si dovrà effettuare questo grande salto verso la produzione in serie. Nell’ambito del post-processing servono interfacce definite e chiuse, un’automazione il più possibile completa e una scalabilità delle singole fasi di produzione. La soluzione migliore sembra l’integrazione tramite l’impiego di geminazioni digitali e la considerazione del post-processing già nei file di design. Se per quanto riguarda il design del pezzo si percorrono nuove strade e non si tenta semplicemente di sostituire l’attuale processo di produzione ottimizzato nel corso di decenni con la stampa 3D, allora la stampa 3D di componenti metallici troverà impiego nelle produzioni di serie industriali.
Le soluzioni intelligenti, sfruttando le libertà praticamente illimitate nel design, riducono anche i costi. Le catene di produzione armonizzate e automatizzate, dal design fino alla stampa e al post-processing, riducono ulteriormente i costi fino a rendere interessante a livello economico l’intero processo, consentendo la gestione di una qualità essenziale e tracciabile. Il post-processing non deve costituire un impedimento!
A sinistra: la tecnica Hirtisieren® ha origine nell’elettrochimica, ma è stata sviluppata in modo speciale per assolvere diversi compiti di post-processing per componenti in metallo stampati in 3D. A destra: attraverso sistemi basati su fluidi, è possibile raggiungere anche aree difficilmente accessibili, considerata la loro geometria, e parti interne dei componenti.
PIATTAFORME COSTRUTTIVE E DI SERRAGGIO
Il post-processing dipende quindi fortemente dal pezzo stampato. Una delle cosiddette “interfacce definite e chiuse” è il sistema portapezzo. È in tale ambito che riveste importanza strategica il sistema di serraggio a punto zero per la stampa 3D AM-Lock di Peter Lehmann. Al fine di un post-processing automatizzato, per esecuzione di fori, filettatura, superfici precise o anche per la misurazione del pezzo dopo la stampa 3D, i singoli pezzi possono essere separati senza essere staccati dalla piattaforma costruttiva. Solo così è possibile avere il punto zero del pezzo. In base alle singole esigenze del post-processing, i pezzi stampati devono poter essere canalizzati in modo corrispondente. La separazione dal pallet deve inoltre avvenire il più tardi possibile, per ottenere la massima efficienza e precisione.
Poiché un sistema di serraggio a punto zero con letto di polvere è sottoposto a condizioni particolari, va evitata la meccanica di movimento tradizionale. AM-Lock sfrutta il calore di processo e soddisfa questo requisito con un Thermo-Lock. Nel post-processing numerosi utenti utilizzano tuttavia sistemi già noti e quindi anche un sistema di serraggio a punto zero e portapezzi additivo deve essere pronto. AM-Lock facilmente adattabile a diversi sistemi presenti sul mercato senza dover staccare i pezzi 3D stampati dalla piastra del substrato.
A conclusione, se si osserva la stampa 3D di pezzi metallici con una prospettiva “a volo d’uccello” va considerata l’intera catena del valore, fino al raggiungimento di una tecnologia di produzione industrializzata: dal design alla predisposizione dei dati, dal processo di stampa al post-processing, dalla continuità dei dati software al trasferimento dei pezzi, fino alla gestione di una qualità tracciabile. Numerose domande sono ancora in attesa di risposta, ma sono già presenti anche soluzioni ottime e innovative: una di queste è sicuramente il sistema di serraggio a punto zero AM-Lock, con l’applicazione della tecnologia Hirtisieren®. ©TECNeLaB
Nella realizzazione di una staffa in acciaio inox 1.4404, le strutture di supporto vengono rimosse tramite la tecnica Hirtisieren® e la superficie viene levigata. Rimangono solo le strutture che impediscono un ritardo. Fonte: ©SLM Solutions e tecnica M&H CNC.
