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Riassunti di stampa 3D

Riassunti tecnologie di stampa 3D a

Sono anche chiamate tecnologie di fabbricazione additiva, sono basate sulla stratificazione progressiva di materiale su livelli paralleli tra loro allo scopo di ottenere parti tridimensionali.

Principio di funzionamento della stampa 3D

• basato sulla trasformazione di un modello 3D digitale in oggetto fisico aggiungendo uno strato di materiale alla volta (stratificazione progressiva di materiale su livelli paralleli tra loro)

• punto di partenza: modello 3D dell’oggetto da realizzare

• modello suddiviso, con apposito software, in strati orizzontali (slicing), ovvero in singoli strati di materiale che la stampante depositerà sul piatto di stampa

• struttura a strati tradotta in una serie di istruzioni in linguaggio macchina scritte in un file (file g-code) che la stampante 3D è in grado di interpretare

• invio del file G-code alla stampante per l’avvio del processo di realizzazione dell’oggetto

• singoli strati generati utilizzando tecniche diverse in base alla tecnologia di stampa

• anche i materiali variano in funzione della tecnologia di stampa 3D scelta

Modello digitale dell’oggetto

• il processo di stampa 3D parte dal modello digitale dell’oggetto che costituisce un requisito vincolante

• tale aspetto distingue la stampa 3D dalla maggior parte delle tecnologie tradizionali

• modello ottenuto mediante software CAD

• rappresentazione matematica dell’oggetto utilizzando formati di scambio per il trasferimento del modello tra diversi CAD

• modello ottenuto anche attraverso scanner 3D = dall’oggetto reale, attraverso uno scanner 3D, si risale alla copia digitale della geometria mediante software per il reverse enegineering

• formato utilizzato dai processi di stampa 3D è STL (Standard Triangulation Language):

• superfici discretizzate mediante elementi triangolari (mesh)

• crea un reticolo che genera un’approssimazione delle superfici continue del modello 3D

• geometria del modello in formato STL tanto più vicina a quella nominale quanto più piccola è la dimensione del lato dei triangoli (ovvero all’aumentare del numero dei triangoli)

• dimensione del lato del triangolo scelta in base alla risoluzione della macchina

• modello stl da stampare è perfettamente chiuso quando:

• la mesh trangolare è senza buchi o spazi vuoti

• la mesh triangolare è priva di vertici o punti triangolari disgiunti (ciascun triangolo deve essere collegato ad altri triangoli adiacenti)

• verifica e correzione dei file STL mediante opportuno software per assicurare che l’insieme dei triangoli rappresenti le superfici del solido reale

Modello digitale del processo

• consiste nella rappresentazione virtuale del lavoro di stampa

• comprende la definizione:

• di quali e quanti oggetti realizzare

• della loro posizione e del loro orientamento all’interno del volume di lavoro della stampante

• in questa fase si procede anche:

• alla modellazione delle parti necessarie alla costruzione degli oggetti ma che non ne faranno parte (strutture di supporto)

• definizione dei parametri di processo necessari per il funzionamento della macchina

• definizione del grado di riempimento (infill) dell’oggetto

• modello utilizzato per generare il programma delle istruzioni (file G-code) fornito in input all’unità di controllo della macchina per permettere il funzionamento dell’unità di stampa

• attività svolte suddivise fondamentalmente in:

• nesting

• slicing

• compilazione del programma delle istruzioni

Disposizione dell’oggetto nel volume di lavoro

• disposizione del modello dell’oggetto all’interno del modello digitale del volume di stampa definizione della porzione di volume utilizzata ai fini della stampa

• posizione e orientamento dell’oggetto entro il volume di lavoro

• definiti mediante rotazioni e traslazioni del sistema di riferimento del modello dell’oggetto rispetto quello della macchina

• dipendenti dalla tecnologia usata

• fondamentali nel determinare:

• proprietà fisiche e geometriche dell’oggetto

• tempi e quantità di materiale necessari alla sua realizzazione

Nesting

• problema più complesso nel caso in cui nel volume di lavoro si posizionino più oggetti (identici o differenti) da fabbricare contemporaneamente

• numero di oggetti realizzabili con un unico lavoro di stampa legato alla scelta della posizione dell’orientamento del modello digitale di ciascun oggetto nel volume

• posizionamento e orientamento dei modelli (nesting = annidamento) fondamentale per:

• garantire la produttività e l’economicità del processo

• il raggiungimento dei requisiti qualitativi del prodotti

Slicing

• consiste nella generazione degli strati affettando il modello digitale del prodotto con piani perpendicolari alla direzione z

• la discetizzazione in strati causa l’effetto a gradini sulle superfici

• effetto a gradini espresso dalla massima distanza tra il modello STL e la geometria stratificata (altezza cuspide):

hC = massima distanza tra il modello STL e il modello stratificato

hL = altezza dello strato (layer)

n = vettore normale

• superficie orizzontale realizzata all’interno dello stesso strato effetto a gradini non presente (equazione non valida per )

• valore di effetto a gradini non presente nel caso di pareti verticali (n ⟘ z) in quanto ciascuno strato è allineato al precedente

• valore di hc crescente al diminuire di effetto a gradini più accentuato man mano che l’orientamento si avvicina a quello del piano x-y

• spessore dello strato parametro fondamentale della rappresentazione digitale del processo

• valori di spessore adottabili, dipendenti dalla tecnologia utilizzata, influenzanti:

• l’accuratezza dimensionale

• le proprietà fisiche del prodotto

• i tempi di fabbricazione

• attenuazione dell’effetto al diminuire dello spessore degli strati

• possibilità di effettuare lo slicing adattivo dividendo l’oggetto in strati con spessore variabile in base al valore dell’angolo :

• strati più sottili nelle zone con maggiore (hc piccolo) per migliorare la definizione dell’oggetto stampato

• strati più spessi nelle zone con minore (hc grande) per ridurre i tempi di stampa

Compilazione del programma

• ulteriori parametri contenuti nel modello digitale del processo:

• caratteristiche del materiale

• velocità delle parti mobili della stampante (ad es. il dispositivo di deposizione)

• temperature da mantenere nelle diverse zone della stampante

• parametri e valori assunti dipendenti dalla tecnologia di stampa e dal materiale

• simulazione del processo di stampa all’interno dell’ambiente virtuale del software con previsione del:

• modello digitale dell’oggetto

• tempo di stampa

• quantità di materiale utilizzato

• modello convertito da un opportuno software nel programma delle istruzioni necessario alla sua attuazione (file G-code)

• operazioni svolte in ambiente virtuale senza la necessità di prossimità tra programmatore e stampante possibilità di pianificare da remoto parecchi processi su stampanti anche distanti tra loro

• programma inviato all’unità di controllo della stampante per l’esecuzione del processo di stampa

Fabbricazione

• esecuzione del programma da parte della stampante per la fabbricazione dell’oggetto

• modalità di realizzazione degli strati dipendente dalla tecnologia di stampa utilizzata

• allo scopo di monitorare eventuali criticità che si possono manifestare durante la stampa, l’operatore può controllare il volume di lavoro in modo:

• diretto = attraverso le finestre presenti nella macchina

• indiretto = da remoto mediante sistemi di acquisizione dell’immagine presenti

Rimozione dell’oggetto

• eseguita al termine della stampa

• può risultare critica e richiedere accorgimenti per garantire:

• la qualità dell’oggetto

• la sicurezza dell’operatore

• può essere richiesto un tempo di attesa tra fine fabbricazione e rimozione dell’oggetto:

• nel caso di tecnologie di stampa basate su fenomeni termici per evitare deformazioni causata dal ritiro del materiale

• nel caso di tecnologie che fanno già uso di gas pericolosi per l’operatore per consentire la loro evacuazione prima di mettere in contatto la zona di costruzione con l’ambiente esterno

• utilizzo di attrezzature specifiche (manuali o automatizzate) per la rimozione dell’oggetto evitando il suo danneggiamento

• alla rimozione dell’oggetto si lega la necessità di recuperare il materiale non trasformato eventualmente presente al termine del processo di stampa

• riguarda i processi nei quali è prevista l’immissione nella zona di lavoro, di una quantità di materiale maggiore rispetto a quella trasformata

• materiale in eccesso raccolto con opportuni sistemi al fine di essere riutilizzato nella realizzazione di altri oggetti

Post processing

• oggetti spesso inadatti all’uso diretto necessità di post processing per ottenere le caratteristiche richieste

• operazioni con differente grado di complessità in base alla tecnologia utilizzata e delle caratteristiche del prodotto

• principali operazioni

• rimozione delle strutture di supporto necessarie alla costruzione dell’oggetto

• pulizia dell’oggetto togliendo il materiale non trasformato

• trattamenti termici, fisici o chimici necessari a conferire le caratteristiche richieste

• riduzione dell’effetto a gradini sulle superfici esterne del prodotto per migliorare la finitura superficiale

Strategie di stratificazione

Strati realizzati mediante:

• trasformazione selettiva di materiale

• deposizione di materiale

Trasformazione selettiva di materiale

• materiale di partenza, nel momento in cui avviene la sua trasformazione, presente nella camera di costruzione processi a letto di materiale (polvere)

• trasformazione della sola porzione di materiale corrispondente alla figura geometrica dello strato

• intera area di lavoro, al completamento dello strato, ricoperta di nuovo materiale

• trasformazione del materiale corrispondente alla figura del nuovo strato

• ripetizione della procedura fino al completamento del lavoro

• oggetto immerso, al termine della stampa, nel materiale di partenza dal quale deve essere estratto necessità di eseguire operazioni di pulizia dell’oggetto

• non permette la realizzazione di parti cave senza aperture per l’impossibilità di far fuoriuscire il materiale non trasformato

Deposizione di materiale

• materiale depositato solo in zone scelte della camera di costruzione la quale è inizialmente occupata da aria o altri gas

• primo strato depositato sulla piattaforma di stampa

• strati successivi depositati sui precedenti

• c’è la possibilità di depositare materiali differenti e di fabbricare oggetti costituiti da materiali diversi

Strutture di supporto

• costruzione di un generico strato (ad eccezione del primo): necessità che il materiale trasformato trovi, nel layer sottostante, altro materiale

• in mancanza di sostegno, caduta del materiale a causa dell’azione della gravità

• problema evitato, se possibile, scegliendo opportunamente l’orientamento dell’oggetto in costruzione rispetto all’asse z

• in caso contrario, necessità di prevedere la costruzione, contemporaneamente all’oggetto, di supporti con funzione di sostegno del materiale

• ottenimento, al termine della stampa, dell’oggetto con la presenza dei supporti

• necessità di prevedere la loro rimozione al termine del processo

• aggiunte nella fase di realizzazione del modello digitale del processo attraverso un software dedicato

• strutture con geometria e dimensioni scelte in funzione della tecnologia di stampa utilizzata

• obiettivi nella progettazione dei supporti:

• garantire il sostegno, durante la fabbricazione, del materiale trasformato

• ridurre la quantità di materiale e i tempi necessari per la loro costruzione

• facilitare la loro rimozione attraverso:

• la riduzione dell’area di contatto tra supporto e parte

• il posizionamento dei supporti in punti raggiungibili dall’operatore

• evitare che il materiale trasformato si deformi sotto il proprio peso

• problema legato:

• alle caratteristiche del materiale

• all’inclinazione delle superfici rispetto all’asse verticale

• ai parametri del processo di stampa

• definizione del valore limite dell’angolo di inclinazione rispetto a z oltre il quale occorre prevedere la presenza di strutture di supporto per sostenere il materiale

 angolo limite, al di sopra del quale la struttura rischia di deformarsi

• anche le strutture a ponte (sostenute alle estremità) e a sbalzo (sostenute ad una sola estremità) sono soggette a deformazioni sotto il peso del materiale trasformato

• entità delle deformazioni crescente all’aumentare della luce o della sbalzo (w) e al diminuire delle dimensioni della sezione trasversale

Costruzione dello strato

Possibilità di utilizzare tre strategie alternative:

• puntuale

• lineare

• planare

Strategia puntuale

• permette la trasformazione, in ogni istante, di una porzione molto piccola di materiale dello strato

• dispositivo di trasformazione (idealmente) puntiforme in movimento lungo il percorso che alla realizzazione dello strato

• dispositivo attivo o meno, in ciascuna posizione, a seconda che sia necessario o meno trasformare il materiale

• larghezza della traccia (larghezza della banda del dispositivo di stampa sul piano orizzontale, influisce sulla risoluzione orizzontale) sul piano di stampa determinata dall’area interessata alla trasformazione del materiale indotta dal dispositivo definizione della risoluzione di stampa sul piano x-y

• canale di trasformazione = zona in cui si trova il dispositivo di trasformazione

• necessità che il dispositivo raggiunga, nella realizzazione del singolo strato, tutti i punti della figura geometrica definita attraverso lo slicing

• operazione eseguita usualmente in due step:

• percorso di contorno = consente di trasformare il materiale ubicato nella zona perimetrica della figura

• percorso di riempimento = permette di trasformare il materiale interno

• tempo di costruzione dello strato dipendente:

• dall’area della figura geometrica

• dalla velocità del dispositivo di trasformazione

• dalla porzione di materiale trasformato al suo passaggio

• diminuzione del tempo al crescere:

• della velocità del dispositivo

• della porzione di materiale trasformato al passaggio del dispositivo

• possibilità di ridurre ulteriormente il tempo di stampa, se i requisiti dell’applicazione a cui è destinato l’oggetto lo consentono, con un riempimento non completo della porzione interna della figura (infill)

• possibilità di utilizzare più dispositivi per eseguire la trasformazione simultaneamente in diverse zone dello strato

Strategia lineare

• consiste nell’utilizzare più dispositivi di trasformazione puntiformi allineati lungo una specifica direzione (y) a coprire l’intera dimensione

• strato realizzato grazie al movimento (simultaneo e con uguale velocità v) dei dispositivi in direzione perpendicolare a quella di allineamento

• ciascun dispositivo sarà attivo o inattivo in base alla posizione in cui si trova

• presenta evidenti analogie con la stampa 2D a getto d’inchiostro

• ogni dispositivo si trova alla stessa distanza l’uno dall’altro, non tutti i dispositivi devono essere per forza attivi

• risoluzione lungo la direzione di allineamento dei dispositivi (y) dipendente:

• dalla larghezza della traccia trasformata dal singolo dispositivo

• dalla distanza tra due dispositivi adiacenti

• risoluzione lungo la direzione x dipendente dalla velocità di avanzamento dei dispositivi (minore è la velocità e maggiore è la risoluzione)

• tempo necessario alla costruzione del singolo strato dipendente dalla velocità di avanzamento dei dispositivi

Strategia planare

• intera superficie di base del volume di lavoro suddivisa in tante zone in ciascuna delle quali opera un dispositivo di trasformazione del materiale

• consente la trasformazione contemporanea dell’intero strato mediante attivazione dei soli dispositivi corrispondenti alle zone piene della figura geometrica rappresentate lo strato

• risoluzione (più è piccola l’area del fascio laser maggiore è la risoluzione) nelle direzioni x e y dipendente dalle dimensioni dei dispositivi

• tempo di costruzione dello strato non influenzato dalla geometria consistente riduzione del suo valore

Riempimento

• si riferisce alla struttura interna dell’oggetto

• definito attraverso il grado o percentuale di riempimento (infill density):

 

• parte realizzata:

• stampando la superficie esterna che sarà costituita da un guscio di spessore prestabilito

• riempiendo la parte interna in base al valore di ID scelto

• possibilità di scegliere anche il motivo geometrico del riempimento dal momento che questi ha un impatto sulla resistenza meccanica dell’oggetto

• ci sono dei reticoli (motivi geometrici) che permettono di avere una buona resistenza senza dover riempire tutta la parte

• grado di riempimento e motivo scelti in base:

• al peso totale dell’oggetto da realizzare

• al materiale utilizzato nella stampa

• alla resistenza meccanica da ottenere

• al tempo di stampa

• usualmente, al crescere del valore di ID:

• aumentano le caratteristiche di resistenza meccanica dell’oggetto

• aumenta il peso dell’oggetto

• cresce il tempo di stampa

Linee guida per la scelta del grado di riempimento:

• ID = 0-20% per parti non funzionali o che non devono resistere a forze esterne

• ID = 20-40% per parti soggette a forze non eccessive (un grado di riempimento medio fornisce una resistenza simile a quella di una parte solida ma con costi ridotti)

• ID = 40-100% per parti che devono resistere a forze elevate, un grado di riempimento > 60% porterà ad una crescita significativa del tempo di stampa e della quantità di materiale utilizzata

Vantaggi della stampa 3D

• assenza di vincoli nella progettazione dell’oggetto

• possibilità di raggiungere livelli di complessità geometrica non ottenibili con altre tecniche di fabbricazione

• riduzione del peso della parte grazie alla possibilità di mettere materiale solo dove necessario (ottimizzazione topologica)

• riduzione del numero dei componenti di un prodotto

• rapida realizzazione di modelli fisici e di prototipi

• fabbricazione contemporanea di prototipi diversi dello stesso prodotto

• riduzione di tempi e costi nel passaggio dal disegno al prototipo

• riduzione del time to market

• fabbricazione in tempi brevi di parti e prodotti a uso diretto

• produzione economica di singole unità e di serie di poco numerose di prodotti

• tempo di costruzione indipendente dalla complessità geometrica

• fabbricazione di varianti di prodotto senza aumento dei costi a meno che non sia necessaria una maggiore quantità di materiale

• riduzione dei set up nel cambio prodotto

• assenza di costi per la realizzazione di stampi, utensili e attrezzature

• drastica riduzione degli sfridi di lavorazione

• macchina di stampa con consumi energetici contenuti

• produzione distribuita e “just-in-time” di parti di ricambio

Svantaggi della stampa 3D

• materiali disponibili limitati e con prezzo elevato

• limitazioni sulle dimensioni del volume di lavoro

• tempi di produzione lunghi (adatta per piccole quantità)

• superfici con scarsa finitura superficiale (trattamenti finali, aumento di costi e tempi)

• difficoltà nel cambio del materiale, soprattutto se si lavora con polveri metalliche:

• necessità di accurate operazioni di pulizia della macchina per evitare il problema della contaminazione con rischi di incendi o esplosioni

• tempi di fermo macchina a volte molto lunghi e con rallentamento della produzione

• disponibilità di macchine di stampa caratterizzate da alta qualità ed elevata produttività a costi molto elevati

Aspetti economici della stampa 3D

Fabbricazione con tecnologie tradizionali

• costo unitario delle parti decrescente all’aumentare del volume di produzione per la possibilità di spalmare i costi per utensili e attrezzature su una quantità maggiore di parti

• aumento del costo unitario con la complessità geoemetrica a causa della maggiore quantità di sfridi prodotti e del personale più qualificato ed esperto necessario

• forme troppo complesse non realizzabili

Fabbricazione additiva

• costo unitario delle parti pressochè indipendente dal volume di produzione

• costo unitario indipendente dalla complessità geometrica

• possibilità di realizzare qualsiasi tipo di geometria interna o esterna

Punto di pareggio = la quantità di prodotto permette di produrre allo stesso costo delle tecnologie tradizionali

Catena logistica tradizionale

• elevati costi logistici e di stoccaggio delle parti di ricambio

• sovrapproduzione per soddisfare la futura richiesta

• numero elevato di parti di ricambio

• domanda fortemente sporadica delle parti di ricambio

• parti di ricambio soggette a obsolescenza

• elevati costi e sprechi di materiale

• elevato impatto ambientale

• magazzini centralizzati catena logistica lunga elevati tempi di attesa per parti di ricambio e prolungati fermi macchina in attesa dei ricambi

Produzione distribuita di parti di ricambio grazie alla stampa 3D

• creazione di un inventario digitale, contenente i modelli di tutte le parti di ricambio

• realizzazione delle parti di ricambio solo quando necessario (produzione on demand)

• fabbricazione additiva dei componenti dove il ricambio è necessario (produzione on site)

• manifattura distribuita centri produttivi dislocati sul territorio

• maggiore flessibilità

• economicità e rapidità del servizio

• ridotto impatto ambientale

Principali tecnologie di stampa 3D

• suddivise in tre macro aree in base alle caratteristiche di consistenza del materiale da trasformare

• materiale disponibile sottoforma di: polvere, solido, liquido

• impiego di una specifica tecnologia legato:

• al tipo di materiale

• alle caratteristiche meccaniche dell’oggetto

• alla finitura superficiale e alle tolleranze dell’oggetto

• alla velocità di produzione

• all’investimento per l’acquisto della macchina

• al costo della parte

• esse sono:

• fotopolimerizzazione in vasca

• estrusione di materiale

• deposizione di metallo legato

• a getto di materiale

• a getto di legante

• su letto di polvere

• con deposizione diretta di energia

• con fusione a fascio di elettroni

• a getto di aerosol

Fotopolimerizzazione in vasca - Vat photopolymerization

• oggetto realizzato utilizzando una resina termoindurente fotosensibile liquida contenuta in una vasca

• singolo strato ottenuto grazie alla polimerizzazione della resina attivata da una sorgente luminosa

• presenza nella vasca di una piattaforma orizzontale che supporta la parte in costruzione e che, dopo il consolidamento del singolo strato, in base alla particolare architettura, si abbassa o si solleva per l’ottenimento dello strato successivo fino al completamento dell’oggetto

• la resina può essere colpita dal basso (button up) o dall’alto (button down), la vasca è trasparente

• oggetti caratterizzati usualmente da elevata risoluzione e finitura superficiale per la possibilità di ottenere strati molto sottili

• principali tecniche disponibili:

• stereolitografia (SLA), è puntiforme

• digital light processing (DLP), non è puntiforme

Stereolitografia

• fotopolimerizzazione attivata da un fascio laser mediante una strategia di stratificazione puntuale

• realizzata attraverso due architetture alternative:

• top-down = fotopolimerizzazione puntuale dall’alto verso il basso

• bottom-up = fotopolimerizzazione puntuale dal basso verso l’alto

Architettura top-down

• resina colpita dal laser sulla superficie libera della vasca

• fotopolimerizzazione puntuale della resina al passaggio del fascio che segue la traiettoria programmata nel piano x-y. Il laser è fisso è viene direzionato con un sistema di trasporto del fascio laser

• spegnimento del laser dopo consolidamento dello strato i-esimo

• abbassamento della piattaforma, alla quale lo strato è solidale, lungo z di una entità pari allo spessore dello strato (i+1)-esimo

• superficie superiore dell’oggetto in costruzione ricoperta da uno strato di resina liquida pari all’altezza dello strato (i+1)-esimo

• riaccensione del laser e polimerizzazione dello strato (i+1)-esimo

• ripetizione fino al completamento dell’oggetto

• il sistema di trasporto del fascio laser ha 2 gradi di libertà, mentre la piattaforma ne ha 1

 

 

 

Architettura bottom-up

• vasca dotata di schermo trasparente (in materiale a ridotta adesione) nella parte inferiore che permette il passaggio della radiazione luminosa

• fascio laser depositato al di sotto della vasca

• strato i-esimo ottenuto dalla polimerizzazione della resina a contatto con lo schermo (che è ricoperto da un materiale a ridotta adesione)

• spegnimento del laser dopo consolidamento dello strato

• movimento della piattaforma, alla quale il pezzo è solidale, verso l’alto di una quantità pari allo spessore dello strato (i+1)-esimo presenza di resina liquida al di sotto dell’oggetto

• riaccensione del laser e costruzione dello strato (i+1)-esimo

• ripetizione fino al completamento dell’oggetto

 

 

Digital light processing

• proiezione dell’intera figura dello strato sulla resina liquida utilizzando una luce UV

• fotopolimerizzazione simultanea di tutto lo strato consolidamento nello stesso istante in ogni punto dello strato (strategia di costruzione dello strato planare)

• può essere realizzata utilizzando sia l’architettura top-down che quella bottom-up per le quali si applicano le stesse considerazioni fatte a proposito della tecnica SLA

• luce UV, generata da una lampada, raddrizzata mediante lente fascio di radiazioni luminose parallele tra loro

• il fascio colpisce il Digital Micromirror Device (DMD) che ha la funzione di selezionare le porzioni delle radiazioni riflesse sulla resina per creare la figura geometrica corrispondente allo strato

• DMD composto da miglia di microspecchi, ciascuno corrisponde a un pixel dell’immagine proiettata

• ciascun microspecchio, orientato tramite segnale elettrico, può ruotare dallo stato:

• on = nel quale la luce della sorgente viene riflessa (pixel completamente luminoso)

• off = nel quale non viene riflessa la luce (pixel completamente scuro)

• movimento del piatto di stampa verso il basso al consolidamento dello strato per permettere la costruzione del successivo

• ripetizione del procedimento fino all’ottenimento dell’oggetto

• criticità = ulteriore discretizzazione nel processo dal momento che nel piano x-y non sarà possibile riprodurre dettagli di dimensioni inferiori a quella della luce riflessa da un singolo microspecchio (più gli specchi sono piccoli, maggiore è la risoluzione)

• velocità di stampa superiore rispetto a quella della SLA ma finiture superficiali peggiori

Criteri progettuali

• necessità che l’oggetto in costruzione sia solidale alla piattaforma modello digitale del processo creato prevedendo il fissaggio dell’oggetto sul piano x-y

• possibilità di fare ricorso a una base con la funzione di:

• migliorare l’adesione dell’oggetto alla piattaforma

• facilitare il distacco dell’oggetto al termine della stampa

• necessità di predisporre strutture di supporto per il sostegno dell’oggetto durante la sua fabbricazione

• nel supporto, la punta ha un’area piccola per permettere il distacco del supporto

• impossibilità di realizzare strutture cave senza aperture in quanto la resina rimarrebbe intrappolata al suo interno

• problema superato prevedendo fori di drenaggio con diametro dipendente dalla viscosità della resina

• spessore minimo delle pareti verticali (t) e snellezza di elementi cilindrici verticali (h/d) limitati dalle tensioni interne che si sviluppano durante il processo e che possono provocare deformazione eccessive

• se la snellezza è eccessiva si rischia di non avere una struttura cilindrica

• per diminuire la viscosità della resina la si può riscaldare

• necessità di evitare l’effetto ventosa, che può essere presente con l’architettura bottom-up

• si verifica quando si stampa una forma convessa rispetto alla piattaforma depressione della cavità distacco dell’oggetto dalla piattaforma al termine della stampa difficoltoso deformazione o rottura delle pareti della zona cava

• possibili soluzioni:

• modificare l’orientamento del modello digitale dell’oggetto nel volume di stampa

• prevedere fori di drenaggio

Estrusione di materiale (material extrusion)

• realizzazione degli strati basata sulla deposizione, mediante processo di estrusione, di materiale allo stato viscoso

• strategia di stratificazione e di costruzione dello strato mediante deposizione puntuale di materiale

• tra i processi che sfruttano tale principio spicca il Fused Deposition Modelling (FDM) basto sull’utilizzo di resine termoplastiche:

• portate a fusione per la deposizione

• lasciate raffreddare per il consolidamento dello strato

• soluzione più diffusa basata sull’utilizzo di un filamento tecnologia nota come fabbricazione a filamento fuso (Fused Filament Fabrication, FFF)

Fabbricazione a filamento fuso

• tecnologia molto utilizzata per semplicità di utilizzo e bassi costi delle apparecchiature

• acronimo FFF usato spesso in sostituzione di FDM

• possibilità di realizzare il processo mediante macchine di stampa con differente architettura: con piattaforma mobile lungo l’asse z, a portale, a braccio robotico

• utilizzo di un filamento continuo in resina termoplastica alimentato da bobina

• trascinamento del filamento mediante rulli nella testa di estrusione, riscaldata da una resistenza che permette al filamento stesso di raggiungere una T maggiore della TF della resina

• fuoriuscita della resina sotto la spinta esercitata dal filamento (estrusione), dall’ugello con

• deposizione della resina estrusa sulla piattaforma o su uno strato

• problemi nell’estrusione: usura dell’ugello a causa della viscosità del fuso

• processo di deposizione puntuale necessità di moto relativa tra testa di estrusione e piattaforma di stampa nel piano x-y

• possibilità di realizzare tale moto adottando diverse soluzioni costruttive

• fuoriuscita materiale a estrusore inattivo evitata ritraendo il filamento con rotazione rulli in vero opposto a quello di svolgimento

• possibilità di riscaldare la piattaforma di stampa per attenuare le tensioni di ritiro dovute al tra materiale estruso e piattaforma

• caratteristiche del filamento:

• non deve essere in materiale elastico perchè, sotto l’azione dei rulli, subirebbe solo deformazione elastica mancanza del trascinamento e della spinta necessaria per l’estrusione

• deve essere sufficientemente duttile in quanto non deve rompersi per la pressione esercitata dai rulli

• definizione di un campo ben delimitato di materiali e diametri del filamento

Architettura con piattaforma mobile lungo Z

• movimenti sul piano di stampa (lungo gli assi x e y) posseduti dalla testa di estrusione

• movimento lungo z posseduto dalla piattaforma che si abbassa, al completamento dello strato, di una quantità pari a hL per permettere la realizzazione del successivo

• configurazione molto diffusa nella fabbricazione di oggetti di dimensioni medio-piccole

Architettura a portale

• adatta ad oggetti molto pesanti, perchè non fanno muovere la piattaforma

• movimenti lungo gli assi x e z conferiti alla testa di estrusione

• movimenti lungo y posseduto dalla piattaforma

• poichè la piattaforma non trasla lungo z si evita la perdita di accuratezza causata dal peso dell’oggetto stesso

• adatta ad oggetti di grandi dimensioni

Architettura con braccio robotico

• utilizzo di un robot antropomorfo con 6 gdl (3 per il braccio e 3 per il polso)

• dispositivo di estremità costituito dalla testa di estrusione

• possibilità di fabbricare oggetti di grandi dimensioni scegliendo un robot con volume di lavoro di dimensioni adeguate

• con il robot di possono realizzare strati non paralleli tra loro

Strutture di supporto

• necessità di prevedere strutture per supportare il materiale trasformato

• costruzione delle strutture facilitata mediante soluzioni in grado di far aumentare rapidamente la rigidezza del materiale estruso attraverso:

• la velocizzazione del raffreddamento usando delle ventole

• riducendo la temperature di estrusione

• possibilità di realizzare il supporto con un materiale diverso da quello dell’oggetto presenza di un doppio estrusore

• materiali di supporto disponibili:

• asportabili = rimossi manualmente

• solubili = rimossi per immersione in una soluzione di acqua calda e agente detergente

• tipo di materiale di supporto diverso in base a quello utilizzato nella costruzione dell’oggetto

Progettazione del processo

• miglioramento adesione tra strati ottenuta con altezza dello strato maggiore del diametro dell’ugello (hL > dU):

• materiale estruso premuto sullo strato precedente

• larghezza traccia maggiore del diametro ugello (LT > dU)

• LT mantenuta costante regolando opportunamente il rapporto tra velocità del filamento e velocità di avanzamento dell’estrusore

•  altrimenti la pressione esercitata dal filamento determina un aumento del diametro che farebbe diminuire la densità ed aumentare la porosità del materiale

Parametri di processo

• ipotesi: non deve esserci scivolamento tra le superfici dei rulli e il filamento

• portata di materiale (mm3/s) in ingresso nell’estrusore:

•  velocità del filamento (velocità tangenziale, mm/s)

•  diametro (mm) e area (mm2) del filamento

• velocità del filamento definita attraverso la relazione:

 e n: velocità angolare (rad/s) e velocità di rotazione (giri/min) dei rulli di trascinamento

df = diametro dei rulli (mm)

• sostituendo vf nell’espressione della porta si ottiene:

• portata di materiale in uscita dall’ugello:

• va = velocità di avanzamento della testa (mm/s)

• hT e LT = spessore dello strato e larghezza del materiale depositato (mm)

• per la conservazione della portata volumetrica si ha:

• dall’equazione precedente si può ricavare la velocità di rotazione del rullo di trascinamento:

 

• necessità di evitare il distacco dei primi strati depositati dalla piattaforma

• soluzioni adottate:

• riscaldamento della piattaforma riduzione delle tensioni interne riduzione dell’effetto warping

• realizzazione di geometria ausiliarie (raft e brim) miglioramento dell’adesione tra la superficie dell’oggetto e la piattaforma attraverso l’aumento della superficie di contatto

Warping

• warping = deformazioni causate dalle tensioni residue che modificano la forma dell’oggetto

• tensioni residue = sono tensioni che si hanno dopo la contrazione volumetrica, anche senza applicare forze esterne al materiale

• raffreddamento materiale I strato, dopo deposizione, per il calore ceduto alla piattaforma

• II strato depositato su materiale consolidato già parzialmente raffreddato

• presenza di un tra I e II strato contrazione volumetrica del II strato maggiore di quella del I

• materiale continuo per l’adesione tra gli strati sviluppo di tensioni di ritiro di compressione lungo x e z incurvamento degli strati accentuato nelle zone di contorno

• progressiva diminuzione di al crescere del numero di strati riduzione delle tensioni di ritiro incurvamento meno accentuato

• problema ridotto utilizzando una piattaforma riscaldata riduzione della contrazione dei primi strati

• stampa di materiali alto-prestazionali effettuata con camera di costruzione riscaldata:

• raffreddamento parziale durante la stampa

• raffreddamento concluso al di fuori del volume di lavoro

• consistente riduzione delle disuniformità dovute al raffreddamento non uniforme

Raft e brim

Raft e brim = sono soluzioni per ovviare al warping, aumentando la superficie di appoggio

Raft

• base d’appoggio

• composta da una serie di strati dello stesso materiale dell’oggetto

• su di essa viene stampato l’oggetto

• rimozione facilitata realizzando lo strato a contatto con l’oggetto con ID basso

Brim

• estensione del primo strato dell’oggetto al di fuori del perimetro della figura geometrica del layer

• aumento della superficie d’appoggio rispetto a quella dell’oggetto

Deposizione di metallo legato (Metal bound deposition)

• simile alla tecnologie FDM ma basata sull’utilizzo di barre composte da polveri metalliche e legante (resina termoplastica)

• barra fatta passare all’interno dell’estrusione che, grazie al calore fornito da una resistenza, porta a fusione il legante

• strato ottenuto depositando il materiale allo stato pastoso sulla piattaforma o su uno strato già realizzato

• processo ripetuto strato per strato fino all’ottenimento dell’oggetto grezzo (parte verde)

• parte verde immersa in bagno di solvente per l’eliminazione del legante (debinding) ottenimento della parte marrone

• sinterizzazione in forno sottovuoto della parte marrone ottenimento della parte consolidata

• utilizzo di polveri metalliche ad elevata granulometria per favorire l’infiltrazione del legante durante la stampa

• forte contrazione volumetrica durante la sinterizzazione

• sviluppo di tensioni di ritiro che, in base alla geometria dell’oggetto, possono portare a distorsioni localizzate e alla nascita di tensioni residue

• problema ridotto utilizzando polveri con diversa granulometria:

• polveri più grossolane per favorire la penetrazione del legante

• polveri più fini per favorire l’aumento della densità e quindi la diminuzione del ritiro

• materiale di costruzione utilizzato anche per la realizzazione delle strutture di supporto

• presenza di un ulteriore estrusore che crea la zona di transizione depositando, all’interfaccia tra oggetto e supporto, materiale ceramico

• polverizzazione del materiale ceramico durante la sinterizzazione facilitazione della separazione tra oggetto e supporto

Fasi deposizione di metallo legato

1. stampa = presenza della base di appoggio (raft), dei supporti e del materiale ceramico che funge da interfaccia con il resto del pezzo

2. debinding = pezzo completamente immerso nel solvente che penetra all’interno delle porosità

3. sinterizzazione = consolidamento con formazione di legame chimico

4. rimozione dei supporti = facilitata dalla polverizzazione degli strati di materiale ceramico

Fusione su letto di polvere - Powder bed fusion

• tecnologia di stampa basata sulla trasformazione selettiva mediante un dispositivo di trasformazione puntiforme

• strategia di costruzione dello di tipo puntuale

• processi distinti in base alla sorgente di energia utilizzata e al tipo di materiale costituente le polveri

• sorgenti utilizzate:

• fascio di laser (laser powder bed fusion o laser sintering)

• fascio di elettroni (electron beam melting)

• polveri utilizzate in materiali:

• polimerici (selective laser sintering)

• metallici (selective laser melting e elecrtion beam melting)

Selective laser melting (SLM)

• tecnologie su letto di polvere metallica portata a fusione da un fascio laser

• macchine di stampa con differenti architetture

• architettura ampiamente utilizzata costituita da una piattaforma mobile lungo z che definisce il volume entro il quale è contenuta la polvere (vasca di costruzione)

• camera di stampa riempita con un gas inerte e quindi riscaldata alla T di stampa (Tb)

• strato di polvere, con spessore definito dal software di slicing, disposto dal recoater sulla piattaforma

• reacoter = tramoggia + rullo livellatore, sistema per mettere un nuovo strato di polvere

• fascio laser trasportato dalla sorgente della superficie esposta della vasca

• la risoluzione spaziale lungo l’asse z dipende dall’entità dello spostamento della piattaforma

• la risoluzione spaziale lungo l’asse x-y dipende dal diametro dello spot del laser

• strato i-esimo ottenuto muovendo il fascio lungo uno specifico percorso sul piano x-y (definito dal software di slicing) fusione selettiva delle polveri ottenimento della figura geometrica con spessore pari all’altezza dello strato

• disattivazione del laser e abbassamento piattaforma lungo z di una quantità pari allo spessore dello strato (i+1)-esimo

• posizionamento della piattaforma di un ulteriore strato di polvere mediante il movimento del recoater lungo x

• riattivazione laser e costruzione strato (i+1)-esimo

• ripetizione della procedura fino all’ottenimento dell’oggetto

• temperatura nella camera di costruzione molto più bassa rispetto alla Tf della polvere presente veloce raffreddamento conseguente alla ridotta T delle polveri non trasformate:

• microstruttura a grani fini grazie all’elevato sottoraffreddamento

• facilitazione della rimozione degli oggetti dal letto di polvere al termine della stampa poichè si evita la sinterizzazione che si manifesta mantenendo le polveri a T elevate per lunghi tempi

• sviluppo di elevate tensioni di ritiro si formano delle tensioni residue che danno problemi di resistenza e problemi in successive lavorazioni sottrattive

• difficoltà costruttive nel raggiungere Tb prossime a quelle di solidificazione di molte leghe

• Tb = temperatura bed, molto più bassa di Tf (elevato ). Più Tb è bassa più è meglio perchè:

• non si sinterizzano le polveri non necessarie

• si formano grani più fini

Parametri di processo

• oltre Tb ci sono altri parametri di processo

• densità di energia EA [J/m2] definita come l’energia per unità di superficie fornita del laser sullo strato: 

• P = potenza del laser

• vs = velocità di scansione del laser

• dp = distanza tra due passate parallele del laser

• densità di energia EAT definita come l’energia per unità di superficie fornita lungo lo spessore dello strato: 

• ds = diametro dello spot del laser

Strutture di supporto

• utilizzate per contrastare l’azione delle tensioni interne e non quella della gravità

• nascita, a causa dell’elevata velocità di raffreddamento, di un momento flettente che tende a incurvare lo strato piano  warping sollevamento del materiale al di sopra dello strato

• fenomeno contrastato:

• ancorando il primo strato alla piattaforma di stampa

• ricorrendo alla costruzione di supporti che ancorano alla piattaforma le zone a sbalzo dell’oggetto in costruzione

• contribuiscono anche, grazie all’elevata conducibilità termica del materiale con il quale sono costruite, a ridurre i gradienti termici all’interno dell’oggetto in fabbricazione diminuzione delle tensioni di ritiro

• rimozione dei supporti realizzata mediante lavorazioni per asportazione di truciolo e attraverso altri processi di taglio

• principali aspetti da considerare in sede di progettazione dei supporti:

• capacità di resistere alla tensioni di ritiro

• efficacia nello smaltire il calore verso la piattaforma

• facilità di rimozione al termine della stampa

Estrazione degli oggetti stampati

• raffreddamento della camera di costruzione fino a Tamb prima dell’estrazione degli oggetti

• rimozione della polvere non fusa mediante sistema di aspirazione che filtra la polvere selezionando i granuli di dimensione idonea per il riutilizzo

• operazioni di pulizia e caricamento della macchina critiche per la sicurezza in quanto la ridotta granulometria delle polvere provoca l’aumento della volatilità dei rischi legati all’inalazione

• necessità di:

• proteggere gli operatore mediante adeguati dispositivi di protezione individuale

• aspirare, filtrare e smaltire le polveri presenti nell’area della macchina per evitare la contaminazione dell’ambiente esterno

Post processing

• necessità di separare, al termine della stampa, oggetti e supporti dalla piattaforma (anch’essa in metallo) alla quale sono saldati esecuzione dei processi di taglio

• possibilità che gli oggetti siano soggetti a tensioni residue a causa delle deformazioni plastiche indotte dalle tensioni di ritiro deformazione degli oggetti durante i processi di taglio

• problema evitato sottoponendo piattaforma e oggetti, prima del taglio, a un trattamento termico di ricottura di distensione per l’eliminazione delle tensioni residue

• piattaforma sottoposta, prima di essere riutilizzata, a rettifica per ripristinare una superficie piana e con finitura desiderata sulla quale costruire nuovi oggetti

• supporti rimossi senza danneggiare gli oggetti medianti lavorazioni per asportazione di truciolo

• oggetti sottoposti a trattamenti termici, chimici o meccanici per migliorare le proprietà fisiche o meccaniche

• hot isostatic pressing (HIP):

• utilizzato per migliorare le proprietà meccaniche degli oggetti stampati

• consiste nel porre l’oggetto in una camera nella quale viene fatto entrare gas in pressione scaldato ad una opportuna temperatura

• azione uniforme della pressione su tutte le superfici

• produce una significativa riduzione delle porosità presenti nella parte aumento della densità

Selective laser sintering (SLS)

• tecnologie su letto di polvere polimerica con sinterizzazione localizzata mediante fascio laser

• la sinterizzazione può avvenire mediante fusione localizzata o rifusione completa in base al materiale utilizzato e ai parametri di processo

• architettura della macchina e strategie di costruzioni simili a quelle della tecnologie SLM

• materiale allo stato parzialmente fuso all’interno della finestra di sottoraffreddamento (intervallo di T tra i picchi delle curve di riscaldamento e di raffreddamento)

• polvere all’interno della camera di costruzione preriscaldata e mantenuta a una T compresa all’intero della finestra di sottoraffreddamento

• permanenza dei materiali polimerici a tali T per intervalli di tempo lunghi senza che avvenga la sinterizzazione

• fusione del materiale al passaggio del fascio laser

• rapido ritorno del materiale all’interno della finestra di sottoraffreddamento per effetto del calore scambiato con la polvere circostante

• materiale mantenuto in tale condizione allo scopo di evitare il ritiro legato alla cristallizzazione

• sviluppo di tensioni di ritiro di entità ridotta deformazioni dell’oggetto in costruzione trascurabili

• riscaldamento interrotto alla fine del processo solo in questa fase termina la solidificazione

• non è necessario ancora l’oggetto in costruzione alla piattaforma di stampa

• non sono necessari supporti per la costruzione di strutture a sbalzo

Vantaggi e svantaggi della SLS

Vantaggi

• elevata produttività

• assenza di materiale di supporto (materiale sinterizzato supportato dalla polvere non sinterizzata)

• ottime precisioni

• facile riutilizzo delle polveri

Svantaggi

• elevato costo della macchina

• necessità di una fase di post-processing per eliminare il materiale eventualmente addensato (grumi) vicino alla parte consolidata

Electron Beam Melting (EBM) - Tecnologia con fusione a fascio di elettroni

• indicata anche Selective Electron Beam Melting (SEBM) è un’alternativa al SLM

• tecnologia più promettente per la realizzazione di strutture porose in titanio

• energia necessaria per la fusione selettiva delle polveri fornita da un fascio di elettroni

• fascio generato dal riscaldamento di un filamento in materiale altofondente (es. Tungsteno) alimentato da corrente ad alta tensione

• movimento degli elettroni verso l’anodo forato

• numero di elettroni (corrente del fascio) in movimento regolato interponendo tra anodo e catodo una coppa di Faraday (che cattura parte degli elettroni)

• attraversamento da parte del fascio di due bobine:

• una di focalizzazione magnetica che ne modifica il diametro mediante la forza di Lorentz dovuta al campo elettromagnetico

• una di deflessione che, grazie alla forza di Lorentz, devia il fascio indirizzandolo nella posizione desiderata nel piano x-y

• trasferimento dell’energia cinetica degli elettroni alla polvere colpita con conseguente fusione (l’energia cinetica si trasforma in calore)

• fascio assorbito se la polvere è in materiale elettricamente conduttivo possibilità di eseguire l’EBM solo su metalli

• abbassamento della piattaforma al termine della costruzione dello strato per permettere la creazione del successivo

• polveri, erogate dalla tramoggia, stese mediante la spatola

• necessità di eseguire il processo in condizioni di vuoto per evitare che gli elettroni, nel loro percorso, colpiscano gli atomi di gas atmosferici con la loro ionizzazione diminuzione della carica del fascio

• polveri colpite dal fascio di elettroni caricate negativamente con conseguente:

• riduzione dell’assorbimento (problema superato usando polveri a elevata conducibilità elettrica)

• nascita di forze di repulsione tra le polveri che, se superano l’azione di gravità e la resistenza d’attrito, provocano il loro allontanamento (problema evitato mediante sinterizzazione che permette una giunzione di piccola entità tra le polveri necessità di riscaldare la camera di stampa)

• riduzione anche dell’energia da fornire per fondere le polveri

• presenza del vuoto:

• impedisce che nella parte fabbricata siano presenti elementi contaminanti

• causa una riduzione di produttività in quanto nel calcolo del tempo di produzione occorre includere le fasi di:

• applicazione del vuoto

• re-immissione di aria nella camera prima dell’estrazione del pezzo finito

 

Stampa a getto di materiale - Material Jetting (MJ)

• sfrutta una testina di stampa alimentata con materiale allo stato liquido, simile a quello usato nelle stampanti inkjet 2D

• disponibilità di tre diverse tecnologie:

• polyjet (PJ)

• NanoParticle Jetting (NPJ)

• Drop On Demand (DOD)

• tutte le tecnologie in grado di depositare un secondo materiale utilizzato per realizzare gli elementi di supporto eventualmente necessari

Polijet

• strati realizzati mediante deposizione di materiale (resine termoindurente fotosensibile allo stato liquido) con strategia di costruzione lineare

• utilizzo di più ugelli allineati lungo una specifica direzione (y) (testina di stampa)

• strato realizzato grazie al movimento degli ugelli in direzione perpendicolare a quella di allineamento

• durante il moto della testina, ciascun dispositivo deporrà o meno in base alla geometria dello strato

• fotopolimerizzazione della resina mediante luce UV

• oggetti:

• di elevato livello estetico

• con proprietà meccaniche medio-alte utilizzando specifici fotopolimeri

• possibilità di depositare un secondo materiale utilizzato per realizzare gli elementi di supporto (solubile in acqua o removibile con getto d’acqua)

• materiale di ciascun voxel (versione 3D del pixel) ottenuto mescolando diversi inchiostri per ottenere localmente diversi colori o diverse rigidezze del materiale

• ottenimento di parti multicolore o multimateriale

Principio di funzionamento

• riscaldamento della resina per ottimizzare la viscosità

• minuscole goccioline di fotopolimero spruzzate dagli ugelli in movimento lungo la direzione x

• consolidamento del materiale per fotopolimerizzazione mediante calore fornito da una lampada UV solidale con la testina di stampa

• al completamento della passata, se la dimensione del pezzo lungo y è maggiore della larghezza della testina:

• traslazione testina lungo y

• esecuzione di un’ulteriore passata lungo x

• ripetizione fino al completamento dello strato

• abbassamento della piattaforma lungo z di una quantità pari allo spessore dello strato e costruzione dello strato successivo

• possibilità di depositare un secondo materiale utilizzato per realizzare gli elementi di supporto (solubile in acqua o rimovibile con getto d’acqua)

• materiale di ciascun voxel (versione 3D del pixel) ottenuto mescolando diversi inchiostri per ottenere localmente diversi colori o diverse rigidezze del materiale

• ottenimento di parti multicolore o multimateriale

   

 

 

 

 

 

 

 

Stampa a getto di legante – Binder jetting

• strati realizzati mediante deposizione di materiale (legante allo stato liquido) su letto omogeneo di polvere con strategia di costruzione lineare

• permette di ridurre i tempi di costruzione dell’oggetto rispetto ai processi su letto di polvere con singolo dispositivo di trasformazione (fascio laser o di elettroni) e non sono necessarie strutture di supporto

• utilizzo di una testina di stampa che consente di depositare specifici materiali liquidi

• risoluzione di stampa definita da:

• spessore dello strato di polvere nella direzione z

• dimensioni delle gocce di legante sul piano x-y

Principio di funzionamento

• strato i-esimo ottenuto muovendo la testina di stampa lungo x con deposizione di minuscole goccioline di legante sulla polvere presente sulla piattaforma di stampa

• deposizione effettuata attivando selettivamente gli ugelli

• unione puntiforme e progressiva dei singoli granelli del letto di polvere grazie al legante

• abbassamento della piattaforma lungo z di una quantità pari allo spessore del nuovo strato

• posizionamento dello strato di polvere e creazione dello strato (i+1)-esimo

• ripetizione della procedura fino al completamento dell’oggetto

 

 

 

 

 

 

 

 

• oggetto allo stato verde dopo la stampa → ridotta resistenza meccanica dipendente dalla forza adesiva esercitata dal legante

• in tale stato la tecnologia BJ è adatta alla costruzione di forme e anime per processi di fonderia (polvere in terra da fonderia e legante in resina)

• vantaggi:

• possibilità di realizzare forma e anime transitorie senza bisogno di modelli e casse d’anima

• densità idonea per favorire l’evacuazione dei gas dalla cavità

• elevata sgretolabilità

• proprietà meccaniche migliorate eseguendo sull’oggetto allo stato verde un trattamento termico suddiviso in due step principali:

• riscaldamento a una T che provoca la vaporizzazione del legante (debinding)

• riscaldamento a una T maggiore della precedente con formazione di legami chimici tra i granelli di polvere (sinterizzazione)

• trattamenti idonei sia per materiali metallici che per materiali ceramici

• anche i materiali plastici trovano ampia applicazione

• polvere non legata intorno al pezzo rimossa per essere riutilizzata

• polvere adesa alla parte rimossa mediante sabbiatura

• pezzi realizzati con questa tecnologia:

• molto porosi e piuttosto fragili

• molto più economici rispetto alle altre tecnologie

• adatti all’utilizzo come modelli estetici a scopo dimostrativo

Deposizione diretta di energia – Direct energy deposition (DED)

• strati realizzati mediante deposizione di materiale con strategia di costruzione puntuale

• utilizzo filo o polvere metallica come materiale da trasformare

• il processo convoglia il materiale da trasformare, tramite uno o più ugelli, direttamente nello stesso punto in cui è focalizzata la sorgente di calore che fa avvenire la fusione → creazione di una traccia di materiale rapidamente solidificato

• zona di fusione coperta da un gas di protezione che evita reazioni con l’ossigeno atmosferico

• singolo strato composto da tracce adiacenti

• ulteriore materiale aggiunto sovrapponendo altri strati a quelli già depositati e solidificati

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• processo comunemente usato per:

• riparare componenti

• aggiungere materiali a componenti esistenti

• rivestire superfici metalliche

• creare nuovi componenti deponendo materiali diversi in sequenza, operazione non consentita dalle tecnologie a letto di polvere

• energia ad alta intensità fornita da sorgenti quali:

• laser

• fascio di elettroni

• arco elettrico (solo per filo metallico)

Deposizione laser di polvere – Laser Powder Deposition (LPD)

• soluzione maggiormente adottata per realizzare la DED

• sfrutta un fascio laser per portare a fusione le polveri metalliche

• polvere inviata dall’ugello mediante gas di trasporto

• fascio focalizzato in modo da fondere, oltre alla polvere, una piccola porzione di substrato

• testa di deposizione posta su un braccio robotico o su una struttura a portale

• macchine di stampa DED con 3 o più gdl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• consente di modificare la composizione del materiale durante la costruzione della parte utilizzando più alimentatori di polveri e un miscelatore per generare un mix omogeneo

• permette di variare gradualmente le proprietà meccaniche o altre caratteristiche della parte

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tecnologia a letto di aerosol – Aerosol Jet Printing (AJP)

• tecnologia basata sulla deposizione di strati sottili di materiale atomizzato che permette di depositare una vasta gamma di materiali su un’ampia varietà di substrati

• aerosol generato da un atomizzatore e trasportato, mediante un canale, alla testa di deposizione dalla quale fuoriesce attraverso un ugello

• utilizzo di un gas (azoto o aria compressa) con funzione di guaina, che spinge il flusso di aerosol verso la parte centrale del canale dell’ugello

• flusso coassiale di aerosol e gas di guaina focalizzato sul substrato

• diametro del flusso di aerosol inferiore rispetto a quello del canale dell’ugello con benefici in termini di:

• aumento della risoluzione di stampa

• assenza di contatto tra gocce di nebbia dell’aerosol e parete evitando l’ostruzione dell’ugello

 

 

 

 

 

 

 

 

• dimensioni del flusso di aerosol variata agendo sulla regolazione della portata:

• del gas di guaina

• dell’aerosol

• flusso di goccioline nebulizzate concentrato in un’area di diametro fino a circa un decimo di quello dell’ugello

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• aerosol depositato su:

• superfici piane

• superfici tridimensionali

• testa di deposizione dotata di due assi di traslazione (z e x)

• piatto di stampa, sul quale viene fissato il substrato, dotato di un’asse di traslazione (y)

• per la deposizione su superfici tridimensionali piatto dotato di due assi che permettono di ruotare il substrato rispetto agli assi x e y (a e b) e z (c)

• materiale stampato trattato termicamente o chimicamente in modo da consolidare, aderire a acquistare le proprietà elettriche e meccaniche necessarie

• operazione eseguita direttamente sulla macchina o in forno

• stampa e substrati in: ceramica, metallo, polimero, composito

• aspetto essenziale rappresentato dalla sinterizzazione o polimerizzazione

• possibilità di eseguire la sinterizzazione del film sottile depositato mediante riscaldamento a luce pulsata

• substrato relativamente freddo per il breve tempo di esposizione alla luce durante il riscaldamento dello strato

• raggiungimento di temperature elevate nel film senza danneggiamento del substrato

• riduzione del tempo

Applicazioni delle tecnologie di stampa 3D nel settore biomedicale

Tecnologia che offre varie opportunità:

• permette di aiutare la personalizzata

• consente di migliorare la comprensione dei casi clinici complessi

• fornisce nuovi strumenti per garantire standard di cura superiore

• consente la costruzione di strumenti per la diagnostica e la chirurgia

• realizzazione di modelli in vitro per lo studio delle malattie e di nuovi farmaci

• rigenerazione dei tessuti e sostituzione funzionale di organi

Principali applicazioni

• fabbricazione di protesi

• formazione chirurgica

• pianificazione di interventi chirurgici

• miglioramento della comunicazione medico-paziente

• realizzazione di dispositivi medici

• settore dentale

• biostampa 3D

Classificazione dei campi di applicazione della stampa 3D nel settore biomedicale

• primo livello = classificazione riferita al materiale utilizzato

• secondo livello = classificazione riferita al campo di applicazione

Applicazioni della stampa 3D nella fabbricazione di protesi su misura

Stampa 3D utilizzata per fabbricare impianti protesici progettati per le specifiche esigenze dei pazienti dagli specialisti di: ortopedia, odontoiatria e chirurgia maxillo-facciale.

Protesi interne

• si fa riferimento alle endoprotesi, usate per:

• sostituire un segmento scheletrico del corpo

• integrare un segmento danneggiato

• protesi formata da una o più parti, in materiali biocompatibili, integrate e ancorate all’osso del paziente

• distinte in base al tipo di sostituzione da effettuare in:

• protesi totale

• protesi parziale

• protesi di revisione

• protesi di risuperficializzazione

• ulteriore differenziazione basata sulla modalità con cui la protesi viene ancorata all’osso

• protesi distinte in:

• cementate = fissate all’osso utilizzando cemento (polimetilmetacrilato, PMMA) deambulazione quasi immediate con riabilitazione più veloce

• non cementate:

• ancoraggio senza uso di cemento

• subiscono modifiche superficiali per accrescere l’osteointegrazione

• deambulazione con supporto di stampelle → riabilitazione più lenta

• adatta a pazienti giovani

• scelta della protesi indirizzata da una fase di studio basata su esami diagnostici

• possibili soluzione adottate influenzate da:

• peso del paziente

• allergie a materiale nella protesi

• stadio della patologia

• età del paziente

• sesso

Fasi per la realizzazione di protesi interne

• acquisizione immagini della parte prima dell’intervento mediante tecniche di imaging diagnostico

• costruzione del modello 3D della parte mediante apposito software

• costruzione del modello digitale della protesi, mediante software di modellazione 3D, sulla base della conformazione anatomica del paziente

• costruzione del modello digitale del processo

• fabbricazione della protesi con tecnologie di stampa scelta (SLB, EBM) utilizzando materiali biocompatibili quali titanio e le sue leghe

Titanio commercialmente puro

• principali classi di titanio commercialmente puro (CP) definite attraverso il grado che varia da 1 a 4

• differenti gradi legati al tenore di elementi interstiziali presenti

• aumento del tenore di ossigeno da 0,18% (grado 1) a 0,4% (grado 4) con:

• incremento di resistenza

• diminuzione dell’allungamento a rottura

• Ti CP caratterizzato da:

• elevata biocompatibilità

• elevata resistenza alla corrosione per la formazione di un sottile strato superficiale di ossido

• Grado 1:

• caratterizzato da una minore resistenza meccanica e maggiore duttilità rispetto agli altri gradi del Ti

• Grado 2:

• possiede proprietà del grado 1 ma con maggiore resistenza meccanica e minore duttilità

• può essere stampato in 3D

• Grado 3: evoluzione del grado 2 con ulteriore incremento di resistenza meccanica

• Grado 4: titanio a più alta resistenza meccanica

Leghe di Titanio

Ti6Al4V

• nota anche come Ti di grado 5

• offre un eccellente compromesso tra resistenza meccanica, duttilità e tenacità

Ti6Al4V ELI

• ELI = Extra Low Interstitial

• versione più pura della lega precedente

• elementi interstiziali ulteriormente controllati e limitati → proprietà meccaniche superiori e maggiore resistenza a fatica

Ti6Al7Nb

• biocompatibilità ulteriormente migliorata rispetto a quella del Ti6Al4V per la presenza del Nb in sostituzione del V

Ti12Mo6Zr2Fe

• biocompatibilità migliorata per l’assenza di Al e V

• eccellenti caratteristiche meccaniche, basso modulo di elasticità e elevata resistenza a corrosione, a fatica e a usura, elevata durabilità

Ti13Nb13Zr

Caratterizzata da basso modulo di elasticità, elevata resistenza meccanica, elevata resistenza

alla corrosione e ottima biocompatibilità

Ti15Mo

Caratterizzata da basso modulo di elasticità, alta resistenza meccanica, eccellente resistenza a

fatica, buona duttilità, eccezionale resistenza a corrosione ed eccezionale biocompatibilità

Protesi d’anca

Artroplastica totale dell’anca: richiede l’introduzione di quattro parti per creare una nuova anca

Protesi costituita dal componente femorale (stelo) e da quello acetabolare (cotile). I componenti sono accoppiati tra loro mediante:

• inserto acetabolare = posto all’interno del cotile

• testa femorale = impiantata sul collo dello stelo

Componenti di una protesi d’anca

• cotile:

• parte a forma di coppia in lega di Ti

• utilizzo del tantalio per favorire la ricrescita ossea e per contrastare la riproduzione batterica

• caratterizzato da adeguata porosità sulla superficie esterna per favorire l’osteointegrazione

• inserto acetabolare:

• componente alloggiato all’interno del cotile

• entra in contatto con la testa femorale

• realizzato in polietilene a peso molecolare ultra elevato cross-linked o in polietilene addizionato con vitamina E (riduzione dell’usura per ossidazione)

• stelo femorale:

• parte inserita e ancorata all’interno del canale femorale

• porta la testa femorale

• caratterizzato da adeguata porosità per favorire l’osteointegrazione

• testa femorale:

• impiantata sul collo dello stelo

• si articola con l’inserto acetabolare

• realizzata solitamente in materiale ceramico

• si può scegliere in base al diametro o alla lunghezza

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Strutture cellulari in titanio

• impianti ortopedici soggetti a condizioni gravose durante il loro utilizzo (carichi variabili ciclicamente, usura)

• osteointegrazione:

• responsabile della fissazione dell’impianto protesico all’osso

• è uno dei fattori critici di successo della protesi

• buona risposta ossea → riduzione del rischio di distacco o di allentamento dell’impianto

• successo della risposta ossea nei processi di osteointegrazione dipende principalmente dalle proprietà superficiali della protesi

• miglioramento della osteointegrazione della protesi con superfici porose in grado di imitare la struttura trabecolare dell’osso spongioso

• ampia letteratura scientifica sulla capacità dell’osso di ricrescere all’interno delle porosità di solidi cellulari

• ruolo fondamentale nella formazione di nuovo tessuto osseo svolto dalla dimensione dei pori e dal grado di porosità

• recenti attività di ricerca hanno evidenziato:

• il miglioramento dell’osteointegrazione a partire da una dimensione dei pori di 300  

• un’osteointegrazione più rapida con pori di diametro pari a 600

• anche la rugosità della superficie influenza la risposta ossea

• porosità e rugosità influenzate anche dalle proprietà meccaniche delle strutture

• necessità di definire la corretta combinazione tra resistenza meccanica, modulo elastico, resistenza a corrosione, biocompatibilità, forma e dimensioni dei pori e rugosità

• complessità superficiale delle protesi danno questi problemi:

• distacco dal substrato dello strato poroso

• fenomeni di corrosione

• distacco dall’osso

• EBM è la tecnologia più promettente per realizzare questo tipo di strutture

Simulatori chirurgici

• fedeltà di un simulatore determinata dal realismo che riesce a riprodurre in termini di aspetto, caratteristiche tattili, capacità di feedback e interazioni con l’operatore

• simulatori suddivisi in base al grado di fedeltà che può essere: alto o basso

• le due categorie variano in modo significativo relativamente al:

• grado di fedeltà rispetto all’anatomia del paziente

• grado di complessità

• costo

Simulatori chirurgici ad alta fedeltà

• principali caratteristiche:

• utilizzano materiali ed equipaggiamenti realistici per rappresentare le operazioni che il chirurgo deve compiere

• forniscono segnali per creare un ambiente più realistico e interattivo

• guidano il chirurgo a eseguire le manovre nella corretta successione per completare con successo la procedura chirurgica

• pur rappresentando un’importante attrattiva per il chirurgo in formazione, possono presentare costi elevati e potrebbero essere non ottimali per l’acquisizione di tecniche più complesse rispetto a quelle di base

• utilizzano materiali ed equipaggiamento meno simili a quelli del setting chirurgico reale

• utilizzati tipicamente per acquisire pratica in singole procedure quali:

• esecuzione di nodi chirurgici

• manipolazione degli strumenti

• miglioramento della coordinazione mano-occhio

• possono essere suddivisi in:

• simulatori da banco

• box trainer

• simulatori da banco:

• così definiti tutti i modelli statici

• disponibilità di un’ampia gamma di simulatori per il training degli studenti e dei medici in formazione

• box trainer:

• simulatori a basso costo che riscuotono crescente interesse

• vantaggi: basso costo, trasportabilità, possibilità di esercitarsi un numero elevato di volte e di acquisire familiarità con gli strumenti chirurgici

• particolarmente utili nell’acquisizione delle abilità psicomotorie relative alla chirurgia laparoscopica

Simulatori chirurgici fabbricati mediante stampa 3D

• vantaggio: capacità di adattamento a ogni esigenza di forma e complessità delle parti riprodotte

• richiesta, nella simulazione di interventi chirurgici, di un grado di fedeltà elevato → le tecniche di stampa 3D utilizzate devono essere in grado di assicurare la riproduzione di organi o tessuti organici con caratteristiche simili a quelli del corpo umano

• opportunità colta grazie alla disponibilità di tecniche di stampa capaci di ricreare tutti i tipi di tessuti

• tecnologie per tessuti duri:

• basate sull’utilizzo di materiali polimerici con caratteristiche meccaniche sufficientemente elevate

• principali tecnologie utilizzate:

• estrusione di materiale

• getto di materiale

• fotopolimerizzazione in vasca

• tecnologie per tessuti molli:

• estrusione con materiali flessibili come TPU, TPC o siliconici

• fotopolimerizzazione in vasca con resine fotosensibili di tipo flessibile caratterizzate da basso valore di durezza

• possibilità di ottenere, per ciascuna categoria di tessuto, parti con consistenza adeguata allo specifico caso agendo:

• sul materiale

• sui parametri di stampa quali:

• il grado di riempimento

• i motivi geometrici di riempimento

• lo spessore delle pareti esterne della parte

• controllo delle caratteristiche di rigidezza e di resistenza meccanica delle parti realizzate →  simulazione della consistenza dell’organo

• materiale:

• caratteristiche, quali durezza, resistenza a flessione, modulo elastico, …, dipendenti dalla tipologia di resina

• grado di riempimento e motivo geometrico:

• contribuiscono a definire la rigidezza della parte

• la sua scelta permette di simulare il comportamento elastico della maggior parte dei tessuti molli

• spessore delle pareti esterne:

• contribuisce a definire la consistenza dello strato esterno della parte

• possibilità di simulare le caratteristiche dei tessuti epidermici e dei tessuti molli esterni di molti organi del corpo umano

• possibilità di riprodurre anche organi soggetti a patologie

• difficoltà:

• fabbricazione organo con caratteristiche della zona affetta da patologia differenti da quelle della zona sana

• ricostruzione del modello digitale 3D dell’organo mediante il software di modellazione grafica partendo dalle immagini ottenute con TC o RNM con mdc

• identificazione delle diverse zone dell’organo

• esportazione, per ciascuna zona, del relativo modello 3D

• creazione del modello digitale del processo:

• associando a ciascun modello 3D esportato i parametri per conseguire le caratteristiche desiderate

• disponendo i modelli digitali nel volume di lavoro della stampante in modo da ricreare l’organo nella sua interezza

• creazione del file G-code e avvio del processo di stampa

• simulatore ottenuto dopo l’operazione di post-processing della parte stampata

• simulatore sottoposto a testing da parte di un chirurgo esperto:

• valutazione della corrispondenza tra le caratteristiche del simulatore e quelle dell’organo reale

• feedback per l’ottimizzazione della fabbricazione dell’organo

• completamento del processo iterativo al raggiungimento della corrispondenza tra le caratteristiche del simulatore e quelle richieste → definizione delle specifiche per la stampa della tipologia di organo

• simulatore pronto per il training dei chirurghi in formazione

• simulatori in grado di riprodurre casi reali e specifici caratterizzati da costi maggiori rispetto a quelli dei simulatori standard prodotti su larga scala

• principali benefici dei simulatori ottenuti mediante stampa 3D:

• miglioramento dell’efficacia del training del personale medico e degli specializzandi

• aumento dell’efficacia dei chirurghi nell’esecuzione degli interventi

• aspetto oggetto di studio: miglioramento dei materiali per ottenere la stessa consistenza dell’organo da riprodurre

Applicazioni della stampa 3D nella pianificazione di interventi chirurgici

• consiste nel pianificare le attività dell’intervento al fine di:

• migliorare l’accuratezza

• ridurre i tempi di esecuzione

• pianificazione eseguita, prima dell’avvento delle tecnologie digitali, tramite raccolta dati e immagini

• la diagnostica per immagini (bidimensionale) potrebbe fornire un quadro non sufficientemente chiaro e completo in casi particolarmente complessi

• evoluzione delle metodologie di pianificazione degli interventi grazie alla disponibilità di tecniche di realtà virtuale in grado di simulare l’intervento stesso (solo su un livello non tattile)

• pianificazione chirurgica in grado di garantire standard d’intervento superiori grazie alla disponibilità della stampa 3D eseguita utilizzando materiali con caratteristiche fisiche simili a quelle di organi e tessuti

• valore aggiunto della stampa 3D rappresentato dalla possibilità di organizzare l’intervento su un modello in scala 1:1 del tessuto/organo da operare

• vantaggi della stampa 3D nella riduzione dei costi

Applicazione della stampa 3D per il miglioramento della comunicazione medico-paziente

• fabbricazione di parti come strumento per favorire la comunicazione tra medico e paziente

• consente al medico di spiegare la patologia e/o l’intervento con maggiore chiarezza

• benefici in termini di miglioramento:

• dell’interazione medico-paziente (riduzione dei contenziosi)

• della partecipazione del paziente nel processo diagnostico-terapeutico

 

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