"La complessità è gratuita" è un detto comune nella produzione additiva (AM). L'idea è che il costo di produzione di una parte AM rimanga pressoché costante all'aumentare della sua complessità geometrica, contrariamente alle metodologie di produzione convenzionali (fusione, forgiatura, fresatura, ecc.) per le quali il costo delle funzionalità aggiunte e integrate tende ad aumentare in modo esponenziale. Il concetto di complessità affidabile ea basso costo suscita molto interesse e può significare cose diverse per diverse discipline quando si parla di AM.
Per gli innovatori, evoca la promessa di libertà - libertà dai vincoli della produzione tradizionale - e l'opportunità di concentrarsi esclusivamente sulle prestazioni delle parti. Parti incredibilmente complesse che potrebbero esistere solo nell'immaginazione degli ingegneri possono ora essere prodotte in pochi giorni invece che in mesi o anni, il che rappresenta un enorme cambiamento di paradigma nei cicli di progettazione e nei tempi di consegna.
Per i produttori di parti legacy, il detto evoca la promessa di una rivoluzione nella gestione della catena di approvvigionamento. Alcuni componenti standard sono costituiti da migliaia di parti prodotte in varie località prima dell'assemblaggio. Per diversi motivi (ad esempio, usura) i componenti sul campo devono essere regolarmente sostituiti o aggiornati. Farlo in modo tempestivo è una formidabile sfida di attrezzature, stoccaggio e spedizione che richiede un accumulo precoce di parti inventariate. Con AM, tuttavia, i file delle parti (ovvero i modelli digitali) possono essere archiviati in magazzini digitali, senza la necessità di costosi inventari fisici, e utilizzati per la produzione just-in-time o con un breve ritardo, se necessario.
Sfortunatamente, la maggior parte delle tecnologie AM in metallo convenzionali non riesce a mantenere queste due promesse.
Con la proliferazione delle tecnologie AM in metallo, sia gli innovatori che i produttori di parti legacy si sono ora resi conto di aver scambiato una serie di vincoli di progettazione con un'altra.
Cercare di stampare la maggior parte delle parti "così come sono" può portare a una parte inaccettabile (scarsa precisione dimensionale, mancato rispetto delle proprietà meccaniche richieste, difetti visibili ecc.) o peggio, causare un errore di stampa catastrofico che potrebbe sprecare materiale costoso o addirittura danneggiare il stampante.
Pertanto, una stampa di successo richiede spesso a un utente esperto di utilizzare le linee guida "Design for Additive Manufacturing" (DfAM), ovvero riprogettare la parte per soddisfare un'ampia serie di limitazioni comuni nell'AM. Inoltre, ciò richiede spesso la messa a punto dei parametri di stampa per una particolare parte e una particolare stampante.
Tre limitazioni tipiche delle tradizionali stampanti AM in metallo sono le caratteristiche sporgenti, le sollecitazioni residue e le pareti sottili.
Le caratteristiche di sporgenza non supportate possono avere un effetto devastante sulla producibilità e sulle prestazioni di una parte stampata in 3D in metallo. Se l'angolo tra la superficie della parte e il piano orizzontale scende al di sotto di circa 45 gradi, il risultato sarà una parte deformata o addirittura un errore di stampa catastrofico.
Agli utenti di sistemi AM convenzionali viene chiesto di orientare la propria parte in modo da ridurre al minimo tali regioni ad angolo basso e di aggiungere supporti a quelle restanti. Dopo la stampa, la rimozione di questi supporti può essere proibitivamente costosa e, in molti casi, persino impossibile (ad esempio, una superficie supportata all'interno di una girante protetta).
La fusione e il raffreddamento del metallo a diverse temperature e scale temporali possono causare l'accumulo di sollecitazioni residue in una parte. Questo accumulo di stress può distorcere o incrinare la parte o persino la piastra di costruzione. Agli utenti viene generalmente chiesto di evitare ampie aree di fusione ininterrotta e/o di prescrivere modelli di tratteggio laser. Le pareti sottili in genere devono essere ispessite, ancora di più quando sono angolate.
In alternativa, una soluzione AM end-to-end può superare la necessità di compromessi DfAM con una combinazione di software, hardware e controlli guidati da sensori strettamente integrati in un singolo flusso di produzione. Dall'inizio alla fine, processi come la preparazione della stampa, la deposizione della polvere, il modello laser e altro ancora sono personalizzati in base a ogni caratteristica geometrica di un progetto. I controlli monitorano la fisica sottostante di ogni processo per bilanciare metriche quali velocità di stampa, sollecitazioni residue, precisione dimensionale e qualità della superficie.
Questo tipo di soluzione avanzata può essere utilizzata "out of the box" anche da non esperti. Devi semplicemente importare il modello CAD nativo della tua parte nel software di configurazione sulla macchina AM, senza che sia necessaria alcuna riprogettazione, e questo genera automaticamente un file di istruzioni di produzione (laser) per quel sistema. Queste istruzioni possono anche essere inviate a qualsiasi stampante compatibile, in qualsiasi parte del mondo, con la certezza che il risultato sarà identico.
Un'automazione così estesa consente tuttavia flessibilità. Se l'utente desidera una caratteristica che devia dall'impostazione predefinita su una regione di una parte, ad esempio per identificare compromessi tra velocità di stampa, qualità della superficie o accuratezza dimensionale, può realizzare tale intento attraverso una varietà di opzioni di selezione. Poiché la preparazione della stampa può essere una procedura computazionalmente intensiva per alcune delle parti più complesse, un lavoro disponibileflow consente l'offload nel cloud o in un cluster locale. Una volta completata la tiratura, gli utenti possono ispezionare il risultato strato per strato. Particolare attenzione viene inoltre prestata al bilanciamento del carico di lavoro su più laser per massimizzare la velocità di stampa, evitando qualsiasi interferenza indesiderata tra laser attivi contemporaneamente.
La promessa di metal AM di fornire innovazione, senza i compromessi di DfAM, viene finalmente realizzata dai sistemi 3D più avanzati ora disponibili. I progettisti di prodotto, gli ingegneri e i responsabili della supply chain sono ora liberi di andare oltre i limiti di ciò che le tecnologie convenzionali hanno offerto e raggiungere le loro ambizioni utilizzando le odierne soluzioni AM completamente integrate.
Questo articolo è originariamente apparso su @AuManufacturing
Autori:
Victorien Menier: Ingegnere software senior – Velo3D
Pieter Coulier: Ingegnere software principale – Velo3D
