Progettazione di macchine: applicazioni e vantaggi della stampa 3D

Progettazione di macchine con stampa 3D metallo: applicazioni e vantaggi

Nella progettazione di macchine possiamo individuare alcune fasi chiave: lo sviluppo, l’industrializzazione, la fabbricazione e la manutenzione. È fondamentale garantire che le macchine funzionino in modo efficiente, producano risultati coerenti e possano essere facilmente riparate quando i componenti si consumano o si rompono. In questo contesto l’additive manufacturing in metallo porta a progettisti e costruttori numerosi vantaggi.

Progettazione di macchine: i principali fattori critici

Per semplicità, velocità e, soprattutto, costo, i progettisti di macchine si sforzano di utilizzare il maggior numero possibile di componenti standard. Tuttavia, alcune parti devono necessariamente essere realizzate su misura e questo implica lo sforzo per ridurre i costi e i tempi di fabbricazione.

A causa dei volumi relativamente piccoli necessari, le parti personalizzate sono in genere lavorate a CNC, un processo che può essere costoso e richiedere molto tempo a seconda della complessità del pezzo, a causa delle risorse limitate dell’officina meccanica, dei tempi e dei costi di ingegneria non ricorrente (NRE). Questo NRE di solito consiste nella necessità di creare dispositivi di fissaggio personalizzati per la lavorazione di parti complesse anche quando le parti vengono prodotte a basso volume, con conseguenti sprechi significativi e costi aggiuntivi.

Inoltre, le aziende che progettano e costruiscono le macchine spesso si trovano ad affrontare problemi legati alle apparecchiature che sono già in funzione. Alcune parti che compongono la macchina si consumano o si rompono e le aziende devono essere in grado di produrre rapidamente parti di ricambio per ripristinare la funzionalità della macchina, mantenendo bassi i costi delle parti ed evitando il più possibile i costi di stoccaggio.

Come la stampa 3D semplifica la progettazione di macchine e la loro costruzione

La produzione additiva semplifica notevolmente il processo di creazione di parti personalizzate. Poiché non si basa su attrezzature o fissaggi, la stampa 3D spesso consente agli utenti di stampare parti più velocemente e con costi inferiori rispetto alla lavorazione tradizionale.

La tecnologia di stampa 3D con metalli apre anche le porte a parti con maggiore complessità geometrica. Queste parti complesse possono essere più adatte all’applicazione e indurre una maggiore efficienza ma generalmente sono molto difficili – se non impossibili – da realizzare con i metodi di produzione tradizionali.

La capacità di costruire più facilmente parti anche molto complesse consente di consolidare gli assiemi, combinando più parti in un numero inferiore di assiemi multifunzionali, con una conseguente semplificazione della produzione e aumento l’efficienza. Progettare in 3D per Additive Manufacturing permette di sfruttare a proprio vantaggio tutte le potenzialità offerte dalla tecnologia additiva.

La stampa 3D contribuisce a semplificare anche la produzione di parti di ricambio, consentendo alle aziende di stampare esattamente la parte di cui hanno bisogno, quando e dove ne hanno bisogno, riducendo significativamente sia i tempi di fermo macchina che i costi di magazzino.

Progettazione di macchine: gli scenari applicativi della stampa 3D

Benchè i contesti in cui l’utilizzo della stampa 3D nella progettazione di macchine offre significativi vantaggi siano molteplici, prendiamo in esame alcuni esempi emblematici per fornire spunti di riflessione.

Semplificazione degli assiemi

Per semplificare i processi di produzione, nella progettazione di macchine molti assiemi sono costituiti da parti facili da costruire con le tecniche tradizionali che vengono tenute insieme con elementi di fissaggio o saldate. Progettare tenendo conto della produzione con tecnologia additiva, tuttavia, consente agli utenti di consolidare più parti in un unico assieme, riducendo i costi e aumentando l’efficienza.

La vite a rullo della figura seguente viene utilizzata in un attuatore lineare per aprire e chiudere una valvola pilota in una centrale elettrica a vapore. Mentre nella fabbricazione classica la vite è formata da sette componenti, con la stampa 3D di Desktop Metal Studio System è stato possibile consolidare l’assemblaggio in un unico componente.

Vite a rullo dopo il consolidamento dell'assieme che ha ridotto da sette a una il numero di componenti
Vite a rullo in metallo stampata in 3D dopo il consolidamento dell’assieme che ha ridotto da sette a uno il numero di componenti

Produzione di componenti su richiesta

Progettare le staffe e i supporti in funzione della produzione con la stampa 3D non solo accelera la loro costruzione ma offre ai progettisti più libertà nell’ottimizzazione della geometria in funzione dell’applicazione specifica, venendo meno i limiti di producibilità imposti dalla fabbricazione convenzionale.

Le staffe e i supporti della figura seguente sono utilizzati per contenere una varietà di componenti standard – motori, cuscinetti, alberi, ingranaggi, pulegge, sensori, ottica e altro ancora. La stampa 3D di queste parti ha consentito di ottimizzare la loro geometria per ogni applicazione, riducendo al contempo i tempi e i costi di produzione.

Staffe e supporti stampa 3d Fiber e Studio Desktop Metal
Staffe e supporti in materiale composito e in metallo stampati in 3D su Desktop Metal Fiber™ e Desktop Metal Studio System™.

La stampa 3D nella progettazione di macchine consente anche flessibilità di produzione: quando è necessario modificare il progetto per inserire funzionalità diverse, gli ingegneri possono semplicemente inviare il file aggiornato alla stampante 3D. Uno dei supporto mostrati nella figura precedente viene utilizzato per contenere un certo numero di sensori che eseguono misurazioni con la macchina in funzione. La geometria complessa del pezzo lo rende un candidato ideale per la stampa 3D in metallo con la Desktop Metal Shop System. Con questo sistema additivo, la parte è stata stampata in 3D ottenendo una drastica riduzione dei tempi di produzione e del costo delle parti.

Prototipi per collaudi funzionali e progetti pilota

Metodi di produzione come la fusione, la forgiatura e lo stampaggio ad iniezione di metalli sono ideali per la produzione di massa mentre sono poco convenienti per la costruzione di prototipi o le tirature a basso volume, a causa dei costi elevati e dei tempi di consegna lunghi. In casi come questi, le parti stampate in 3D possono avere la stessa qualità di quelle ottenute con i metodi di produzione in serie ma non è necessario l’impiego di utensili, con un significativo risparmio di tempo e di denaro. Poiché la stampa 3D elimina la necessità di utensili, il pezzo può essere facilmente stampato, modificato e ristampato in qualunque momento. Dal momento che le stampanti 3D Desktop Metal offrono una crescente autonomia di lavoro non presidiato dall’operatore, le stampe possono essere eseguite anche durante la notte.

L’esempio della figura seguente mostra la flangia anteriore di un riduttore di velocità per ingranaggio a vite senza fine, che consente il collegamento di motori di dimensioni diverse. Quando il riduttore di velocità verrà prodotto in serie, la flangia verrà costruita per fusione, alla quale seguiranno ulteriori lavorazioni.

Utilizzando la stampa 3D metallo di Desktop Metal Studio System, questa parte può essere rapidamente prototipata ogni volta che serve senza eseguire la fusione, riducendo notevolmente il costo della parte e il lead time di fabbricazione. Con la prototipazione in metallo su stampante 3D Desktop Metal , la flangia può essere testata funzionalmente in condizioni di carico elevato per garantire che il design sia ottimale.

Prototipo flangia montaggio ingranaggio in metallo stampa 3d
Prototipo funzionale di flangia per ingranaggio a vite senza fine in metallo ottenuta con stampante 3D Desktop Metal Studio System.

Costruzione di pezzi unici complessi con stampa 3D ad alta risoluzione

Gli ingranaggi sono un componente meccanico importante in molti assiemi. La costruzione di ingranaggi personalizzati è spesso proibitiva a causa dei numerosi passaggi di produzione coinvolti, tra cui lavorazioni tecniche come: fresatura, brocciatura, dentatura e operazioni di finitura come: rasatura, smerigliatura, levigatura, lappatura. La stampa 3D consente la produzione efficiente di ingranaggi personalizzati e complessi e persino di interi sistemi di ingranaggi planetari stampati sul posto.

Ingranaggi complessi in metallo con stampa 3d
Ingranaggi in metallo ottenuti con stampa 3D in monoblocco con i sistemi additivi Desktop Metal.

Parti di ricambio e aftermarket

La gestione delle parti di ricambio può comportare costi ingenti in termini di produzione, logistica e gestione delle scorte. Tali costi sono tanto meno giustificati quanto più i componenti di ricambio devono essere prodotti in piccole quantità e in modo non continuo. I problemi sono ancora più evidenti nella gestione dei ricambi per articoli fuori produzione e per i componenti personalizzati.

In questi casi, la produzione additiva rappresenta una soluzione estremamente conveniente poiché il magazzino delle parti è un archivio digitale di file 3D – ottenuti mediante scansione o dal progetto CAD – che vengono mandati alla stampante 3D solo quando serve.

La figura seguente riporta l’alloggiamento del termostato di una Mercedes, una parte del sistema di raffreddamento di un vecchio modello di auto che non viene più prodotta. Queste parti di ricambio possono essere piuttosto costose da realizzare e richiederebbero la conservazione di scorte a lungo termine e/o la manutenzione degli strumenti necessari per progetti superati. La stampa dei pezzi di ricambio con Desktop Metal Studio System consente di creare pezzi di ricambio in metallo unici su richiesta in modo conveniente.

Ricambio alloggiamento termostato Mercedes - stampa 3d metallo
Parte di ricambio dell’alloggiamento termostato di un vecchio modello di auto Mercedes ottenuto con stampa 3D metallo. A destra il pezzo dopo la lucidatura.

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Energy Group è un'azienda italiana specializzata nelle tecnologie 3D per il Digital Manufacturing. Una esperienza di oltre 20 anni nel mondo della progettazione ha permesso all'azienda di specializzarsi nella fornitura e nel supporto delle tecnologie 3D per la ottimizzazione del processo di sviluppo dei prodotti. Dal 2005 si occupa di soluzioni di stampa 3D professionale per la prototipazione e la produzione come rivenditore di stampanti 3D professionali per la prototipazione e la produzione dei migliori brand: Stratasys, Desktop Metal, Formlabs, MakerBot. Energy Group fa parte di THE3DGROUP, il più grande gruppo italiano per la innovazione digitale 3D.

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