Clash (materiale inventato)

Clash e un materiale che, prende dimensioni volumetriche e morbide diverse sfruttando l’elasticita di una struttura di multistrato in PU soft & hard che ingloba un altro sandwich di SMA (shape memory alloys). L’intenzione era la combinazione tra due sollecitazione , una mechanica che sono i srati metallici e l’altra dinamica basandoci sulla memoria di forma dei tre materiali.

Clash
Sandwich

Il SMA (generalmente fatto di rame-aluminium-nickel) mantiene la memoria della sua forma a freddo, riacquisendola quando viene surriscaldata. Il PU e un ottimo termo-isolante  e puo venire con diversi intensita di durezza. Queste characteristiche ci permettono di poter realizzare  diverse forme a scelta, con una struttura di sostegno interna  che regga la persona.

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Diversi ambienti possibili

Diversi ambienti possibili

Prototipazione Rapida _ RP

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La prototipazione rapida è un insieme di tecniche industriali che consentono la produzione di oggetti di geometria complessa, in tempi molto ridotti, a partire dalla definizione matematica dell’oggetto realizzata su un modello tridimensionale, volte a realizzare il cosiddetto prototipo

Indipendentemente da come lo si realizza, per prototipo si intende “il primo elemento della serie”. Questi può essere concettuale, funzionale, tecnico o di pre-serie, e in ogni caso può svolgere funzioni differenti nell’azienda: può servire per valutare costi, tempi di ciclo, risposta del mercato e così via.

Si basa sulla considerazione che ogni oggetto costituito da tante sezioni di spessore infinitesimo. Il prototipo viene, così realizzato sezione dopo sezione, trasformando il problema da tridimensionale in bidimensionale. Gli oggetti sono ottenuti con progressiva aggiunta di materia. Per questo motivo la tecnologia RP è anche definita tecnica di produzione per strati o per piani (layer manufacturing)

Definizione

Il prototipo non è una necessità avvertita solo dalle moderne aziende. Il ricorso al prototipo è, infatti, un’esigenza sentita sin dall’antichità, quando ci si poteva affidare solo a carta e attrezzi da disegno, per cui la realizzazione del prototipo permetteva di effettuare importanti osservazioni sul progetto in corso. I materiali e le tecniche con cui i prototipi si realizzano sono diversi e, ricorrendo a tecniche tradizionali, la loro costruzione è affidata ad artigiani o modellisti. In questo caso ci troviamo di fronte a una difficoltà incompatibile con le esigenze odierne della competizione globale: la diminuzione dei costi e dei tempi di realizzazione.

Mentre negli scenari competitivi è ampiamente sopportabile un aumento dei costi di sviluppo, sicuramente non è accettabile un ritardo per l’immissione sul mercato di un dato prodotto. Infatti un ritardo di pochi mesi può causare una perdita sugli utili anche del 30%, mentre un aumento dei costi di sviluppo, anche del 50%, è ampiamente sopportabile per le imprese.

Per quanto premesso sono stati messi a punto processi con l’obiettivo di ridurre sia i costi di realizzazione che i tempi di costruzione del prototipo stesso; queste tecniche vengono definite rapid prototyping (RP) o prototipazione rapida.

Lo sviluppo delle prime macchine RP è dovuto a Charles W. Hull, che per primo realizzò una macchina di tipo SLA-1 (StereoLitographic Apparatus). Successivamente gli studi sono avanzati così da giungere a generazioni successive della SLA e messa a punto di tecnologie differenti quali LOM (Laminated Object Manufactoring), SLS (Selective Laser Sintering), FDM (Fused Deposition Modeling), LENS (Laser engineered net shaping). Anche lo scenario d’impiego è cambiato, poiché lo sviluppo di queste macchine non è più affidato alla collaborazione con grosse aziende o centri di ricerca, ma soprattutto grazie alla diffusione nelle piccole e medie imprese, imputabile alla sensibile diminuzione dei costi di queste tecnologie.

La prototipazione rapida si differenzia dalle tecniche tradizionali di lavorazioni meccaniche perché mentre queste ultime operano per asportazione di materiale, ossia ottengono la forma voluta da un blocco all’interno della quale essa già esiste, le tecniche RP operano su una base concettuale inversa, ossia per addizione di materiale, con la possibilità di poter ottenere forme anche molto complesse, impossibili da realizzare con le lavorazioni tradizionali, semplicemente aggiungendo materiale strato per strato. Si parla, infatti, di layered manufacturing (fabbricazione stratificata).

Classificazione delle tecniche RP

La prototipazione rapida è una tecnica piuttosto recente, ma anche se giovane si può tranquillamente affermare che i materiali e le macchine evolvono continuamente. Ogni casa costruttrice ha sviluppato e continua a sviluppare una propria tecnica con l’impiego di materiali molto differenti tra loro. Infatti la classificazione principale delle tecniche RP è sulla natura dei materiali impiegati, principalmente sul diverso stato dei materiali impiegati, in particolare polveri, liquidi, solidi. Oggi l’impiego di polveri sta assumendo sempre maggiore importanza, poiché teoricamente la macchina può rimanere la stessa e, cambiando il tipo di polvere, si possono ottenere oggetti con caratteristiche differenti, sia estetiche sia meccaniche.

Oltre alle polveri, che possono essere a un componente o due componenti per la presenza di un legante, ci sono tecniche che si basano su liquidi, costituiti sostanzialmente da resine che vengono fatte polimerizzare, e infine l’uso di materiali solidi quali fili o fogli speciali di carta.

Le fasi della RP

Macchina per prototipazione rapida a sinterizzazione selettiva mediante laser

La prototipazione rapida si può paragonare all’operazione di stampa di un testo, solo un po’ più complicata. In dettaglio le fasi che portano alla realizzazione del prototipo sono le seguenti:

  1. Creazione del file STL
  2. Gestione del file STL
  3. Costruzione del prototipo layer by layer (strato dopo strato)
  4. Post trattamenti

Fase 1: Creazione del file STL

È una fase preliminare alla prototipazione vera e propria e consiste nella generazione del file STL e nella sua verifica. Il file STL (Standard Triangulation Language To Layer) è uno standard grafico che descrive l’oggetto tramite una decomposizione in triangoli delle superfici che lo compongono. In pratica le superfici del pezzo vengono meshate (‘“mesh” significa “maglia”) con elementi triangolari. Approssimativamente il numero di questi triangoli è tanto maggiore quanto meglio si vuole approssimare la superficie. Lo standard STL fu sviluppato inizialmente dalla “3D Systems” ed è attualmente lo standard accettato da quasi tutti i sistemi di prototipazione rapida in commercio.

La fase di generazione del file STL si può scomporre in due sotto-processi; in particolare la prima sotto-fase impegna l’intelletto del progettista e consiste nel realizzare il modello matematico, esclusivamente in ambiente CAD, partendo da due strade ben distinte e precisamente:

  • Mediante l’ausilio integrale di software CAD
  • Mediante l’impiego di tecniche di ingegneria inversa

La prima delle due precedenti è la strada che si percorre quando si realizza un prodotto che si ha già in mente e che si vuole mettere nero su bianco, oppure si deve procedere alla modifica di un prodotto esistente di cui si ha già il modello matematico. La seconda strada è indicata quando non si dispone o non esiste il modello matematico e si procede, mediante tecniche di ingegneria inversa (reverse engineering), ossia mediante appositi strumenti si scansiona la superficie dell’oggetto di cui si vuole il modello CAD. Questi restituiscono un certo numero di punti appartenenti alle superfici scansionate, punti che in gergo si individuano con il nome “nuvola di punti”. La nuvola viene elaborata tramite CAD o software dedicati per ottenere il modello matematico tridimensionale.

La seconda sotto-fase della fase 1 consiste nel realizzare il file di estensione .STL (Standard Triangulation Language) mediante apposite utility di esportazione o direttamente dal CAD qualora questa utility sia integrata oppure si deve prima salvare in un formato intermedio (Iges, Acis-Sat) e poi con software dedicato realizzare l’STL. Bisogna fare attenzione a non effettuare troppi passaggi prima di arrivare all’STL per evitare un deterioramento eccessivo della matematica del modello.

Fase 2: Gestione del file STL

Una volta generato il file STL si deve verificare che sia esente da errori. Il controllo si fa attraverso software dedicati, commerciali come il Magics RP della “Materialise” o open source mediante i quali oltre a individuare e correggere gli errori presenti, si possono progettare i supporti per le parti a sbalzo, orientare gli oggetti (operazione che può influenzare fortemente il risultato finale), modificarli ed eseguire lo slicing, cioè generare le “fette” che sovrapposte le une alle altre daranno vita al solido finale. Lo slicing è una operazione critica perché determina le caratteristiche superficiali dell’oggetto finito. Questa operazione può essere di tipo uniforme oppure adattativo quando lo spessore delle slice (letteralmente: fette) è variabile e lo si sceglie in funzione della curvatura della superficie al fine di adattare meglio la geometria finale, riducendo l’effetto staircase (le superfici inclinate sono approssimate da scalini). Una descrizione più specifica sarà descritta più avanti.

Fase 3: Costruzione del prototipo “Layer by Layer”

Consiste nell’inviare alla macchina il file STL o le slice, a seconda del modello di prototipatrice, e procedere con la deposizione del materiale strato per strato fino ad arrivare all’oggetto finale. Questa fase può durare alcune ore in funzione delle dimensioni dell’oggetto in particolare dell’altezza, pertanto un’accurata scelta dell’orientazione è importante sia per la finitura superficiale sia per ridurre i tempi macchina.

Fase 4: Post trattamenti

Sono operazioni manuali il cui scopo è togliere l’oggetto stampato dalla macchina e liberarlo dal supporto o dal materiale in eccesso ed eventualmente operare ulteriori finiture. Queste possono essere semplici, nel caso in cui si tratta di rimuovere il prototipo dalle polveri in eccesso, o leggermente più complicate, come nel caso della tecnica PolyJET, dove si ricorre a un’idropulitrice che rimuove il liquido di supporto. In altri casi si può procedere a un miglioramento delle superfici ricorrendo a trattamenti superficiali quali l’impiego di carta abrasiva o verniciatura.

Problematiche della RP

Come ogni attività anche la RP è soggetta ad alcune problematiche che influenzano il risultato finale, pertanto un’attenta analisi preliminare e una corretta applicazione delle metodologie derivanti da queste analisi aiuta a diminuire di molto gli inconvenienti che potrebbero verificarsi.

Problematiche di generazione del STL

La prima problematica che interviene è quella legata alla generazione del file STL, dato che un eccesso di errori presenti in esso può deteriorare a tal punto la rappresentazione dell’oggetto che il risultato finale è tale da non consentire l’utilizzo del prototipo. Gli errori più comuni e le cause che li generano sono:

  • Discontinuità del verso della normale dei triangoli; i triangoli presentano differente orientazione che genera rugosità superficiale sul pezzo finito. Si è appurato che questo problema si presenta quando il pezzo occupa contemporaneamente più quadranti e il software non gestisce questo baco.
  • Overlapping (sovrapposizione) dei triangoli: alcuni triangoli risultano parzialmente o completamente sovrapposti. Questo genere di incongruenza si presenta maggiormente quando si fa uso di operazioni booleane.
  • Holes (fori): i software preposti alla generazione dell’STL non sono in grado di gestire correttamente le operazioni booleane e possono creare dei fori che devono essere chiusi
  • Bad contours (contorni imperfetti): i triangoli, per effetto di una errata scelta della tolleranza e delle caratteristiche della superficie, risultano discontinui pertanto si deve ricorrere a una operazione di stitching (ricucitura), ossia la superficie o una parte deve essere tirata in modo da far combaciare i lati dei triangoli.

Problematiche di slicing

Rapid_prototyping_slicing

Illustrazione del software che sviluppa posizione, forma e dimensioni degli slice. Voxel è il volume elementare (l’analogo del “pixel” in tre dimensioni) e cioè il più piccolo elemento distinguibile in uno spazio tridimensionale. Ogni “voxel” sarà individuato dalle coordinate x, y, z di uno dei suoi otto angoli o dal suo centro. Il termine è usato nelle rappresentazioni tridimensionali

Lo slicing, come già ribadito, è la suddivisione del modello matematico, ossia il file STL che già risulta in parte degradato dalla conversione dal formato proprio del CAD all’STL, in “fette” orientate orizzontalmente rispetto alla disposizione che si è fatta dell’oggetto all’interno del volume di lavoro nella macchina. Data la particolare metodologia di lavorazione, la superficie finale del pezzo presenterà un aspetto a gradini. È evidente che a differenti spessori delle slice corrisponderanno differenti risultati finali, in particolare per le superfici curve. L’ideale sarebbe di disporre spessori infinitesimali e macchine capaci di stampare tali slice in modo velocissimo.

Per macchine a spessore di slice costante, dette slice uniformi, il problema non si pone più di tanto dato che il campo d’intervento dell’operatore è relegato alla sola scelta dell’orientazione del pezzo sulla tavola di lavoro. Discorso differente nel caso di sistemi a slice adattative; infatti, appositi software si occupano di modulare l’altezza delle slice in base alla curvatura del pezzo, per cui si avranno slice più spesse di fronte a superfici a elevato raggio di curvatura e più sottili nelle zone a curvatura elevata. Il risultato finale è quello di avere una superficie a gradini, effetto denominato staircase (letteralmente: scalinata, gradinata).

Problematiche di contenimento

Un altro importante inconveniente cui si può incorrere è il fatto che il prototipo può contenere o meno la superficie nominale. Se il profilo nominale si trova all’interno del prototipo, con una successiva figura di finitura, nel caso non siano rispettate le tolleranze indicate, il prototipo può essere accettato. Se il profilo nominale è all’esterno del profilo, se le tolleranze lo permettono, il prototipo può essere considerato buono.

Problematiche d’interfacciamento

Sono le problematiche che si riscontrano durante il passaggio dati dal CAD alla macchina. C’è da dire che oggi i più diffusi CAD hanno integrati moduli di esportazione, per cui i problemi citati nel paragrafo “Problematiche di generazione del STL” sono alquanto ridotti anche se in alcune occasioni possono riscontrarsi.

Ottimizzazione della fase di stampa

La scelta di un’orientazione piuttosto che un’altra permette di avere risultati differenti. Ottimizzare la fase di stampa consiste nello scegliere la corretta orientazione per tutti i corpi messi sulla tavola di lavoro; infatti, quando si tratta di disporre un solo pezzo questa risulta abbastanza facile, poiché si deve tenere conto di ciò che può succedere al singolo pezzo.

Cambiare l’angolo che una superficie forma con la base di lavoro aumenta o diminuisce la rugosità a causa dell’aumentare dell’effetto staircase. Quando invece si devono disporre più pezzi, oltre a tenere sotto controllo quanto appena esposto, si deve cercare di ridurre il più possibile il tempo di lavorazione.

I tempi di lavorazione si riducono in modo diverso a secondo della macchina impiegata. Una disposizione con i pezzi lungo l’asse y, ha un tempo di costruzione molto superiore a quello per realizzare gli stessi pezzi disposti lungo l’asse x della macchina.

Le linee guida che si possono delineare per la disposizione dei pezzi sono le seguenti:

  • Valutare preventivamente l’orientazione ottimale e tenere presenti le disposizioni possibili, compatibilmente con le specifiche imposte dal committente.
  • Tra le orientazioni ammissibili, scegliere quelle che presentano altezza inferiore.
  • Disporre sulla tray (tavola di appoggio) pezzi che presentano altezza il più possibile omogenea
  • Cercare di ricoprire la maggior superficie possibile della tray, con il criterio precedentemente esposto, al fine di ridurre le passate per completare la slice.

Le tecniche RP

Dalla prima prototipatrice di Charles W. Hull basata sulla tecnica SLA-1 si sono sviluppate molte altre tecniche la cui differenza sostanziale consiste nell’avere oggetti con caratteristiche meccaniche che si avvicinano sempre più alla produzione di serie. Vediamo adesso qualcuna di queste tecniche.

SLA (StereoLitographic Apparatus)

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1) Sviluppo del modello con CAD

2) Elaborazione CAM per tradurre il modello in slice

3) Liquido che polimerizza (passa allo stato solido) in presenza di luce laser

4) Meccanica che, guidata dal computer, abbassa la tavola di appoggio (tray) e quindi il prototipo in costruzione realizzando in successione gli slice (“le fette”) superiori

5) Il generatore di luce laser che viene guidato dal computer per generare, per polimerizzazione (rendere solido il liquido), il prototipo strato dopo strato

La stereolitografia è stata la prima tecnica messa a punto. Si basa sulla polimerizzazione di un liquido per effetto di un laser. Nella prima fase si predispone il posizionamento finale del pezzo da realizzare su workstation ed eventualmente si generano i supporti. Successivamente il laser, focalizzato sul piano di lavoro mediante sistemi ottici, provvede a polimerizzare la prima sezione del prototipo. Successivamente il piano si abbassa e il procedimento prosegue con la polimerizzazione dello strato successivo.

Struttura a nido d’ape

Per ridurre il tempo di costruzione il laser polimerizza solo i contorni esterni delle superfici e le collega con una struttura a nido d’ape per cui alla fine della costruzione il pezzo è esposto a raggi UV mediante apposite lampade per un tempo sufficiente alla completa polimerizzazione.

La tecnica PolyJET

Il processo pratico si basa sulla deposizione di strati liquidi di fotopolimeri sensibili ai raggi ultra violetti e quasi in contemporanea due potenti lampade UV provvedono al loro indurimento. Più precisamente una serie di pompe trasportano due resine, quella che serve per realizzare il modello e quella che serve come supporto, dalle cartucce ai serbatoi della testina. La testina provvede a deporre in modo appropriato le resine. In particolare la resina “modello” è depositata dove c’è il volume del prototipo, invece quella supporto si utilizza per riempire le cavità o per sorreggere pareti inclinate di un angolo maggiore di 88° (gradi sessagesimali) con la linea dell’orizzonte (lato oggetto).

Deposta la slice, che presenta spessore di 16 μm, viene esposta a radiazione UV per mezzo delle lampade UV poste ai lati della testina e solidali con essa. A questo punto il piano si abbassa della quantità necessaria e il procedimento si ripete.

Questa tecnica ha la caratteristica di ottenere delle superfici la cui rugosità varia dai 2-3 µm ai circa 15 µm, con delle risoluzioni molto spinte.

 

Multi Jet Modeling (MJM)

Questo metodo è quanto di più simile ci sia a una stampante a getto di inchiostro. Nella testina è presente una resina termoplastica che viene disposta sulla tavola di lavoro a creare la slice. Successivamente si abbassa la tray e la resina aderisce alla slice precedente.

 

Drop on Demand (DOD)

Questo metodo è simile al precedente, il materiale del modello e quello del supporto sono depositati in sequenza e poi si passa alla slice successiva fino alla fine. Il post trattamento consiste nell’eliminare il materiale di supporto.

(Selective) Laser Sintering

La sinterizzazione laser, una volta chiamata anche SLS (Sinterizzazione Laser Selettiva), fa impiego di polveri, termoplastiche, metalliche o silicee, e come dice il nome, fa uso di un laser per sinterizzare i materiali impiegati per la costruzione del prototipo. Inizialmente viene steso un sottile strato di polvere da un apposito apparato e il laser provvede alla sinterizzazione ove necessario. La tavola si abbassa della quantità voluta, si stende un altro strato di polvere e il tutto si ripete. Il vantaggio sta nel fatto che si possono utilizzare diverse tipologie di polveri e non c’è bisogno di prevedere dei supporti dato che è la polvere non sinterizzata che provvede a sostenere i piani superiori. Alla fine del processo il pezzo deve essere liberato dalla polvere in eccesso, operazione non molto complessa, e nel caso di polveri metalliche e ceramiche, subiscono anche un trattamento termico per migliorarne le caratteristiche. Per tutti gli altri materiali si possono prevedere altri tipi di trattamento a secondo delle esigenze.

 

Modellazione a deposizone fusa (FDM)

La modellazione a deposizone fusa (Fused Deposition Modelling, FDM) fa uso di fili e barrette di materiale termoplastico, deposto su un vassoio da una testina capace di muoversi lungo 3 assi x, y e z. Il processo è tutto automatico, così come l’eventuale generazione dei supporti, spesso creati a nido d’ape per alleggerire la struttura. Alla fine della lavorazione il prototipo non richiede di ulteriori trattamenti fuorché l’eliminazione dei supporti ove non necessari.

Produzione di oggetti laminati (LOM)

La produzione di oggetti laminati (Laminated Object Manufacturing, LOM) o laminazione di fogli di carta, impiega fogli di carta speciale tagliata secondo la slice voluta e incollata alla precedente. Il suo vantaggio è quello di poter avere dimensioni relativamente elevate per il volume di lavoro. Il supporto è costituito dalla carta in eccesso e il post trattamento è molto delicato in quanto bisogna estrarre il materiale in eccesso con attrezzi tipici della lavorazione del legno. In più, avendo il prototipo un aspetto simile al compensato, bisogna fare una finitura con carta abrasiva per evitare rischi di distacco degli strati e sicuramente un trattamento di impermeabilizzazione per prevenire l’assorbimento di umidità.

Stampa 3D

Questa lavorazione è simile alla SLS, ma le polveri anziché essere sinterizzate vengono mantenute insieme da un collante spruzzato con una testina simile a quelle presenti nelle stampanti a getto d’inchiostro. Il collante viene rapidamente asciugato e il prototipo ottenuto va delicatamente estratto per evitare sfaldamenti e sottoposto a un trattamento termico per migliorarne le caratteristiche.

Sul mercato oggi esistono stampanti 3D “fai da te” che utilizzano una varietà di materiali e che permettono di creare la maggior parte di oggetti 3D, come ad esempio la stampante Fabber prodotta dal progetto open source Fab@Home[3] o il progetto RepRap.

Fusione laser selettiva (SLM)

Anche la fusione laser selettiva (Selective Laser Melting, SLM) è del tutto simile alla sinterizzazione laser selettiva, ma se ne differenzia per l’impiego di polveri metalliche integrali, ossia senza l’ausilio di bassi fondenti. Ne deriva che anche il laser è più potente e alla fine si ha un oggetto del tutto simile alla produzione di serie, che non richiede particolari finiture superficiali e che può essere sottoposto tranquillamente a lavorazioni tradizionali. Allo scopo di prevenire l’ossidazione dei metalli nella camera di lavoro si ricrea un’atmosfera inerte.

Electron Beam Melting (fusione da fascio elettronico)

È del tutto simile alla precedente, solo che per permettere una corretta focalizzazione del fascio elettronico sul piano di lavoro si deve creare il vuoto nella camera di lavoro, il che previene anche la formazione di ossidi metallici nelle polveri.

Il fascio elettronico, potendo concentrare una potenza di spot superiore rispetto al laser, può fondere polveri metalliche alto fondenti quali il titanio.

Una particolare applicazione fattibile con questa tecnica è la produzione di protesi biomediche in titanio, mediante l’utilizzo di polveri di titanio ad alta compatibilità biomedica.

Laser engineered net shaping (LENS)

È un processo di formatura con cui si ottengono componenti metallici depositando fili o polvere metallici in una poltiglia di metallo generata dall’azione di un fascio laser di elevata potenza sulla superficie superiore di un substrato metallico preventivamente depositato su una piattaforma.

 


 

Bibliografia

  • F. Bernardo – “Prototipazione Rapida e Progettazione Aeronautica: dall’analisi dei parametri operativi alla verifica sperimentale del prototipo” – Tesi di Laurea – 2006 – Università degli Studi di Salerno
  • Galardi L., Truono F. – “La prototipazione rapida come strumento di benchmarking” – Tesi di laurea – 2003 – Università degli Studi di Salerno
  • Slide dell’università degli Studi di Lecce, Prof. Carola Esposito Corcione

 

Tornitura in lastra / Metal spinning

La tornitura in lastra, in inglese detta metal spinning, è un processo di lavorazione dei metalli mediante il quale un disco o un tubo di metallo viene ruotato ad alta velocità grazie ad un tornio e formato mediante appositi utensili manuali oppure a controllo numerico computerizzato.

Tornitura a mano con utensili

Tornitura CNC

La Tornitura in Lastra, è nata con l’intento di investire minor tempo e risorse nello stampaggio di prodotti, di forma cava e complessa, con costi contenuti, e con un ottimo standard di qualità. Con la tornitura in lastra è possibile realizzare prototipi di prodotti complessi, per verificarne il funzionamento o simularne le operazioni di assemblaggio. Con l’utilizzo di un semplice stampo opportunamente sagomato e di un utensile a rullo e/o palo, e la minimizzazione dello sfrido (scarto dovuto al taglio del disco), si conferisce una notevole importanza economica ai prodotti ottenuti.

Prodotti in tornitura da lastra di metallo

Gli artigiani utilizzano il processo per la produzione di dettagli architettonici, illuminazione di specialità, prodotti per la casa e decorativi ed urne. Le applicazioni commerciali includono pentole, coperchi, bombole del gas, campane e contenitori di rifiuti pubblici. I metalli ai quali si può applicare questa tecnologia di lavorazione sono tutti quelli duttili, come: alluminio, acciaio inossidabile e ottone.  Il diametro e la profondità di parti formate hanno come unico limite le dimensioni delle apparecchiature disponibili.

CHROME PLATING

Il Cromo (Cr) e un acciaio grigio, brillante, e duro che richiede un alto livello di polish e possiede un alto punto di fusione. E indoro, senza sapore e maleabile.
E usato con grande interesse grazie alla sua elevata resistenza alla corrosione e dalla sua durezza. La maggiore scoperta era che l’acciao poteva essere altamente resistante alla corrosione ed discolorazione aggiungendo il cromo con nickel per creare il stainless steel (acciao inossidabile).

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Oro di cromo

Il “Chrome plating” si crea attraverso il processo di “Electroplating” che e una tecnica, usata in ambito industriale, che permette di ricoprire un metallo non prezioso con un sottile strato di un metallo piu prezioso o con altre caratteristiche sfruttando la deposizione Elettrolitica.Puo essere anche applicato su ogetti plastici.

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La cromatura include tipicamente queste fasi:

-sgrassaggio (Rimuovere la sporcizia)
-Una pulizia manuale per rimuovere ogni impurita superficiali
-Various pretreatments depending on the substrate
-Posizionamento nella vasca di cromatura, dove viene lasciata riscaldata a temperatura adatta
-Applicazione della corrente di placcatura per il tempo necessario per raggiungere lo spessore desiderato

Il materiale viene immerso in una vasca di placcatura che contiene una soluzione con una concentrazione di cromo. Una carica elettrica viene quindi applicato alla vasca. Lo spessore dello strato di cromo è determinata da quanto tempo il materiale rimane nella vasca. Quando rimosso, il materiale ha un luminoso, brillante strato di cromo sulla superficie.

è generalmente utilizzato per due motivi:

Il primo è per scopi decorativi. E generalmente applicato in strati sottili. Di solito viene applicato sopra una nichelatura lucida per realizzare un aspetto brillante esteticamente più gradevole

La seconda ragione per l’utilizzo di cromo e che può agire come uno strato di protezione. Questo è indicato come il “Cromo duro” ed è generalmente utilizzato in applicazioni automobilistiche e industriali.Il “Cromo duro” viene applicato in strati molto spessi che da una superficie strutturata ai metalli dopo il processo. In questi tipi di applicazioni, Il “Cromo duro” può ridurre l’attrito tra le parte meccaniche, aumentare la resistenza alla corrosione e permette al materiale di sopportare maggiori quantita di sfruttamento (e quindi usura).

Modifiche articolo schiuma metallica di Francesco Miceli- da Julia Butler

Definizione schiuma metallica

dispersione uniforme di una fase gassosa (bolle) all’interno di un metallo ottenuta per solidificazione di una schiuma liquida.

Una schiuma metallica è una struttura cellulare costituita da un metallo solido – spesso alluminio – cui buona parte del volume è costituita da pori d’aria.

La caratteristica distintiva delle schiume metalliche è la porosità molto elevata: di solito il 75-95% del volume è costituito da spazi vuoti. La resistenza di un metallo espanso è relazionata alla propria densità con una legge esponenziale, cioè un materiale denso al 20% è resistente più del doppio di un materiale denso al 10%.

Si tratta quindi di un materiale metallico di nuova concezione,che viene espanso a forma di spugna, successivamente alla fusione di lingotti di alluminio con ingredienti chimici di vario genere, presentando una struttura interna costituita da una moltitudine di celle cave.

I materiali porosi si contraddistinguono per la leggerezza, per un migliore assorbimento dell’energia e una minore conduttività rispetto ai materiali metallici di origine.

In particolare, le schiume di alluminio sono destinate a una vasta gamma di applicazioni grazie alle loro ottime caratteristiche fonoassorbenti, alla permeabilità ai liquidi, dell’aria, ecc.

La schiuma di alluminio trova impiego nell’industria aerospaziale e negli ambiti che richiedono stabilità termica a temperature superiori a 200°C.

Il trasporto di calore materiali estremamente porosi, quali le schiume metalliche a celle aperte è stato solo recentemente oggetto di studi. Si ritiene che tali materiali possano fornire dei vantaggi notevoli nel trasporto di calore. La motivazione si attribuisce all’alto rapporto superficie – volume che caratterizza tali materiali e ad un miglioramento delle condizioni di scambio dovuto alla tortuosità presenti all’interno di questi materiali.

Inoltre, la schiuma è generalmente riciclabile nel suo materiale di base e pertanto, compatibili con l’ambiente.

FASE DEL PROCESSO:

–         Alluminio solido e mercurio liquido in un recipiente in pressione

–         Riscaldamento fino alla temperatura di fusione dell’alluminio mantenendo liquido il mercurio

–         Abbassamento rapido della pressione- creazione schiuma liquida

–         Raffreddamento per ottenere la schiuma solida

 

INIEZIONE DI GAS NEL FUSO:

–         Fusione del metallo base

–         Iniezione di gas all’interno del metallo fuso

–         Accumulo delle bolle nella parte alta del crogiolo e formazione della schiuma

–         Raffreddamento della schiuma

–         Estrazione della schiuma solida

schiuma metallica processo

Si possono ottenere due tipi di schiume: una a celle aperte e una a celle chiuse.

Schiume a celle aperte

Le schiume metalliche a cella aperte ha una grande varietà di applicazioni, tra cui scambiatori di calore, l’assorbimento di energia, la diffusione dei fluidi e l’ottica leggera. A causa dell’elevato costo, queste schiume sono utilizzate nelle tecnologie avanzate aerospaziali e la produzione industriale.

Le schiume a celle aperte di piccolissime dimensioni (tanto da non essere visibili a occhio nudo) sono utilizzate come filtri nell’industria chimica alle alte temperature.

Schiume a celle chiuse

Il primo brevetto rilasciato per una spugna metallica è stato quello di Sosnik nel 1948 che applicò vapore di mercurio per soffiare alluminio liquido.

Le schiume metalliche a celle chiuse sono stati sviluppate a partire dal 1956 da John C. Elliott ai Bjorksten Research Laboratories. Sebbene i primi prototipi fossero disponibili già negli anni ’50, la produzione commerciale è iniziata solo negli anni ’90 grazie alla società di Shinko Wire in Giappone.

Le schiume metalliche sono comunemente realizzate iniettando una miscela di gas o di un agente schiumogeno (spesso TIH2) in metallo fuso. Al fine di stabilizzare le bolle di metallo fuso, è necessario utilizzare uno schiumogeno per alte temperature.

La dimensione dei pori – o la ‘dimensione delle celle’ – varia di solito da 1 a 8 mm.

Le schiume metalliche a celle chiuse sono utilizzate principalmente come materiale impatto-assorbenti, in modo simile alle schiume polimeriche dei caschi, ma per impatti più violenti. A differenza di molte schiume polimeriche, le schiume metalliche rimangono deformate dopo l’impatto e possono dunque essere utilizzate una volta sola. Sono leggere (in genere 10-25% della densità del metallo di cui sono composti, che è solitamente alluminio) e rigide, e sono spesso proposte come un materiale leggero strutturale. Tuttavia, essi non sono ancora stati ampiamente utilizzati per questo scopo.

Le schiume a celle chiuse mantengono la resistenza al fuoco e la riciclabilità delle altre schiume metalliche, ma hanno in più la capacità di galleggiare in acqua.

Caratteristiche principali delle schiume di alluminio:

Leggerezza

Assorbimento acustico

Non infiammabile

Ecocompatibile

Assorbimento degli urti schermatura EMP

Celle Chiuse

120px-Closed_cell_aluminium_foam_with_small_cell_size Closed_cell_metal_foam_with_large_cell_size

Celle Aperte

Erg_open_cell_metal_foam

Fresatura (a cura di Renato Belluccia con integrazione di Marco Boccellato)

La fresatura è una lavorazione meccanica a freddo per asportazione di truciolo, da parte di un utensile che ruota attorno ad un proprio asse su un pezzo in moto di avanzamento. E’ una lavorazione in forme complesse di parti metalliche o altri materiali. Per poter realizzare il pezzo finito è necessario che questo possa essere inscritto nel pezzo di partenza da cui verrà asportato il sovrametallo.

La lavorazione viene effettuata mediante utensili e frese, montate su macchine utensili quali fresatrici o fresalesatrici.

La fresatura, a differenza di altre lavorazioni più semplici, richiede la rotazione dell’utensile e la traslazione del pezzo: i taglienti della fresa, ruotando, asportano metallo dal pezzo quando questo viene a trovarsi in interferenza con la fresa a causa della traslazione del banco su cui il pezzo è ancorato.

Le fresatrici devono essere in grado di spostarsi sulla superficie del pezzo, questo può essere fatto in due modi:

  • Spostando il banco di lavoro su due assi X e Y, ed eventualmente alzando la testa motorizzata lungo l’asse Z
  • Lasciando il banco fisso e spostando la testa motorizzata lungo i tre assi.

Il ciclo lavorativo prevede normalmente una prima fase di sgrossatura, in cui l’asportazione viene fatta nel modo più rapido e quindi più economico possibile, lasciando un sufficiente sovrametallo per la successiva fase di finitura in cui si asportano le ultime parti eccedenti per raggiungere le dimensioni previste ottenendo una superficie più liscia.

La finitura, che consiste in una asportazione limitata di metallo, consente di rispettare il progetto per quanto riguarda le tolleranze delle dimensioni e il grado di rugosità delle superfici.

Il pregio principale delle fresatrici è di avere pochissimi limiti di forme realizzabili nelle lavorazioni e di poter svolgere con un solo programma di lavoro diverse operazioni complesse comprendenti forature, rettifiche, alesature, tagli, arrotondamenti…

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Video che mostra una incisione con fresa

 

▼ Marco Boccellato

FRESATRICE

Nella sua forma più semplice una fresatrice non è altro che un motore su cui è fissato, tramite un mandrino, la fresa (un utensile dotato di bordi taglienti) che ruota sull’asse della punta stessa. Il principio è lo stesso del trapano, ma le frese sono progettate per svolgere l’azione di taglio sul lato dell’utensile invece che sulla punta, quindi erodendo il materiale invece che forandolo. Esistono macchinari diversi, detti fresalesatrici,  in grado di effettuare operazioni di alesatura grazie alla grande precisione nel controllo del movimento e alla stabilità della testa motorizzata. L’alesatura è una lavorazione meccanica per correggere lievemente l’assialità e il diametro dei fori.

Le fresatrici devono essere in grado di spostarsi sulla superficie del pezzo, questo può essere fatto in due modi:

-Spostando il banco di lavoro su due assi X e Y, ed eventualmente alzando la testa motorizzata lungo l’asse Z

-Lasciando il banco fisso e spostando la testa motorizzata lungo i tre assi.

Il primo sistema è il più utilizzato per macchine di piccole dimensioni, mentre per quelle maggiori a più di tre assi, comunemente dette centri di lavoro, si usa il secondo metodo.

Le fresatrici possono essere controllate manualmente o con sistemi computerizzati: in questo caso la macchina viene definita a controllo numerico computerizzato (CNC).

Fresatrice manuale

Le fresatrici CNC più moderne sono dotate di sistemi automatici per la sostituzione degli utensili, in grado di rendere interamente automatizzato il processo produttivo: questo permette partendo dal materiale grezzo di arrivare ad un pezzo finito anche senza intervento umano, rendendo le lavorazioni più veloci ed economiche.

Le fresatrici sono macchine strutturalmente molto solide, perché devono assorbire le notevoli vibrazioni generate dalla testa motorizzata senza permettere a questa di oscillare o scuotersi. Quando si procede a lavorazioni su materiali duri o con velocità molto elevate si utilizzano liquidi lubrificanti per ottimizzare il raffreddamento della punta e per ridurre gli sforzi. Il lubrificante ha anche la funzione di trattenere le polveri e i trucioli per farli defluire in modo controllato, evitando che aumentino il consumo delle frese o ne intacchino il filo tagliente.

Liquido lubrificante

FRESE

Le frese per l’utilizzo su centri di lavoro sono standardizzate, lo sono anche quelle per le fresatrici tradizionali, anche se in misura minore.

Le fresatrici possono montare punte che comprendono il gambo d’attacco al mandrino e le lame su un unico pezzo.

I tipi più comuni di frese sono: fresa cilindrica, fresa troncoconica, fresa sferica (usate per lavori di finitura, le frese a testa sferica servono ad eliminare i “gradini” dei passaggi delle frese di grosse dimensioni usate nella sgrossatura), frese di forme particolari.

Frese

Rasoio di plastica

Il rasoio di ‘sicureza’ e costituito da una o tante lame montate in un involucro di metallo o plastica che è attaccato ad un manico. Questo tipo di rasoio e progetatto come unita mono-uso che è destinato ad essere gettato via dopo che la lama diventa ottusa.

Plane views

Materiali 1)Per le lame: Acciaio inossidabile o Acciaio carburato (fatto di carburo di tungsteno).
2)Per le parte in plastiche: polistirene, polipropilene, phenyleneoxide in base di resine
e anche elastomerici composti.
3)Altri componenti: La pellicola polimerica verde.

Technice di lavorazione e montaggio:i componenti in plastica vengono estrusi o stampati ad iniezione e preparati per il montaggio. La cartuccia di lama e i “ports” in plastica sono automaticamente montati nei posti di lavoro che utilizzano linee vuote per orientare e tenere i piccoli “ports” delle lame durante il trasporto e l’inserimento. Bracci caricati spingono le lame in posizione e gli fissono negli slot delle cartucce. La cartuccia finita puo finalmente essere attaccato al manico del rasoio durante le operazioni successive.

explosion assemble

La lavorazione della lama e il risultato della miscelazione e fusione dei componenti in acciaio. Tale miscela subisce un processo conosciuto come ricottura, che rende le lame più forte. L’acciaio viene riscaldato a una temperatura di 1,075-1,120 C), e poi messa in acqua ad una temperatura tra -60 – 80 ° C per indurirlo. Il passo successivo è temprare l’acciaio a una temperatura (482-752 (250-400 C).
Le lame vengono stampato ad una velocità di 800-1.200 colpi al minuto per formare la forma appropriata tagliente. Il bordo di taglio effettivo della lametta moderna è molto piccola. L’intera superficie di taglio è di circa 1.5 in (3,81 centimetri) di larghezza di 1 mm di profondità

Video sulla creazione della lama
Esempio di un stampaggio ad inezione

LA CARTA D’ALLUMINIO

La carta d’alluminio si ottiene da grandi lingotti di alluminio lunghi 4,5 metri, con peso pari a 7500 kg i quali vengono posizionati su rulli trasportatori e condotti in una fresatrice a rullo bollente, dove il lingotto viene pressato riducendo il suo spessore da 45 cm a 1/2 cm. Procedura reiterata ben 16 volte. Data l’elevata temperatura dei rulli, l’alluminio rischia di attaccarsi, per questo ad ogni passaggio, i rulli vengono raffreddati da un liquido composto dal 95% di acqua e 5% di olio. A questo punto il lingotto, diventato una lastra spessa 1/2 cm, e lunga circa 9 metri, viene arrotolata su una bobina per passare poi alla fresatrice a rullo freddo, attraverso la quale lo spessore verrà ridotto ulteriormente, fino ad un foglio sottile. Infine vengono rifiniti i bordi irregolari, e tagliato nel formato adatto alla vendita.

CATENE

 

Il materiale di partenza, metalli preziosi, sono sotto forma di pepite le quali vengono fuse in un contenitore cilindrico. Una volta solidificato il cilindro viene estratto ed è pronto per la trafilatura. Viene quindi inserito in un macchinario che comincia ad assottigliare lo spessore del materiale, il quale grazie alle sue proprietà duttili e malleabili, dopo numerosi passaggi, viene reso sottile come un filo. A questo punto i fili metallici vengono “tessuti” in un macchinario a bracci che in un moto continuo piega, torce e chiude ogni singolo anello della catena a quello precedente.

Analoghe sono le procedure per la produzione di catene in acciaio, dove cambiano gli spessori, con un diametro considerevole per poter essere molto più resistente alla trazione, forza meccanica a cui una catene viene spesso sollecitata.

LA LATTINA

LA LATTINA

Cenni storici

La lattina è un contenitore generalmente di tipo alimentare che può essere costituito di diversi materiali metallici come alluminio o lamiera di ferro stagnata. L’utilizzo nei primi del novecento della lamiera di ferro stagnata ha determinato il suo nome in italiano, infatti “lattina” deriva direttamente da “latta”, che è il nome della lamiera che univa le proprietà di robustezza del ferro e la capacità di resistere alla corrosione dello stagno. I primi esempi industriali nascono negli Stati Uniti alla fine dell’Ottocento, ma le metodologie di costruzione si sono man mano evolute e siamo arrivati ai giorni odierni dove è possibile costruire contenitori robusti e resistenti capaci di mantenere pressioni elevate con solo 13 grammi di alluminio (una normale lattina contenente una bibita gassata da 33 cl ). Le più diffuse lattine per bibite o birra vengono definite imbutite e sono formate da soli due pezzi: corpo e  coperchio; a differenza di una lattina di tonno composta da tre pezzi: coperchio, fondo e corpo.

Le ultime tendenze

Coca-Cola, l’azienda imbottigliatrice e distributrice di Coca-Cola per il Centro Nord Italia, ha presentato all’ultimo Pianeta Birra ( Beverage & C. del 10-13 febbraio 2007 ) la nuova confezione allungata da 33 cl di Coca-Cola, Coca-Cola Light, Fanta e Sprite, ribattezzata con il termine “sleek”( slanciata, affusolata). Questo nuovo design della lattina, che richiama immediatamente il packaging slim degli energy drink, affiancherà inizialmente la tradizionale lattina da 33 cl, lanciata in Italia 30 anni fa, fino a sostituirla completamente.

La lattina “sleek can”

La prima azienda ad adottare questa tipologia di lattina piu’ slanciata fù Red BULL. La bevanda contenuta era meno gasata delle altre bibite e avendo quindi la lattina una pressione interna inferiore, ci si  poteva permettere questo design più accattivante. Ma perché la nuova forma più stretta e slanciata dovrebbe essere più elegante, pratica e attraente per il consumatore?

La Coca-Cola stessa direbbe che “hanno un elevato potenziale di attrazione, legato, oltre alla sua immagine, anche alla praticità e alla forma più innovativa, più maneggevole e più in sintonia con le esigenze del consumo d’impulso”.

La sostituzione della vecchia lattina

La lattina “tradizionale” è sostituita dalle nuove “sleek can” caratterizzate da una forma più slanciata e sottile, pur mantenendo la stessa capacità. Perché?

1- Marketing e design più accattivante: sono piu’ comode da tenere in mano e sembra che, nell’inconscio, il consumatore associ la forma piu’ snella della lattina ad un minore senso di colpa percepito durante l’assunzione delle calorie contenute in egual modo.

2- Logistica: ottimizzazione degli spazi nei container e nei tir durante i trasporti, infatti la nuova forma si adatta perfettamente alle misure standard dei rimorchi limitando al minino gli spazi morti.

3- Fabbricazione: le nuove lattine sono prodotte in acciaio e non piu’ in alluminio come le precedenti versioni, questo perchè L’acciaio costa meno.

4- Ambiente: Se da una parte l’utilizzo dell’acciaio in sostituzione dell’alluminio consente una riduzione del costo di produzione del prodotto, dall’altra presenta un problema che, nella situazione globale attuale,non può non essere considerato. Il 50 % degli oggetti di alluminio che ci capitano quotidianamente tra le mani mani potrebbero essere fatti di metallo riciclato. Partire da oggetti di alluminio, invece che dai minerali di bauxite, fa risparmiare il 95% dell’energia necessaria. L’Italia e’ il terzo Paese al mondo per quantità di alluminio riciclato e le 200 aziende che vi si dedicano hanno un giro d’affari di 11 milioni di euro. La decisione di CocaCola di smettere di imbottigliare le sue bibite in lattine di alluminio ( molto piu’ semplice da riciclare rispetto all’acciaio ) è un chiaro esempio di disinteresse ecologico.