Come migliorare la velocità, la precisione e la qualità nella produzione additiva
Di Rafael Hasbun,
Sr. Field Application Engineer, FARO Technologies
La produzione additiva, il processo di aggiunta di materiali, strato su strato, per costruire un prodotto completo fa risparmiare tempo e denaro ai produttori. Non sorprende quindi che, mentre i produttori lottano per rispettare i vincoli di budget e di tempo nella progettazione e nello sviluppo di nuovi prodotti, il mercato della produzione additiva sia pronto per una crescita significativa.
Infatti, un recente rapporto di Reportlinker.com, "Global Additive Manufacturing Market Size, Share & Industry Trends Analysis Report by Printer Type, by Technology, by Component, by Applications, by Material, by Vertical, by Regional Outlook and Forecast, 2022-2028", prevede che il mercato globale della produzione additiva registrerà un tasso di crescita annuale composto del 18,9% durante il periodo previsto, raggiungendo infine 44,6 miliardi di dollari entro il 2028, rispetto alle dimensioni attuali di circa 14 miliardi di dollari. Si prevede che la crescita sarà alimentata dalla domanda nei mercati automobilistico, aerospaziale e sanitario, che sfruttano i processi di produzione additiva per accelerare la prototipazione di parti.
Che cos'è la produzione additiva?
In genere, la produzione additiva si affida a un software di progettazione assistita da computer (CAD) o a scanner di oggetti 3D e a un software sofisticato per dirigere l'hardware, come ad esempio le stampanti 3D, a depositare il materiale, strato per strato, in forme geometriche precise per creare un oggetto, anziché utilizzare i tradizionali metodi sottrattivi che rimuovono il materiale tramite fresatura, lavorazione, intaglio o sagomatura per creare un oggetto. Il processo di fabbricazione additiva consente ai produttori di stampare i pezzi in un unico pezzo, riducendo lo spreco di materiale e risparmiando tempo e costi nella prototipazione e nel reverse engineering dei pezzi.
Il ruolo dei laser scanner 3D nella produzione additiva
Sempre più spesso, gli scanner laser 3D vengono utilizzati come primo passo nella produzione additiva, perché accelerano ulteriormente il processo di sviluppo del prodotto. Gli scanner 3D possono scansionare le misure, le caratteristiche e i dettagli necessari per creare il pezzo in pochi minuti, mentre possono essere necessarie ore per raccogliere solo le dimensioni fisiche più semplici di un pezzo utilizzando i metodi di misurazione tradizionali, come i calibri e le macchine di misurazione a coordinate (CMM). Le scansioni 3D dettagliate vengono poi inviate a un sofisticato programma informatico, che utilizza i dati raccolti per creare un modello 3D virtuale da stampare.
Gli scanner 3D non solo forniscono misurazioni più rapide e dettagliate, ma aumentano anche la precisione grazie all'alta risoluzione dei dati e riducono i casi di errore umano associati ai metodi di misurazione tradizionali, garantendo il controllo di qualità del primo articolo creato. La scansione 3D può essere utilizzata anche per ispezionare e diagnosticare i guasti nelle parti create attraverso un processo di produzione additiva. Una parte stampata in 3D può essere testata sotto stress nell'ambiente in cui è destinata a essere utilizzata e, in seguito a questi test, si possono utilizzare gli scanner laser 3D per trovare e diagnosticare eventuali deformazioni o punti critici di guasto nella parte, per garantire ulteriormente la qualità del prodotto e accelerare le successive iterazioni del prodotto.
La scansione 3D è superiore ai metodi di misurazione tradizionali anche quando si tratta di acquisire oggetti che hanno superfici preformate, curvature complesse o finiture superficiali strutturate, perché questi tipi di caratteristiche non sono facilmente misurabili con gli strumenti tradizionali. La scansione 3D è anche in grado di affrontare la sfida del reverse engineering, che viene spesso impiegato dall'industria automobilistica per creare pezzi personalizzati o fuori produzione. Il reverse engineering di un oggetto fisico per la produzione additiva richiede una misurazione precisa dell'altezza, della larghezza, della profondità, del diametro e della circonferenza del pezzo, oltre a dettagli complessi come il raggio e la texture di alcune caratteristiche. La scansione 3D acquisisce in modo efficiente e preciso tutti i dati associati alle superfici, ai dettagli e alle caratteristiche intricate del pezzo, consentendo di inviare dati precisi e dettagliati alla stampante per la produzione additiva.
I miglioramenti delle tecnologie di scansione superano le sfide della produzione additiva
Nonostante i numerosi vantaggi dell'utilizzo della scansione 3D nel processo di produzione additiva, ci sono alcune sfide associate, come ad esempio la scansione di parti grandi e pesanti. Tuttavia, riconoscendo il problema, alcune tecnologie più recenti, come la macchina di misura a coordinate portatile Quantum Max FaroArm® , offrono uno sbraccio più ampio per fornire un'articolazione più confortevole per una migliore estensione sopra e intorno a oggetti di grandi dimensioni. In combinazione con il piano di lavoro rotante FARO® 8-Axis Max, un componente modulare che può essere utilizzato con qualsiasi FAROArm, la necessità di spostare o riposizionare il dispositivo di scansione è quasi eliminata. Tradizionalmente, i tecnici dovevano scansionare una parte di grandi dimensioni una sezione alla volta e poi spostare lo scanner alla sezione successiva. Il movimento potrebbe causare dati imprecisi, ma con il tavolo di lavoro rotante, il pezzo può essere montato sul tavolo, che ruota come un Lazy Susan, consentendo di acquisire il pezzo senza spostare lo scanner, eliminando gli errori e aumentando la precisione dei dati.
Un'altra sfida associata agli scanner 3D tradizionali è che spesso hanno difficoltà a scansionare parti scure, lucide o riflettenti. In questi casi, i tecnici di solito spruzzano il pezzo con la polvere per ottenere una finitura opaca, al fine di ottenere una scansione precisa, ma questo potrebbe essere un ricordo del passato grazie all'introduzione della tecnologia laser blu otticamente superiore. Il Quantum Max ScanArm di FARO, lo strumento di misurazione portatile più avanzato, dotato di tre sonde laser lineari (LLP) appositamente costruite e sostituibili a caldo, offre funzionalità come la prototipazione rapida, il reverse engineering e la modellazione 3D di superfici a forma libera. La tecnologia del laser blu consente la scansione di superfici difficili, comprese quelle scure o riflettenti, semplificando il processo e aumentando la precisione della scansione di questi oggetti prima delle applicazioni di produzione additiva.
Il software complicato utilizzato per convertire le scansioni per la stampa era un'altra sfida per i produttori di additivi, ma oggi anche i programmi software più sofisticati stanno diventando più facili da usare. Ad esempio, il software FARO RevEng™ consente agli utenti di acquisire con maggiore precisione e modificare più facilmente le mesh per la creazione di modelli per la stampa 3D. L'utilizzo del software in combinazione con i prodotti di scansione 3D consente di trasformare i dati, dalle nuvole di punti a colori ad alta risoluzione alle semplici maglie, in maglie dettagliate, fornendo una maggiore comprensione del design e della composizione, oltre alla differenziazione visiva tra materiali e texture. L'interfaccia utente intuitiva visualizza tutti gli strumenti in un'unica schermata, facilitando la manipolazione e la personalizzazione dell'oggetto 3D per soddisfare i requisiti di progettazione specifici, aumentando ulteriormente la produttività del flusso di lavoro del reverse engineering nelle applicazioni di produzione additiva.
Mettere tutto insieme
Recentemente, Adam LZ, uno YouTuber del settore automobilistico e pilota di sport motoristici, ha collaborato con FARO e il fornitore di software Oqton per creare un pezzo personalizzato per un'auto da corsa, utilizzando la tecnologia di scansione 3D di FARO, il software Geomagic Design X di Oqton e la produzione additiva. Inizialmente il cruscotto dell'auto conteneva una console di navigazione che doveva essere rimossa perché aggiungeva peso inutile al veicolo. L'obiettivo del progetto era quello di creare rapidamente un pezzo personalizzato e leggero che riempisse correttamente la tasca lasciata nel cruscotto dopo la rimozione del sistema di navigazione.
Per prima cosa, il cruscotto, compresa la console di navigazione, è stato rimosso dal veicolo e posizionato sull'8-Axis Max dove, nonostante le sue grandi dimensioni, è stato facilmente scansionato con il FARO ScanArm. "Fissare il cruscotto all'8-Axis Max e ruotarlo ha reso meno lavoro e più precisione nella scansione, perché non abbiamo dovuto manipolare o spostare il pezzo o lo scanner", dice Will Pitarello, ingegnere applicativo senior di FARO. "Meno movimento equivale a più precisione e riduce le variabili che potrebbero introdurre errori nella raccolta dei dati"?
La scansione dell'intero cruscotto ha permesso ai designer di capire dove risiedeva il sistema di navigazione nel pezzo. Completata questa fase, la console di navigazione è stata rimossa e scansionata per fornire un'idea della forma della console stessa, nonché delle clip metalliche che la tenevano saldamente all'interno del cruscotto. È stata eseguita una terza scansione del vuoto lasciato nel cruscotto per comprendere la geometria sotto il vuoto, compresi i punti di montaggio, in modo che il pezzo appena creato si adattasse al vuoto e si attaccasse correttamente ai supporti esistenti. "Era importante scansionare l'intero cruscotto e la console di navigazione stessa, così come la tasca aperta creata quando il sistema di navigazione è stato rimosso e la geometria sottostante, in modo che il nuovo pezzo personalizzato non solo copra l'area, ma si agganci correttamente ai punti di montaggio esistenti", afferma Greg George, application engineer manager, di Oqton.
Le tre scansioni sono state poi riunite utilizzando il software Geomagic Design X per creare un modello 3D che è stato utilizzato per fabbricare molto rapidamente un pezzo tramite la produzione additiva. Grazie alla precisione della scansione, che comprendeva le geometrie del vuoto, le texture superficiali del cruscotto, i punti di montaggio e tutte le altre caratteristiche necessarie, insieme al ritmo rapido della produzione additiva, è stato raggiunto l'esito positivo ed è stato progettato e prodotto entro il giorno successivo un pezzo ben adattato che corrispondeva alla texture superficiale simile alla pelle del cruscotto originale e che si montava sulle clip esistenti.
"L'aspetto positivo è che con la produzione additiva si ha la possibilità di realizzare rapidamente un pezzo e, una volta che il pezzo è disponibile, si può determinare se è il giusto adattamento e il giusto peso", dice George. "E, se per caso è troppo pesante o non va bene, si può ripetere l'operazione molto rapidamente usando queste stesse tecnologie e realizzare un altro pezzo che si adatta meglio o che pesa meno altrettanto rapidamente."
È facile capire che le odierne tecnologie di scansione laser 3D e i pacchetti software di facile utilizzo aiutano i produttori innovativi di additivi a velocizzare i loro flussi di lavoro, garantendo al contempo la precisione e la qualità dei pezzi prodotti, rendendoli più redditizi ed efficienti che mai.