Laminate Object Manufacturing (LOM)

Questa tecnologia definita come prototipazione Laminate Object Manufac- turing (LOM ) fu ideata nel 1991 da Michael Feygin, il quale fondò fondò nel

1985 l’azienda Helisys proprio per commercializzare le macchine basate su questa tecnologia. Come mostrato in figura la struttura base della macchina LOM comprende: un laser CO2, un sistema di ottiche per focalizzare il laser, una piattaforma porta pezzo e un rullo termoriscaldato di incollaggio. Tale processo di prototipazione prevede l’utilizzo di un foglio di carta nel quale la parte inferiore è impregnata con un legante che si attiva con il calore, essa può essere a base di etil-vinil-acetato oppure a base poliuretanica reattiva. Il foglio viene steso lungo un piano, e un rullo termoriscaldato viene fatto passare sopra al foglio in modo che esso si incolli allo strato sottostante; poi, un laser ritaglia sul foglio il contorno del prototipo (questo contorno è direttamente determinato nella sequenza di slicing); oltre a questo, fuori dai contorni il laser ritaglia, muovendosi nel piano X Y, il rettangolo principale che conterrà il pezzo e una serie di quadri a contorno fisso i quali permette- ranno di rimuovere il materiale in eccesso e scoprire il nostro prototipo. Una rappresentazione schematica del processo LOM è mostrata in figura 1.16.

Figura 1.16: Rappresentazione schematica della tecnologia LOM La potenza del laser a CO2, tipicamente 25 o 50 W, è opportunamente controllata in modo tale da tagliare un solo strato di foglio adesivo per non compromettere l’integrità degli strati inferiori [13].

La potenza del laser è elevata, ma tale scelta è giustificata dalla lunga “durata ” della sorgete laser. Per rendere più semplice, veloce e sicuro il ta-

glio, il raggio laser è accompagnato ad un laser He-Ne che proietta un raggio rosso che rende visibile la traiettoria seguita. A questo punto la piattaforma si abbassa di un livello lungo l’asse Z per consentire l’avanzamento di un nuovo strato di materiale e ciclo si ripete fino alla all’ultima sezione.

Non è necessaria la predisposizione di supporti per il sostegno delle parti sporgenti. Il sistema per l’apporto di nuova carta da termo-incollare ha un funzionamento molto semplice: una ruota in acciaio collegata ad un encoder si appoggia al rullo di alimentazione; finito il processo di taglio, il rullo per l’avvolgimento della carta non termo-incollata inizia a prelevare nuova carta dal rullo di alimentazione; l’encoder conterà la lunghezza del foglio srotolato e bloccherà il processo quando tutta la superficie in lavorazione (tutto il piano porta pezzo) verrà ricoperta (è una lunghezza che viene settata come default).

La fase successiva, ovvero quella di post-processo è quella più comples- sa e delicata, anche perché condotta manualmente. Il blocco contenente il pezzo viene prima rimosso dalla piattaforma con l’utilizzo di attrezzi tipici della lavorazione del legno, tipicamente un martello, una spatola e fili sotto tensione che vengono fatti passare tra lo sfrido e il pezzo. Una volta estratto, il modello viene trattato con uretano, resina epossidica o spray per impedire l’assorbimento di umidità e quindi la deformazione. Inoltre esso può subire operazioni di finitura in funzione dell’utilizzo a cui è destinato, ad esempio sabbiatura, lucidatura, verniciatura e lavorazioni meccaniche. Il materiale di costruzione, di costo limitato e completamente atossico, è costituito da carta rivestita nella parte inferiore da uno strato di politene e viene approvvigio- nata sotto forma di rotoli. Lo spessore utilizzato può variare trai 96.7 e i 202 mm circa, può variare anche la temperatura di attivazione del collante. Sono utilizzabili anche altri materiali, ad esempio materiali plastici termoadesivi o compositi.

Il costo di massima di una macchina LOM si aggira tra 100.000ö200.00 $ e dipende molto dal volume dello spazio di lavoro che la caratterizza. Lo strato minimo che è possibile ottenere varia tra i 76 e 200 mm, con precisione dichiarata massima di ± 127 mm. Ad oggi la società americana Helysys ha in commercio due sistemi LO 1015 e LO 2030, i due sistemi differiscono solamente per il volume di dello spazio di lavoro, che nel caso del LO 2030.

La tecnologia LOM presenta i seguenti vantaggi :

• Ampia varietà di materiali utilizzabili e a basso costo, in linea di princi- pio tutti i materiali che possano presentarsi sotto forma di fogli sottili possono essere applicati a questa tecnica, ad esempio carta, materie plastiche, metalli, materiali compositi e ceramici;

• Velocità, il laser, non dovendo scannerizzare l’intera superficie della sezione, ma solo il perimetro, consente velocità produttive elevate ren- dendo il processo molto vantaggioso nella produzione di pezzi grandi e voluminosi;

• Alta precisione, l’accuratezza che può essere raggiunta con questa tec- nica è nell’ordine del decimo di millimetro;

• Assenza di strutture di supporto, la loro funzione è svolta dagli strati di materiale esterni al pezzo che vengono rimossi solo alla fine. Mentre è caratterizzata dai seguenti svantaggi:

• La costruzione di pezzi con elementi sottili non è consigliata perché la struttura non garantisce una rigidezza adeguata;

• Non è garantita l’integrità del prototipo se sottoposto a sollecitazioni in quanto la struttura è tenuta assieme solo dalla superficie adesiva posta tra gli strati;

• La fase post-processo è impegnativa e molto delicata di tutto il proces- so, è svolta dal personale addetto con gli attrezzi tipici della lavorazione del legno.

Tecnologie di prototipazione rapida che sfruttano materiali in pol- vere come materia prima

1.3.7 3D Printing

Questa tecnologia nasce da un brevetto depositato dal M.I.T. di Boston e successivamente sviluppata e commercializzata dall’azienda Z Corporation fondata nel 1994. Il 3D Printing sfrutta la tecnologia ink-jet per stampare legante liquido su un substrato di polvere polimerica e realizzare layer-by- layer un oggetto 3D.

Questo sistema di prototipazione, come è mostrato in figura 1.17, pre- vede sia un piano porta pezzo sia un piano dispensatore di polvere. Nella prima fase un rullo controrotante provvede ad apportare e livellare un nuovo strato di polvere polimerica fornito dal piano alimentatore; successivamente una testina ink-jet stampa del legante liquido, muovendosi nel piano X Y, nei punti desiderati e fissa tale polvere creando una sezione del prototipo. Terminata la solidificazione della prima sezione, il piano porta pezzo si spo- sta verso il basso e il piano dispensatore di polvere si sposta verso l’alto della

stessa quantità. Questo processo si ripete fino a che non viene creata l’ultima sezione del prototipo.

Figura 1.17: Rappresentazione schematica della tecnologia 3DP In questo processo non è necessario un ulteriore materiale che agisca da supporto in quanto è proprio la rimanente polvere non legata di ciascuna sezione che accumulandosi sostiene la formazione delle sezioni successive.

La rimozione del pezzo avviene aspirando la polvere in eccesso ed esso può subire alcuni post-trattamenti per migliorarne la resistenza meccanica come rivestimento di cera o infiltrazioni con resine o uretano.

La polvere polimerica impiegata nel processo è ABS, ma può essere anche polvere di gesso, di metallo o di ceramica. Inoltre per una stampa eco-friendly si utilizza anche l’amido di mais o il PLA. Mentre il legante è comunemen- te un polimero, più precisamente una resina epossidica ad alta velocità di reticolazione.

Per stampare il liquido legante viene utilizzatala tecnologia "drop on demand" di tipo piezoelettrico e non termico. Infatti nei laboratori del M.I.T. è stato rilevato che una resina eposidica stampata calda impiega più tempo ad asciugarsi che non una resina stampata a temperatura ambiente (la solubilità del solvente presente nella resina è più alta alle alte temperature, in questi casi allora il solvente tende a non evaporare e quindi la resina non reticola). Lo strato di polvere depositato può variare il suo spessore da un minimo di 80 μ m (per una stampa precisa, le velocità si aggirano intorno ai 5mm/h)

ad un massimo di 150 mm. In generale una macchina 3DP con una camera di costruzione che misura 355x457x355 mm, è caratterizzata da uno spessore di strato di 177 mm, da una risoluzione di 508 mm e precisione di ± 127 mm. Attualmente la Z Corporation è stata acquistata dalla 3D System la quale a partire dal 2012 è riuscita a mettere sul mercato macchine per l’applicazione di questa tecnologia con un costo che non supera i 15.000 $. Una di questa è la ZPrinter 150 Z, caratterizzata da 0,1 mm di risoluzione lungo l’asse Z, ed un volume di lavoro di 236x185x127 mm.