Applicazioni dell' additive manufacturing ai materiali biomedici

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Capitolo 1

STATO DELL’ARTE DEI PROCESSI DI RAPID

PROTOTYPING

1 1.1 Introduzione

Dalla fine degli anni ’80, le tecnologie di prototipazione rapida (RP) hanno cambiato l’essenza dello sviluppo del prodotto, degli utensili e della produzione in generale.

La motivazione iniziale della crescita di queste tecnologie fu quella di sostenere lo sviluppo del prodotto, fornendo la possibilità di creare modelli fisici per la validazione di nuovi progetti, in maniera rapida ed a basso costo.

Il termine “prototipazione rapida”, inteso come fabbricazione di solido con forma irregolare (SFF) o come fabbricazione a strati (LM), indica la realizzazione layer-by-layer di prototipi tridimensionali.

1.2 Classificazione dei processi di Rapid Prototyping

Una classificazione dei processi RP, tenendo conto dello stato iniziale del materiale trattato e del principio di stratificazione, è rappresentata in fig.1.

Fig. 1. Classificazio dei processi RP (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.79).

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A causa dell’elevata versatilità delle tecnologie RP, è fondamentale essere consapevoli dei vantaggi e degli svantaggi delle diverse tecnologie, a seconda del campo d’applicazione. La stereolitografia (SLA) è stato il primo processo di Rapid Prototyping utilizzato; nonostante sia ancora oggi molto usato, esistono altre tecnologie sviluppate e consolidate, che comprendono sinterizzazione laser selettiva (SLS), produzione di oggetti laminati (LOM), Fused Deposition Modeling (FDM), 3D printing (3DP) e 3D (quest’ultima risulta essere particolarmente interessante nell’ingegneria tessile).

Una panoramica dei principali materiali impiegati, a seconda della particolare tecnica RP adottata, è illustrata in tab.1.

RP process Materials Max. part size (mm) Dim. accuracy (mm) Market entry Cost/machin e (€) Cost/part SLA Photocurable resins (acrylics and epoxies) 600 × 600 × 500 <0.05 1987 >130 000 Medium SLS Metals, sand, thermoplastics (PA12, PC) 700 × 380 × 550 <0.05–0.1 1991 >150 000 Medium/ high LOM Paper, polymer, metal, ceramic 550 × 800 × 500 00.15 1990 >150 000 Low/ medium FDM Thermoplastic s (ABS, PC) 600 × 500 × 600 00.01 1991 >50 000 Low/ medium 3D Bio-plotting Thermoplastic s, hydrogels, ceramics 150 × 150 × 140 00.01 2001 >150 000 Low/ medium 3DP Thermoplastic s, ceramics, metals 208 × 610 × 406 00.01 1998 >25 000 Low

Tab. 1. Panoramica dei principali materiali impiegati, a seconda della particolare tecnica RP adottata (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.79).

I punti di forza e di debolezza delle diverse tecnologie RP governano la loro idoneità per uno specifico campo di applicazione.

Quando di sceglie un processo RP per una determinata attività di produzione, è importante essere consapevoli delle sue caratteristiche principali e delle sue limitazioni.

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1.3 Tecnologie RP basate sulla fotopolimerizzazione

I processi di fabbricazione generativi basati sulla fotopolimerizzazione di resine liquide rappresentano la piu antica e diffusa tecnologia di Rapid Prototyping, riassunta con la sigla SLA.

Nella tab.2 vengono elencate le principali caratteristiche dei processi RP basati sulla fotopolimerizzazione.

Advantages Disadvantages

• Good surface finish • Support structures needed (support material in polyjet process)

• Complex Geometries possible • Warpage/curl distortion of delicate structures • Good general accuracy • Careful handling of hazardous resins

Typical postprocessing

operations Typical applications

• Postcuring • Concept modeling

• Sanding • Master patterns for molding and casting processes

• Painting • Direct injection mold tooling

• Rapid manufacturing in medical engineering applications (otoplastics, dental technology)

Tab. 2. Sommario delle principali caratteristiche dei processi RP basati sulla fotopolimerizzazione (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.80).

Dai dati riportati in tab.1 si nota che i processi di sinterizzazione laser (SLA e processi ad essi correlati) offrono la massima precisione spaziale con risoluzioni dimensionali inferiori a 50µm. Il parametro che limita la precisione minima è la risoluzione della sorgente

luminosa in caso di SLA e SLM, e la dimensione minima delle gocce nel caso del processo Polyjet.

Attualmente l’attività di ricerca è volta ad ottimizzare il processo di polimerizzazione con un ulteriore miglioramento della precisione di lavorazione; invece, il potenziale di processi basati su polveri, come SLS e 3DP è intrinsecamente limitato dalla dimensione minima

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delle particelle accettabili, e nel caso di processi RP basati su estrusione (FDM

convenzionale e 3D bioplotting), dallo spessore minimo lavorabile del filamento (vedi tab.3).

In generale, una risoluzione insufficiente impone la necessità di un aumento dei costi, poichè richiede più tempo di post-processing (impiegato per ridurre la rugosità superficiale).

• Wide range of materials • Support structures needed (FDM only) • Easy machine handling • Warpage/curl distortion of delicate

structures • Manufacturing of models with

controlled porosity • Poor surface finish/resolution

• Process slow on parts with large mass

Typical postprocessing operations Typical applications

• Sanding • Concept modeling

• Smoothing with solvents • Functional prototyping • Sintering, infiltration (FDMet,

FDC)

• Tissue engineering and organ printing applications

Tab. 3. Sommario delle principali caratteristiche dei processi RP basati sull’estrusione (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.80).

I processi di Rapid Prototyping, basati sulla fotopolimerizzazione, offrono una risoluzione spaziale eccellente e beneficiano della possibilità di realizzare strutture interne complesse, mediante l’impiego di particolari tipi di resine. Tali resine, non polimerizzando all’interno del pezzo, permettono ai progettisti un accesso diretto alle caratteristiche strutturali e a sottosquadri altrimenti impossibili da creare con altri processi di lavorazione (come ad esempio, stampaggio e fresatura).

Tuttavia, i processi di fotopolimerizzazione presentano anche dei problemi, principalmente dovuti alla necessità di strutture di supporto per evitare distorsioni e limitare al minimo le concentrazioni di tensione del materiale solidificato.

La profondità dello strato di resina polimeizzata può essere modificata variando i parametri della potenza del laser o la velocità di scansione.

L’algoritmo che determina il percorso del fascio inflenza notevolmente il processo.

Se il comportamento di assorbimento della resina segue la legge di Lambert e Beer, la relazione tra la profondità di polimerizzazione ( ), l’esposizione ( ), la penetrazione

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( ), e l’esposizione critica necessaria per iniziare la reticolazione della resina ( ) può essere descritta dall’equazione [1]:

Mentre la massima esposizione sulla superficie della resina è correlata con l’intensità del laser ( ) e la velocità di scansione ( ) secondo l’equazione [2]:

Una profondità di polimerizzazione adeguata supera moderatamente lo spessore previsto al fine di consentire l’adesione tra strati adiacenti senza diminuire sinificativamente la risoluzione verticale.

Dopo la polimerizzazione completa di uno strato, nel tino riempito di resina, il modello solidale alla piattaforma di sostegno è verticalmente abbassato di una lunghezza pari ad uno spessore, compresa tra i 30 µm e i 100 µm.

In parallelo, la superficie del modello viene inumidita con un liquido per aiutare la lama nel processo di pulitura prima della scansione laser del processo successivo.

Il processo viene ripetuto fino a quando non è possibile sollevare il modello fuori dalla vasca di resina.

Nella fig.2 viene illustrato il processo SLA.

Fig.2. Schema illustrativo del processo SLA. (1) Tino riempito di resina fotopolimerizzabile;

(2) Piattaforma di sostegno con movimentazione verticale; (3) Laser a ; (4) Sistema ottico che consente la scansione laser della superfcie della resina; (5) Lama di pulitura con movimento orizzontale

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1.3.1 Selective laser melting (SLM)

Rispetto a SLA convenzionale, il processo SLM (fig.3) prevede che la resina polimerizzabile venga trattata dal basso attraverso un tino di vetro e che venga impiegata una lampada a vapori di mercurio come fonte di luce. Con l’ausilio della tecnologia digitale di elaborazione luce (DLP), la luce emessa è riflessa selettivamente e guidata da un gran numero di piccoli specchi (con dimensioni dell’ordine del µm). Ogni specchio può essere azionato singolarmente da piezoelettrici, per illuminare una posizione specifica (voxel) alla base del tino, permettendo così all’operatore di adattare l’esposizione di ogni singolo voxel in base alle proprie esigenze e al tipo di resina.

L’uso della tecnologia DLP permette la polimerizzazione di un intero strato alla volta, eliminando così la pianificazione del percorso del laser.

Fig.3. Schema illustrativo del processo SLM. (1) Tino di vetro riempito di resina fotopolimerizzabile; (2) Lampada a vapore di mercurio; (3) DLP chip; (4) Piattaforma di sostegno con movimento verticale; (5)

Dispositivo di ribaltamento che consente di separare facilmente gli strati induriti (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.82).

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1.3.2 SLM e SLA a confronto

Confrontando la trasformazione SLM al trattamento convenzionale SLA, le diverse condizioni di generazione del modello danno luogo a vantagi e svantaggi.

L’operazione di indurimento laminare che si ha con SLM consente una elaborazione relativamente più rapida di modelli con corpi voluminosi.

Poichè la resina è situata tra il fondo del tino e il modello in costruzione (geometria della superficie vincolata) durante la lavorazione SLM, il restringimento è fortemente ostacolato e i fenomeni di distorsione che si verificano durante la polimerizzazione sono ben maggiori rispetto a quelli presenti in modelli ottenuti con la lavorazione SLA, dove la geometria della superficie non è vincolata.

Con la tecnica SLM, la dimensione del modello è limitata dal range di movimentazione verticale della piattaforma o dal peso del modello, che non può superare la sua forza di adesione alla piattaforma.

Nonostante le differenze nella procedura effettiva di fabbricazione, la pre-elaborazione dei dati e la post-elaborazione dei pezzi prodotti, i processi di SLA e SLM sono quasi identici.

1.3.3 Processo POLYJET

Il processo POLYJET, affacciatosi sul mercato nel 2001, fonde la tecnica di 3D printing con quella di SLA e SLM. Come nel 3DP, gli strati sono stampati in sequenza su una piattaforma a scorrimento verticale, mediante l’impiego di una stampante a getto d’inchiostro.

Come mostrato in fig.4, il processo si basa sulla deposizione di strati liquidi di fotopolimeri sensibili ai raggi ultravioletti e successivamente cristallizzati attraverso l’uso di potenti lampade UV. Strato per strato, il processo si ripete fino alla conclusione dell’oggetto. Una volta terminata la stampa, avviene la rimozione dei supporti.

Mediante l’impiego di questa tecnica, si possono ottenere risoluzioni molto spinte, con superfici aventi rugosità variabile dai 2-3 µm ai circa 15 µm, consentendo l’assenza di trattamenti post-stampa.2

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Fig.4. Schema illustrativo del processo SLM. (1) Piattaforma di sostegno con movimentazione verticale; (2) Testina a getto multiplo d’inchiostro per la deposizione di (3) resina e (4) materiale di

supporto; (5) Fonti di luce UV integrate nella testina ink-jet (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.82).

1.3.4 Resine impiegate per le lavorazioni RP basate su fotopolimerizzazione

Processi di lavorazione che prevedono l’impiego di tecniche SLA, SLM e Polyjet prediligono resine a bassa viscosità, al fine di garantire un’adeguata lubrificazione tra i vari strati adiacenti; inoltre è garantito il drenaggio della resina liquida presente nelle zone cave di un prototipo.

La resina impiegata deve avere elevata fotosensibilità, solidificando in maniera rapida per evitare problemi di deformazione o distorsione.

Fino al 1990 venivano impiegati materiali acrilici in fase di polimerizzazione radicale oppure resine epossidiche (oligomeri polifunzionali, diluenti reattivi, un fotoiniziatore e altri composti opzionali), secondo un meccanismo cationico durante la polimerizzazione. Le resine a base acrilica offrono velocità di reazione superiori rispetto alle resine epossidiche: l’elevata rapidità d’indurimento provoca, però, distorsioni.

D’altronde, le resine a base epossidica reagiscono solo lentamente, compromettendo così l’efficienza del processo.

Nonostante i rispettivi svantaggi, entrambe le classi di resine sono ancora in uso in molte applicazioni odierne cercando di migliorare il prodotto ottimizzando i parametri di processo, le composizioni della resina (resine composite), e meccanismi di polimerizzazione coinvolti.

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1.4 Processi di Rapid Prototyping basati su estrusione

Il primo processo RP basato sulla depisizione di materiali fusi o semi-fusi era la tecnica di Fused Deposition Modeling (FDM), introdotta sul mercato da Stratasys Inc. Nel 1991. La somiglianza tra FDM e la modellazione multijet (MJM) risiede nella trasformazione di materiali termoplastici fusi che, nel caso di MJM, si depositano in forma di goccioline da un sistema ink-jet temperato.

Il principio comune tra FDM e 3D bioplotting è la deposizione dei filamenti secondo i dati CAD. La solidificazione può verificarsi a seguito di diversi percorsi.

Nelle lavorazioni termoplastiche, il materiale fuso depositato raffredda sotto la rispettiva temperatura del punto di fusione o di transizione vetrosa. L’adesione tra filamenti adiacenti è disciplinata dalla interdiffusione delle cate polimeriche sull’interfaccia, con conseguente relativamente bassa resistenza del materiale del modello.

La tecnica FDM e relativi processi consentono l’elaborazione di una più ampia gamma di materiali rispetto a qualsiasi altro gruppo di processi RP.

Contrariamente ai materiali in resina impiegati nelle lavorazioni di SLA, SLM ed elaborazione Polyjet, qualsiasi materiale liquido può essere trattato, purchè i parametri reologici rispondano alle esigenze dell’operazione di deposizione. Questo include termoplastici previsti per le parti utili all’utente finale (materiali funzionali), polimeri bioriassorbibili e idrogel impiegati in campo medico, nell’ingegneria dei tessuti e nella stampa di organi.

Oltre ai materiali polimerici, le macchine FDM consentono sia la produzione di modelli in ceramica, comunemente indicata come deposizione fusa di ceramica (FDC), sia di parti metalliche (FDMets).

La natura relativamente semplice di generazione di uno strato facilita l’utilizzo di più materiali per la procedura di costruzione; il numero di materiali in uso dipende principalmente dal numero di ugelli impiegati per la loro deposizione. In questo modo, il materiale del modello e il materiale di supporto vengono trattati simultaneamente.

Infine, la regolazione della densità e della porosità del modello è fondamentale nelle applicazioni di ingegneria tissutale.

Nonostante i loro numerosi vantaggi, FDM e 3D bioplotting condividono debolezze reciproche. In entrambi i casi, la risoluzione spaziale è limitata dal diametro minimo del filo necessario per garantire un funzionamento ottimale, senza avulsione del filamento depositato.

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Altri parametri importanti da tenere in considerazione per ottenere una produzione di successo con precisione accettabile sono: le proprietà reologiche del materiale fuso, il flusso di eluizione3 e la velocità di movimento dell’ugello.

Il campo di risoluzione tipica è fino ad un minimo di 100 µm (vedi tab.1), ciò comporta l’obbligo di operazioni di post-processing al fine di produrre superfici sufficientemente liscie.

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Eluizione (o eluzione) = processo chimico volto a riportare in soluzione una sostanza trattenuta da una sostanza adsorbente (per esempio caolino, carbone attivo, ossido di alluminio, resine a scambio ionico) attuato lavandola con un solvente.

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1.4.1 Fused Deposition Modeling (FDM)

Il materiale del modello e il materiale di supporto sono alimentati nella macchina sotto forma di filamenti arrotolati. Essi vengono depositati sulla piattaforma mediante spostamento orizzontale del gruppo erogatore, secondo i contorni degli strati definiti nel modello CAD; i filamenti sono fusi in prossimità della temperatura di fusione del materiale.

Dopo il completamento della deposizione, la piattaforma di supporto si abbassa di una quantità pari ad uno spessore per consentire la solidificazione degli strati successivi.

La direzione e il percorso di deposizione influenza le proprietà del modello, come ad esempio la rugosità superficiale, l’anisotropia delle proprietà meccaniche e la durata della procedura di costruzione.

Il principio di funzionamento relativamente semplice ha reso la tecnologia FDM molto versatile e fonte di ispirazione di nuove tecnologie come 3D bioplotting e processi di Rapid Prototyping non commerciali, tra cui progetti come RepRap o Fab@home.

Per avere una idea più chiara del principio di funzionamento, uno schema illustrativo è fornito nella fig.5

Fig.5. Schema illustrativo del processo FDM. (1) Piattaforma di sostegno con movimentazione verticale; (2) Unità riscaldata dotata di ugelli usata per la deposizione del (3) materiale del modello e

del (4) materiale di supporto; (5) Bobina carica di materiale filamentoso (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.86).

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1.4.2 3D bioplotting

Il processo 3D bioplotting è stato sviluppato presso il Materials Research Center Freiburg nel 1999. Il processo di deposizione è molto simile a quello del processo FDM (vedi fig.6). Tuttavia è possibile impiegare una più vasta gamma di materiali termoplastici, non avendo la necessità di prefabbricare i filamenti.

Polveri e pellets di termoplastici sono alimetati in una cartilagine riscaldata munita di un ugello, fondendo così i materiali prima della loro deposizione sulla piattaforma di supporto.

Il gruppo erogatore può essere spostato orizzontalmente e verticalmente secondo i dati CAD. La pressione necessaria per l’estrusione di materiali viscosi viene applicata per mezzo di aria compressa o gas inerte. La deposizione del materiale avviene seguendo percorsi definiti dall’utente e l’ugello di deposizione viene spostato verso l’alto di una quantità pari ad uno spessore, per poter passare allo strato successivo.

Fig.6. Schema illustrativo del processo 3D plotting. (1) Piattaforma di sostegno plottante; (2) Ugello temperato per la fuoriuscita e la deposizione del filo; (3) gruppo erogatore riscaldato dotato di

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1.4.3 Materiali impiegati nei processi FDM

In linea di principio, ogni polimero termoplastico può essere trattato nelle lavorazioni FDM, purchè si formino i filamenti.

I materiali impiegati comprendono polimeri ad alta resistenza del gruppo dei poliammidi (PA), il copolimero di acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) e policarbonato (PC).

Un effetto interessante, derivante dalla capacità dei processi FDM di variare il divario tra filamenti adiacenti, è la possibilità di modificare le proprietà meccaniche variando lo stile di costruzione, invece di cambiare il materiale (strutture a porosità controllata).

Nei processi RP basati su estrusione o stampa a getto d’inchiostro, la modifica con cariche inorganiche provoca il rischio di usura dell’utensile, accelerata a causa degli effetti abrasivi.

Aumentando il contenuto di polvere di ferro è possibile aumentare la conducibiltà termica o variare la temperatura di transizione vetrosa di materiali composti, migliorando così l’idoneità del materiale impiegato nello stampaggio ad iniezione.

Il miglioramento della finitura superficiale e l’integrità strutturale delle parti rappresentano i compiti più importanti.

Per ottenere i necessari miglioramenti nelle proprietà meccaniche, uno degli approcci usati è quello di Zhong et al., che prevede l’impiego di ABS con fibre di vetro corte e polietilene a bassa densità (LLDPE). L’incorporazione del riempitivo organico serve a migliorare la resistenza del materiale composito ed a diminuire le tensioni interne e le distorsioni dovute alla riduzione del coefficiente di espansione termica. Allo stesso tempo, la tempra della gomma con LLDPE e un agente compatibilizzante adatto compensa la diminuzione della flessibilità e la durezza causata dalle fibre di vetro.

Un altro approccio interessante per migliorare le proprietà meccaniche dei materiali FDM è presentato da Gray et al., il quale ha sviluppato un materiale composito costituito da polipropilene (80 wt.%) ed un polimero cristallino liquido termotropico (20 wt.%).

Il composito può essere lavorato dalle macchine FDM convenzionali e mostra proprietà meccaniche significativamente superiori rispetto ai materiali disponibili in commercio, quali ABS.

La preparazione di filamenti di materie prime comporta un elaborato processo di dual-estrusione.

La maggior parte delle pubblicazioni che parlano di materiali e applicazioni innovative per FDM si riferiscono ad un background medico, per lo più volto allo sviluppo e alla ricerca di nuovi materiali per l’ingegneria tessile e la stampa di organi. In questo ambito, materiali

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riassorbibili, poliesteri alifatici come l’acido polilattico (PLA) e poli-ɛ-caprolattone (PCL) rappresentano la classe di materiali più ricercati.

Il PCL gode di elevata importanza nel campo tessile, inoltre viene impiegato sia come materiale puro che come composito contenete varie ceramiche in forma di microparticelle. L’incorporazione di particelle ceramiche di fosfato di calcio comporta un forte effetto osteoconduttivo in contatto con le cellule osteogeniche, promuovendo così alti tassi di adesione cellulare, la proliferazione e la differenziazione in sostituzione ossea.

Al fine di ridurre il rischio di infiammazioni a causa di infezioni del sito di impianto, i compositi possono essere modificati con agenti antibatterici.

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1.4.4 Materiali impiegati nei processi 3D bioplotting

Tra le tecniche RP, il processo di 3D bioplotting è del tutto eccezionale per la sua vastissima scelta di materiali che vanno dai polimeri alla ceramica e comprendo anche una vasta gamma di materiali funzionali.

Una panoramica generale dei materiali impiegati in questo tipo di processo è illustrata in fig.7.

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1.5 Processi di Rapid Prototyping basati su polveri

Negli ultimi due decenni, si sono sviluppati due processi RP basati sull’impiego di polveri: SLS e 3D printing.

Vantaggi, svantaggi e principali caratteristiche dei due metodi sono elencati in tab.4 e tab.5.

• No postcuring needed • Poor surface finish/resolution • Wide range of materials including

functional polymeric materials, metals, and ceramics

• Machines require long time for heating up and cooling down

• No support structures necessary • Significant part warpage (especially for crystalline materials)

• Not suited for office environments

• Infiltration with polymeric resins • Functional prototyping • Sintering, isostatic pressing, infiltration

with low melting alloys or ceramic precursors (metal parts, ceramics, and

composites)

• Fabrication of metal parts for tooling applications

• Fabrication of advanced ceramic parts

• Tissue engineering applications

Tab. 4. Sommario delle principali caratteristiche dei processi SLS (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.90).

• Comparatively inexpensive equipment • Green parts are fragile and require infiltration • Wide range of inexpensive raw materials • Poor surface finish/resolution

• Easy machine handling • Short build times • No support structures needed

• Infiltration with polymeric resins • Concept modeling • Sintering, isostatic pressing, infiltration

with low melting alloys or ceramic precursors (metal parts, ceramics, and

composites)

• Fabrication of metal parts for tooling applications

• Fabrication of advanced ceramic parts • Tissue engineering applications

Tab. 5. Sommario delle principali caratteristiche dei processi 3D printing (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.90).

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1.5.1 3D Printing

Il 3D printing è stato sviluppato presso il Massachusetts Institute of Technology nel 1986; nel corso degli anni il 3DP ha trovato larga applicazione, crescendo ed evolvendosi fino a diventare uno dei sitemi RP più venduti sul mercato.

Il suo principio di funzionamento è illustrato in fig.8.

Fig.8. Schema illustrativo del processo 3D printing. (1) Piattaforma di sostegno con movimentazione verticale; (2) Letto in polvere con modello incorporato; (3) Unità di distribuzione polvere;

(GURR-MÜLHAUPT 2012, p.92).

I componenti principali della macchina sono una piattaforma di sostegno con movimentazione verticale, un’unità di distribuzione della polvere e una testina a getto d’inchiostro con flusso regolato secondo i dati CAD.

Per la formazione del primo strato di solidificazione, una percentuale adeguata di polvere viene rilasciata e distribuita uniformemente spostando il dosatore di polvere parallelamente alla piattaforma.

Nella fase successiva del ciclo, la testina a geto d’inchiostro viaggia attraverso lo strato di polvere, depositando inchiostro per consentire l’incollaggio delle particelle che andranno a formare lo strato solidificato del modello. Appena terminato il processo a getto d’inchiostro, la piattaforma di sostegno viene spostata verso il basso di una quantità pari ad uno spessore, per consentire la solidificazione sequenziale di ulteriori strati fino al completamento del modello.

Alcune particelle di polvere disciolta rimangono sulla piattaforma di sostegno al fine di supportare il modello fino alla fine del processo.

Al termine del processo, il modello ottenuto è ripulito con aria compressa dalle particelle di polvere in eccesso, così da essere pronto per ulteriori operazioni di post-processing.

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1.5.2 Selective Laser Sintering e laser sintering

Il processo SLS è stato sviluppato presso l’Università del Texas nel 1986. Oggi esistono due principali fornitori di attrezzature per processi di sinterizzazione laser: 3D Systems Inc. E EOS GmbH.

I componenti principali di queste macchine RP comprendono elementi noti sia da 3DP (deposizione di polvere) sia da SLA (scansione laser a strati del modello). Tuttavia, le procedure di fabbricazione SLS sono condotte a temperature elevate, poco inferiori al punto di rammollimento del materiale, al fine di diminuire i tempi di lavorazione, ridurre le tensioni interne indotte termicamente e le distorsioni sviluppate durante la solidificazione a strati.

Il principio di funzionamento della prototipazione SLS è illustrato in fig.9.

Fig.9. Schema illustrativo del processo SLS. (1) Piattaforma di sostegno con movimentazione verticale; (2) Deposito polvere; (3) Unità di distribuzione polvere (rullo); (4) Laser a ; (5) Sistema ottico che

consente al raggio laser di raggiungere lo strato superficiale di polvere (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.93).

Inizialmente uno strato di polvere viene applicato, mediante un rullo, alla piattaforma di sostegno; successivamente, lo strato di polvere depositato viene solidificato mediante la scansione della superficie di polvere con un fascio laser (focalizzato secondo i dati CAD). La potenza del laser, la velocità di scansione e il percorso possono essere variati per regolare l’assorbimento di energia termica al fine di ottimizzare la solidificazione dello strato precedente, favorendo l’adesione di quello successivo.

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Dopo il completamento della fase di sinterizzazione, la piattaforma di sostegno si abbassa di una quantità pari ad uno spessore, in modo da ripetere il ciclo di deposizione e solidificazione fino alla fine del processo di fabbricazione.

Particelle di polvere non sinterizzate rimangono sulla piattaforma di sostegno per essere usate come materiale di supporto e possono essere riciclate per le successive procedure di costruzione.

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1.5.3 Materiali impiegati nei processi di Rapid Prototyping a base di polveri

Una panoramica generale dei principali materiali usati nei processi 3D printing e SLS è illustrata in fig.10 e fig11.

Fig.10. Classificazione delle combinazioni polvere/inchiostro per l’elaborazione 3DP (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.93).

Fig.11. Classificazione delle polveri impiegate nei processi SLS (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.94).

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1.6 Laminated Objet Manifacturing (LOM)

Il processo di lavorazione LOM può essere considerato una tecnologia ibrida, ponendosi a metà strada tra i processi additivi e sottrattitvi.

La procedura di lavorazione consiste nella laminazione sequenziale di fogli 2D, ciascuno dei quali viene successivamente tagliato secondo i contorni dell’oggetto acquistiti tramite i dati CAD.

Tale processo permette la produzione di modelli di grandi dimensioni a basso costo; mentre risulta problematica la costruzione di strutture a sbalzo, dal momento che il materiale in eccesso, che fuoriesce dai bordi, non viene tolto fine alla fine del processo, al fine di supportare parti delicate.

Nonostante il materiale in eccesso venga preventicamente tagliato in sezioni più piccole, l’operazione di rimozione può risultare noiosa.

Il processo LOM non è in grado di produrre geometrie con sottosquadri complessi o strutture cave, a meno che il processo non venga interrotto per la rimozione del materiale interno in eccesso.

A differenza degli altri processi RP, la qualità superficiale e la precisione dimensionale risultano scarse, perciò risultano necessarie operazioni manuali di post-processing come la sabbiatura. Inoltre, la resistenza meccanica dei modelli ottenuti risulta essere inferiore a quella ottenuta con altri processi.

Nella tab.6, vengono elencate le principali caratteristiche delle tecniche LOM.

• Quick and inexpensive manufacturing of large parts

• Delicate wood-like parts often with insufficient strength, wooden part absorb moisture

• No support material needed • Poor surface finish

• Breaking out of parts difficult

• Difficulties with internal structures and undercuts

Typical postprocessing operations: Typical applications:

• Sanding, drilling and tapping of wood-like parts

• Concept modeling • Sealing, painting • Functional prototyping • Pyrolysis, infiltration with low melting

alloys or ceramic precursors

• Fabrication of metal, ceramic, and composite parts

Tab. 6. Sommario delle principali caratteristiche dei processi LOM (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.96).

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Il processo di fabbricazione LOM è illustrato in maniera schematica in fig.12:

Fig.12. Schema illustrativo dei processi LOM: (1) Piattaforma di sostegno con movimentazione verticale; (2) Materia prima, materiale del modello; (3) Materiale residuo; (4) Rullo riscaldato con movimentazione orizzontale per la laminazione; (5) Laser a (GURR-MÜLHAUPT 2012, p.94).

Nelle operazioni LOM, il materiale del modello è adagiato su fogli di carta cosparsi preventivamente di uno strato sottile di materiale adesivo.

Il materiale che si ottiene dopo la lavorazione ha caratteristiche simili al legno, tra cui le proprietà di incollaggio, di sostegno e di assorbimento dell’umidità; ciò comporta imprecisioni dimensionali in direzione z, a causa del rigonfiamento.

Nella fase iniziale del processo, il materiale del modello viene “sbobinato” e trasportato sulla piattaforma di sostegno (con il lato adesivo orientato verso il basso).

Lo stato di materiale appena applicato viene laminato grazie ad un rullo riscaldato con movimento in direzione orizzontale.

Il processo di laminazione può variare, a seconda delle esigenze dell’utente, modificando i parametri della temperatura del rullo, velocità e pressione.

Una volta solidificato lo strato solidale alla piattaforma, essa viene abbassata di una quantità pari ad uno spessore e il processo viene ripetuto fino al completamento del pezzo. Inoltre, le parti dell’ “involucro di costruzione”, che non costituiscono parti del modello, vengono tagliate in piccoli cubi (Cubic Technologies), facilitando il rilascio del modello ottenuto al termine della procedura

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1.6.1 Materiali impiegati nei processi di lavorazione LOM

Come detto precedentemente, il materiale principale è costituito da fogli di carta e il modello ottenuto alla fine della lavorazione ha caratteristiche simili al legno.

Negli ultimi anni, la gamma di materiali impiegati è notevolemte aumentata, comprendendo polimeri (materiali termoplastici), metalli e ceramiche.

Impiegando un materiale termoplastico per la produzione del modello, necessario regolare i parametri di lavorazione per permettere l’adeguata adesione tra i vari strati; ciò comporta tensioni interne e distorsioni.

I metalli, invece, possono essere inseriti nel processo LOM anche manualmente, compromettendo, però, la qualità della superficie. In questo processo, l’impulso laser è impiegato sia per il taglio dei contorni dello strato, sia per favorire l’incollaggio degli strati adiacenti.

Per quanto riguarda la produzione di oggetti in ceramica mediante processi LOM, vengono impiegati dei nastri contenti particelle finissime di ceramica e leganti polimerici (come ad esempi PVA e polietilene a bassa densità).

1.7 Approfondimento sui processi di Rapid Prototyping basati

sull’impiego di polveri e presentazione di alcune soluzioni progettuali

adottabili

I processi RP che impiegano polvere in forma di granuli di piccole dimensioni sono principalmente le lavorazioni SLS (Laser Sintering), SLA (stereolitografia) e FDM (Fused Deposition Modeling). Le macchine di prototipazione rapida hanno dimostrato, fino ad oggi, di avere un’elevata flessibilità in termini di geometrie sempre più complesse unitamente all’esigenza di eseguire il processo in tempi sempre più brevi. Nonostante ciò, al termine della lavorazione spesso è richiesto l’impiego di manodopera per la movimentazione del prototipo, per migliorare la finitura superficiale e per togliere la polvere non lavorata, rimasta intrappolata nei sottosquadri e nelle sezioni più piccole. Per diminuire il più possibile il tempo per tutte le operazioni di post-processo, potrebbe essere impiegato un braccio robotizzato, appositamente programmato, per svolgere sia le operazioni di costruzione del prototipo, sia le operazioni di rifinitura e di pulizia del modello.

Dal momento che un braccio robotizzato può avere una gamma di movimenti maggiore rispetto a quella di un braccio umano, la pulizia del prototipo nelle zone più piccole e nascoste non

(27)

27

rappresenta un problema. Celle di lavorazione di questo tipo sono definite FRPCs (Flexible Rapid Prototyping Cells).

1.7.1 Alcuni aspetti fondamentali riguardanti la fase di post-processo

Nei processi SLS, oltre ad essere garantita la rapidità della lavorazione, devono essere tenuti in considerazioni alcuni particolari aspetti della fase di post-processo:

• Eliminazione dei residui di polvere dal prototipo, che possono essere riciclati e riutilizzati per lavorazioni successive.

• Movimentazione del modello dalla macchina SLS alla stazione RBO • Precisione ed elevata accuratezza nei processi di finitura superficiale

1.7.1.1 Strutture di sostegno e di movimentazione

Alla fine del processo di lavorazione, il prototipo deve essere trasferito dalla stazionie SLS alla stazione RBO (Rough Break Out), dove viene pulito da tutta la polvere residua sulla superficie, mediante un processo di sabbiatura. La pulizia di zone di difficile accesso è effettuata manualmente. Successivamente il modello, generalmente, viene immerso in una soluzione di resina polimerica e poi asciugato.

Ottenere uno spostamento automatico del pezzo dalla stazione SLS a quella RBO, apparentemente non rappresenterebbe un problema, se non per le grandi complicazioni dovute alla perdita delle coordinate del pezzo lavorato nella macchina SLS. Se il prototipo, al termine delle operazioni di post-processo, dovesse tornare nuovamente alla stazione SLS per essere ulteriormente lavorato, non sarebbe più possibile utilizzare le precedenti coordinate di lavorazione, a causa dello spostamento relativo alla piattaforma di sostegno (dove è appoggiato il pezzo) e le coordinate spaziali impostate sulla macchina per le lavorazioni.

Molte macchine odierne (SLA e FDM), per ovviare al problema della perdita di coordinate, sono dotate di un sistema di supporto per fissare le parti del modello alla piattaforma di costruzione, mantenendo così la posizione e l’orientamento rispetto alla pattaforma.

Nei processi SLS, invece, i supporti potrebbero non essere richiesti, perchè si può risalire alla posizione del pezzo osservando la polvere residua depositata sulla superficie della piattaforma di sostegno; tuttavia, per risalire alla precisa posizione e orientazione del pezzo, sarebbero necessari sofisticati sistemi di rilevazione e controllo, che non garantirebbero comunque un accettabile grado di accuratezza.

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Nei processi SLA e FDM il principale ruolo dei supporti è quello di mantenere la posizione durante il processo di costruzione, prevenendo il collasso del modello; mentre nei processi SLS FRPC avrebbero lo scopo di mantenere la posizione rela

solleva o abbassa la piattaforma di sostegno), garantendo, inoltre, un valido appoggio che il braccio del robot può sfruttare per afferrare saldamente il prototipo.

Un esempio di sistema di fissaggio

Fig.13.a: Rappresentazione del sistema di sostegno ed impugnatura della piattaforma Fig.13b: foto dell’apparecchio di sostegno installato all’interno della macchina SLS

Prima di iniziare a costruire il modello, all’interno della macchina viene installato il sistema di fissaggio. L’inclinazione e la planarità della piattaforma e l’altezza del pistone devono essere regolate con precisione, così da far aderire perfettamente il pri

superficie a contatto della piattaforma di costruzione, in relazione all’intensità del fascio laser. Nella fig.14 vengono schematizzati i passaggi fatti per regolare l’altezz

sostegno e successiva creazione del prototipo.

Fig.14a Fig.14b Fig.14 Successione dei passaggi e

Inizialmente il pistone è abbassato, facendo così scendere la piattaforma di costruzione all’interno della camera di costruzione; successivamente la camera la camera viene riempita di polvere e si

4

v. LAI-GIBSON 2000

Nei processi SLA e FDM il principale ruolo dei supporti è quello di mantenere la posizione durante il processo di costruzione, prevenendo il collasso del modello; mentre nei processi SLS FRPC avrebbero lo scopo di mantenere la posizione relativa e l’orientamento rispetto al pistone (che solleva o abbassa la piattaforma di sostegno), garantendo, inoltre, un valido appoggio che il braccio del robot può sfruttare per afferrare saldamente il prototipo.

Un esempio di sistema di fissaggio, adottato da Lai and Gibson4, è rappresentato in fig.13:

Rappresentazione del sistema di sostegno ed impugnatura della piattaforma foto dell’apparecchio di sostegno installato all’interno della macchina SLS

(LAI - GIBSON 2000, p.277).

di iniziare a costruire il modello, all’interno della macchina viene installato il sistema di fissaggio. L’inclinazione e la planarità della piattaforma e l’altezza del pistone devono essere regolate con precisione, così da far aderire perfettamente il primo strato del modello con la superficie a contatto della piattaforma di costruzione, in relazione all’intensità del fascio laser.

engono schematizzati i passaggi fatti per regolare l’altezza della piattaforma di creazione del prototipo.

Fig.14b Fig.14c Fig.14d

Fig.14 Successione dei passaggi effettuati per regolare l’altezza della piattaforma e creazione del prototipo (LAI - GIBSON 2000, p.278).

28

Nei processi SLA e FDM il principale ruolo dei supporti è quello di mantenere la posizione durante il processo di costruzione, prevenendo il collasso del modello; mentre nei processi SLS FRPC

tiva e l’orientamento rispetto al pistone (che solleva o abbassa la piattaforma di sostegno), garantendo, inoltre, un valido appoggio che il braccio

è rappresentato in fig.13:

Rappresentazione del sistema di sostegno ed impugnatura della piattaforma foto dell’apparecchio di sostegno installato all’interno della macchina SLS

di iniziare a costruire il modello, all’interno della macchina viene installato il sistema di fissaggio. L’inclinazione e la planarità della piattaforma e l’altezza del pistone devono essere

mo strato del modello con la superficie a contatto della piattaforma di costruzione, in relazione all’intensità del fascio laser.

a della piattaforma di

Fig.14d Fig.14e

regolare l’altezza della piattaforma e creazione del

(29)

controlla lo spessore dello strato sopra la piattaforma. A prototipo inizia.

1.7.1.2 Eliminazione delle polveri residue

Vari metodi potrebbero essere impiegati nelle celle maggior quantità possibile di polvere

L’installazione di un sistema di aspirazione

velocemente la piattaforma) sono tra le possibili alternative di scelta valide per riuscire a ripulire al meglio il modello; utilizzando uno

richiesto, si ridurrebbe al minimo l’impiego di Il problema principale, sarebbe quello di ridisegnare

da non far contaminare le parti elettriche e le parti delicate durante il processo di aspirazione delle polveri. Con questo metodo, sarebbe possibile recuperare fino all’ 80% delle polveri residue.

Nella fig.15 sono rappresentate due possibili soluzioni proge costruzione, in relazione alla disposizione dei

Fig.15a Fig.15b Fig.15c

Fig.15 Possibili soluzioni adottabili per l’installazione dei tubi collegati al sistema di aspirazione

Nella soluzione rappresentata nelle

circondare interamente il cilindro della camera di costruzione e seguire il movimento verticale del pistone nel processo di crescita del modello; i tubi sono collegati a filtri e ad un dispositivo di aspirazione. Adottando, però, questa soluzione (con i tubi di aspirazione disposti in maniera perpendicolare alla piattaforma di costruzione)

caso di guasto, manutenzione, o semplice controllo.

Nella fig.15c, viene rappresentata una possibile soluzione di rivisitazione progettuale della camera di costruzione. Viene impiegato uno “shell” trasparente, collegato con tubi disposti in maniera radiale, disposti lungo il piano di giacitura della piattaforma di costruzione,

sistema di aspirazione.

controlla lo spessore dello strato sopra la piattaforma. A questo punto il processo di costruzione del

Eliminazione delle polveri residue

potrebbero essere impiegati nelle celle flessibili di lavorazioni maggior quantità possibile di polvere, non lavorata durante il processo.

sistema di aspirazione e l’impiego della forza centrifuga

velocemente la piattaforma) sono tra le possibili alternative di scelta valide per riuscire a ripulire al uno o entrambi i tipi di approcci, a seconda del tipo di prototipo al minimo l’impiego di manodopera per la pulizia del modello.

Il problema principale, sarebbe quello di ridisegnare e riprogettare la camera di costruzione in modo non far contaminare le parti elettriche e le parti delicate durante il processo di aspirazione delle polveri. Con questo metodo, sarebbe possibile recuperare fino all’ 80% delle polveri residue.

Nella fig.15 sono rappresentate due possibili soluzioni progettuali per ridisegnare la camera di alla disposizione dei tubi del sistema di aspirazione.

Fig.15a Fig.15b Fig.15c

Possibili soluzioni adottabili per l’installazione dei tubi collegati al sistema di aspirazione (LAI - GIBSON 2000, p.278).

nelle fig.15a e fig.15b, si nota che i tubi sono progettati per circondare interamente il cilindro della camera di costruzione e seguire il movimento verticale del pistone nel processo di crescita del modello; i tubi sono collegati a filtri e ad un dispositivo di ando, però, questa soluzione (con i tubi di aspirazione disposti in maniera perpendicolare alla piattaforma di costruzione) risulterebbe problematico agire sulle attrezzature

manutenzione, o semplice controllo.

resentata una possibile soluzione di rivisitazione progettuale della camera di costruzione. Viene impiegato uno “shell” trasparente, collegato con tubi disposti in maniera

disposti lungo il piano di giacitura della piattaforma di costruzione,

29

questo punto il processo di costruzione del

flessibili di lavorazioni per rimuovere la

forza centrifuga (facendo ruotare velocemente la piattaforma) sono tra le possibili alternative di scelta valide per riuscire a ripulire al entrambi i tipi di approcci, a seconda del tipo di prototipo

manodopera per la pulizia del modello.

e riprogettare la camera di costruzione in modo non far contaminare le parti elettriche e le parti delicate durante il processo di aspirazione delle polveri. Con questo metodo, sarebbe possibile recuperare fino all’ 80% delle polveri residue.

ttuali per ridisegnare la camera di

Fig.15a Fig.15b Fig.15c Possibili soluzioni adottabili per l’installazione dei tubi collegati al sistema di aspirazione

i nota che i tubi sono progettati per circondare interamente il cilindro della camera di costruzione e seguire il movimento verticale del pistone nel processo di crescita del modello; i tubi sono collegati a filtri e ad un dispositivo di ando, però, questa soluzione (con i tubi di aspirazione disposti in maniera risulterebbe problematico agire sulle attrezzature in

resentata una possibile soluzione di rivisitazione progettuale della camera di costruzione. Viene impiegato uno “shell” trasparente, collegato con tubi disposti in maniera collegati all’esterno al

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Il problema della contaminazione di polveri nelle tubazioni è risolto impiegando diversi tipi di filtri nei diversi tubi di aspirazione, potendo così selezionare i diversi granuli di polvere, a seconda del loro diametro.

Ovviamente si creeranno degli accumuli di polvere in prossimità della superficie delle pareti; per ripulire adeguatamente il prototipo potrebbe essere impiegato un utensile per la

le direzioni, oppure potrebbe essere installato sul robot un La soluzione presentata dai Lai and Gibson

soluzione illustrata nel brevetto (del 2005 e vedere come inserire nelle note!)

Nella fig.16 è rappresentato il diagramma di flusso del processo di stampa di una macchina a prototipazione rapida, dove viene impiegato un rullo per far depositare la polv

strato, deve essere solidificata fino al completamento del model

Fig.16 Diagramma di flusso del processo di stampa di una macchina a prototipazione rapida, dove viene impiegato un rullo per far depositare la polvere

Il problema della contaminazione di polveri nelle tubazioni è risolto impiegando diversi tipi di filtri nei diversi tubi di aspirazione, potendo così selezionare i diversi granuli di polvere, a seconda del

Ovviamente si creeranno degli accumuli di polvere in prossimità della superficie delle pareti; per ripulire adeguatamente il prototipo potrebbe essere impiegato un utensile per la

, oppure potrebbe essere installato sul robot un ugello per la sabbiatura

Lai and Gibson, è una soluzione progettuale valida, tanto quanto la

(del 2005 e vedere come inserire nelle note!)

Nella fig.16 è rappresentato il diagramma di flusso del processo di stampa di una macchina a prototipazione rapida, dove viene impiegato un rullo per far depositare la polv

fino al completamento del modello.

Fig.16 Diagramma di flusso del processo di stampa di una macchina a prototipazione rapida, dove viene impiegato un rullo per far depositare la polvere

(BREVETTO, p.???).

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Il problema della contaminazione di polveri nelle tubazioni è risolto impiegando diversi tipi di filtri nei diversi tubi di aspirazione, potendo così selezionare i diversi granuli di polvere, a seconda del

Ovviamente si creeranno degli accumuli di polvere in prossimità della superficie delle pareti; per ripulire adeguatamente il prototipo potrebbe essere impiegato un utensile per la spazzolatura in tutte

ugello per la sabbiatura.

valida, tanto quanto la

Nella fig.16 è rappresentato il diagramma di flusso del processo di stampa di una macchina a prototipazione rapida, dove viene impiegato un rullo per far depositare la polvere che, strato pre

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La fig.17 mostra la struttura complessiva della macchina e mette in mostra i

Fig.17 Visione complessiva dei principali componenti della macchina a prototipazione rapida, dove viene impiegato un rullo per far depositare la polvere

La macchina comprende una piattaforma operativa (19), una

(20), un pistone di alimetazione materiale (21), una camera di costruzione (22), con relativo pistone (24), un foro di ricircolo (24) per recuperare gran parte della polvere non lavorata e una camera di raccolta dei residui di polvere (25). I due pistoni, presenti nella camera di alimentazione e di costruzione, formano un meccanismo simile ad un pistone scorrevole

di polveri dalla zona di lavorazione

di H, che consente il movimento sincrono dei due pistoni durante la lavorazione, in manira precisa e regolare. Alla fine della lavorazione, la polvere residua è spinta, attraverso il foro di ricircolo, nella camera di raccolta residui.

La fig.17 mostra la struttura complessiva della macchina e mette in mostra i principali componenti.

Fig.17 Visione complessiva dei principali componenti della macchina a prototipazione rapida, dove viene impiegato un rullo per far depositare la polvere

(BREVETTO, p.???).

La macchina comprende una piattaforma operativa (19), una camera di alimentazione della polvere (20), un pistone di alimetazione materiale (21), una camera di costruzione (22), con relativo pistone (24), un foro di ricircolo (24) per recuperare gran parte della polvere non lavorata e una camera di sidui di polvere (25). I due pistoni, presenti nella camera di alimentazione e di costruzione, formano un meccanismo simile ad un pistone scorrevole, che impedisce la fuoriuscita di polveri dalla zona di lavorazione. I due pistoni sono collegati tra loro mediante un telaio a forma di H, che consente il movimento sincrono dei due pistoni durante la lavorazione, in manira precisa e regolare. Alla fine della lavorazione, la polvere residua è spinta, attraverso il foro di ricircolo, nella

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principali componenti.

Fig.17 Visione complessiva dei principali componenti della macchina a prototipazione rapida, dove

camera di alimentazione della polvere (20), un pistone di alimetazione materiale (21), una camera di costruzione (22), con relativo pistone (24), un foro di ricircolo (24) per recuperare gran parte della polvere non lavorata e una camera di sidui di polvere (25). I due pistoni, presenti nella camera di alimentazione e di , che impedisce la fuoriuscita mediante un telaio a forma di H, che consente il movimento sincrono dei due pistoni durante la lavorazione, in manira precisa e regolare. Alla fine della lavorazione, la polvere residua è spinta, attraverso il foro di ricircolo, nella

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32

1.7.1.3 Rimozione del prototipo dalla macchina

Nel caso in cui il modello, una volta tolto dalle coordinate di lavorazione, non debba essere più riposto all’interno della macchina SLS per ulteriori lavorazioni di miglioramento, non è richiesto l’impiego di supporti per il mantenimento delle coordinate e del’orientamento del prootipo.

Al contrario, se il processo richiede ulteriori lavorazioni (come finitura superficiale, sabbiatura o pulizia manuale di zone difficili da raggiungere), è necessario memorizzare posizione e orientamento del pezzo, o della piattaforma di sostegno, impiegando dei supporti o dei sostegni per non perdere le coordinate utili per le lavorazioni successive.

Nel caso in cui le polveri residue vengano catturate e riciclate grazie all’impiego di un sistema di aspirazione, il prototipo e le apparecchiature elettriche potrebbero essere allontanate momentaneamente dalla camera di lavoro utilizzando un braccio robotico o un sistema di trasporto; inoltre, si ha il vantaggio di non dover progettare e montare pinze per il serraggio di superfici diverse con caratteristiche diverse.

1.7.1.4 Finitura superficiale del prototipo e precisione di lavorazione

Nella maggior parte dei processi SLS, il processo di finitura superficiale richiede lavorazioni manuali, impiegando carte abrasive o tecniche additive e sottrattive.

Le tecniche additive più rilevanti riguardano l’applicazione di strati protettivi o di rivestimenti sulla superficie del modello o rinvigorimenti superficiali, per migliorarne le proprietà meccaniche e di finitura superficiale. Invece, le tecniche sottrattive possono includere foratura, fresatura, sabbiatura, molatura o lucidatura; queste tcniche possono essere applicate su una zona precisa o su tutta la superficie.

La maggior parte dei prototipi ottenuti con maccine SLS odierne, richiede operazioni di lucidatura e di finitura superficiale nella fase di post-processo. La sensibilità geometrica e il grado di precisione nelle lavorazioni con bracci robotici fornisce il potenziale sufficiente a effettuare le operazioni di finitura; inoltre, è possibile anche effettuare rivestmienti selettivi, in particolari zone del prototipo. Quando si effettuano lavorazioni SLS, è fondamentale ricordare i principali elementi che possono influenzare l’accuratezza e la precisione della lavorazione:

• Le approssimazioni del modello CAD devono garantire che non ci siano differenze tra la geometria del modello richiesto e quella del modello ottenuto dopo la lavorazione.

• La distorsione del modello, durante il processo di costruzione, deve essere evitata, impiegando supporti e sostegni nelle zone dove necessario, e pianificando in maniera opportuna il “percorso di costruzione” del prototipo

(33)

33 • Effetto “stair-step”, ovvero essere consapevoli del grado di accuratezza che si può ottenere dalla ricostruzione mesh (serie di elementi richiesti per ridisegnare la parte)di zone curve o con superfici a forma libera; per aumentare il grado di precisione del modello, è sufficiente infittire la mesh in prossimità di queste zone, essendo però consapevoli del costo computazionale di tale operazione.

Questo è problema affrontato dalla maggior parte delle macchine RP, poichè, nel processo di stratificazione, se lo spessore è troppo alto allora l’errore è grande e la risoluzione diminuisce; al contrario, se lo spessore diminuisce, gli errori possono essere ridotti, con conseguente aumento del tempo di costruzione.

1.8 Presentazione di alcune delle problematiche contemporanee più

rilevanti di alcune tecniche dello stampaggio 3D impiegato in ambito

biomedicale e aeronautico

Nelgi ultimi decenni lo stampaggio 3D ha acquistato sempre maggiore importanza in svariati campi dell’ingegneria e non solo. Il seguente lavoro si propone di presentare alcune problematiche che, data la “giovane età” di questa tecnologia, non sono ancora state illustrate e presentate in manera accurata e dettagliata, tra cui:

• Metodi e tecnologie applicate per il riciclaggio dei materiali

• Possibilità di lavorare con un numero di assi maggiore di 3, così da rendere possibile lavorazioni sulle superfici interne del prodotto, così da garantire un alleggerimento del peso del pezzo.

• Metodi per poter ottenere finiture superficiali particolari

• Metodi per ottenere prodotti, impiegando materiali compositi, paragonando i parametri in funzione dei compositi utilizzati.

Si cercherà di affiancare tali problematiche al campo biomedico (per impianti protesici) e al campo aeronautico (per la creazioni di stampi per la costruzione di parti del velivolo).

I materiali biomedici, destinati alla sostituzione dei tessuti duri, devono soddisfare sia i requistiti per una corretta biocompatibilità, sia i requisiti per favorevoli caratteristiche meccaniche.

A seconda della parte che devono sostituire, la caratteriste dei materiali per endoprotesi sono svariate.

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34

La scelta di un materiale adeguato per una specifica applicazione meccanica (in ambito biaomediale come in ambito aeronautico) può essere guidata dalle costanti del materiale impiegato, come, ad esempio, modulo di Young, duttilità, resistenza a trazione, resistenza a rottura, carico di snervamento o resistenza a fatica.

Se il modulo di Young, ad esempio, di un materiale impiegato nella fabbricazione di un impianto a tessuto duro (testa del femore e stelo della parte femorale della protesi) è molto superiore rispetto a quello dell’osso che accoglie lo stelo della protesi, allora la struttura portante non è costruita nella manera ottimale, con elevato rischio di rottura.

Per progettare un dispositivo protesico con caratteristiche adeguate, sia in termini di biocompatibilità che in termini di sicurezza per guasto meccanico o strutturale, è fondamentale considerare la degradazione per fatica, l’usura e la formazione di detriti per snervamento in compressione. Questi parametri sono importanti per la fabbricazione di protesi dell’anca, dove si prevede che i materiali scelti debbano sopportare numerosi carichi ciclici, senza riportare danni o rotture per lungo tempo.5

La produzione di oggetti con una particolare forma, con delle particolari anime (come nel caso di stampi dedicati o strutture protesiche complesse) può essere realizzata mediante l’impiego di macchinari con sintemi ibridi di Rapid Prototyping, con un controllo della movimentazione 5 assi, come illustrato da Hamade et al6 e da Lee et al.7

Il sistema utilizza un modello CAD 3D virtuale per produrre una serie di comandi utilizzati per controllare il set-up di un sistema robotizzato a 5 assi per spostare l’utensile di taglio (la cui punta è costituita da un filo riscaldato) in un blocco di polistirene espanso o cera di forma complessa.

La programmazione delle lavorazioni necessita di un controllo in retroazione delle operazioni effettuate grazie all’impiego di un controllore, per rendere il più preciso possibile il percorso effettuato dall’utensile.

Un esempio di approccio di programmazione del controllore è illustrato da Braembussche et al.8 e da Guo et al.9

Uno tra i problemi di maggiore rilevanza è quello di riuscire ad impiegare materiali con la possibilità di essere riciclati (nel caso dei gusci per elevate temperature) e materiali biodegradabili e biocompatibili (nel campo biomedico), come presentato da Santulli.10

55_{BAUER – SCHMUKI – MARK – PARK 2013, pp 261-263.} 6

HAMADE – ZEINEDDINE – AKLE – SMAILI 2005. 7

LEE – WEI – CHUNG 2014.

8_{BRAEMBUSSCHE – SWEVERS – BRUSSEL – VANHERCK 1996.} 9

GUO – WANG – LI – LIU 2002 10

(35)

35

Recenti ricerche hanno studiato approfonditamente i compositi PEEK (Polietereterchetone), polimeri con elevatissime prestazioni meccaniche, chimiche e termiche; inoltre, ha anche elevata biocompatibilità con materiali biocompatibili, sia impiegati come riempitivi sia come rivestimenti superficiali.

Grazie alle continue ricerche sui biomateriali, il PEEK e i relativi compositi possono essere progettati oggi con una vasta gamma di materiali, con le specifiche proprietà meccaniche e di superficie, a seconda della loro particolare applicazione di impianto.11

Il PEEK è una buona scelta soprattutto per la produzione di strumenti medici o impianti. Queste parti sono tipicamente prodotte con metodologie di produzione convenzionale, come stampaggio ad iniezione.12

Il processo di Selective Laser Sintering (SLS) potrebbe offrire una maggiore flessibilità; esso consente la fabbricazione diretta di prodotti con geometrie complesse.

Sebbene SLS di polimeri come poliammide o polistirene è un processo industriale già da anni, la sinterizzazione di PEEK rimane un processo affermatosi nell’ultimo decennio.

11_{ZHOU – GOEL – BHADURI 2014, p 96} 12

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36

QUI DEVO INSERIRE UNA BREVE PRESENTAZIONE ANCHE DI ALCUNE POSSIBILITà CHE SI POSSONO ADOTTARE NEL CASO DI GUSCI PER ELEVATE TEMPERATURE. UNA POSSIBILE TECNICA DA ADOTTARE, POTREBBE ESSERE QUELLA DI FARE IL GUSCIO CON POLVERE DI VETRO, RINFORZANDOLO CON FIBRE (O FORSE MEGLIO

INCLUSIONI) DI SILICIO...ecc ecc....

NELLA BIBLIOGRAFIA ARTICOLI CHE PARLANO DI ALTRE POSSIBILITà DI COSTRUZIONE OLTRE A QUELLA STAMPAGGIO AD INIEZIONE NON CI SONO!!!!!!!!! SI POSSONO FARE SOLO DELLE IPOTESI...DIFFICILMENTE RIUSCIRò AD

AVVALORARLI CON ARTICOLI CHE PARLANO DI

QUELLO....!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

INOLTRE UN MODO PER FARE IL GUSCIO è QUELLO DI FARLO IN VETRO (O MAGARI Già TUTTO IN CERAMICA).

LA SUPERFICIE A CONTATTO CON L’ACCIAIO FUSO COLATO, PER EVITARE PROBLEMI DI DEFORMAZIONE TERMICHE, POTREBBE ESSERE RIVESTITA (CREDO MEGLIO...SMALTATA) CON UNO STRATO DI CERAMICA (DOVREBBE AVERE UN

PUNTO DI FUSIONE MOLTO SUPERIORE A QUELLO DELL’ACCIAIO)

CON UN GUSCIO FATTO CON LA TECNICA 3D (QUINDI CON DIMENSIONI CONTENUTE....CIRCA 1 X 1 METRO) SI POTREBBE RIPRODURRE SENZA PARTICOLARI PROBLEMI TUTTI I COMPONENTI DI SOSTEGNO (TRAVI IN ACCIAIO, METALLO O CMQ LEGA DI METALLO) E DI MOVIMENTAZIONE (ESEMPIO ALBERI, BRACCI DELLE RUOTE ecc) DI UN VELIVOLO DI PICCOLE DIMENSIONI.

QUESTA TECNOLOGIA POTREBBE ESSERE ANCHE IMPIEGATA PER FARE DELLE RIPARAZIONI IN MARE (IN ARIA, NEL CASO DEGLI AEREI CREDO CHE QUESTO NON SIA MOLTO UTILE...MA NEL CASO DI SOMMERGIBILI O DI IMBARCAZIONI ANCHE DI GRANDI DIMENSIONI...CREDO CHE SIA UNA COSA UTILISSIMA...PERCHE PERMETTEREBBE DI RIUSCIRE A RIPARARE DANNI ANCHE CON PEZZI SOSTITUTIVI DI QUALSIASI DIMENSIONE E FORMA...AD ESEMPIO BULLONI, TRAVI, ALBERI)

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37 DA QUI TENTO LA RIORDINAZIONE DEI CAPITOLI SUCCESSIVI ALLO STATO

DELL’ARTE, CHE COMPRENDONO GRAN PARTE DEGLI ARGOMENTI TOCCATI A RIUNIONE

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38

Capitolo 2

APPLICAZIONI BIOMEDICHE DEI MATERIALI

POLIMERICI COMPOSITI

2.1 Introduzione

Durante l’attività quotidiana, le ossa sono sottoposte ad una sollecitazione di circa 4 Mpa, mentre i tendini e i legamenti sperimentano tensioni di picco nell’intervallo di 40-80 Mpa. Il carico medio su un’anca arriva ad essere fino a 3 volte superiore il peso corporeo (3000 N) ed il carico di picco durante un salto può arrivare sino a soglie di 10 volte il peso corporeo. Ancora più importante è da ricordare che i carichi, durante le attività quotidiane (come ad esempio andare a piedi, stare seduti, fare jogging, stretching o arrampicate), possono essere sia ciclici che fluttuanti. Si stima che in un periodo di tempo pari ad un anno, i cicli di sollecitazione che deve sopportere l’articolazione dell’anca siano circa 1·106 cicli; da notare che la pulsazione tipica di un cuore è tra 0,5·107 e 4·107 cicli/anno. Questa informazione ci dà un’indea approssimata dell’ambiente biologico che la protesi strutturale deve sostenere.

Negli ultimi 30 anni sono stati compiuti notevoli progressi nella comprensione delle interazioni tra tessuti e materiali. I materiali biocompatibili sono chiamati biomateriali13.

La compatibilità strutturale rappresenta il comportamento meccanico ottimale del biomaeriale in relazione a quello dei tessuti dell’ospite. Pertanto la compatibilità strutturale si riferisce alle proprietà meccaniche del materiale di impianto, quali il modulo elastico (o E, modulo di Young), la forza, la rigidità (che è prodotta dal modulo elastico, E, e dal momento d’inerzia, I), e la trasmissione ottimale del carico all’interfaccia impianto/tessuto (deve esserci il minimo disallineamento possibile del ceppo interfacciale).

Un’interazione ottimale tra il biomateriale e il tessuto ospite è raggiunta quando si ha un livello ottimale di biocompatibilità e compatibilità strutturale. Inoltre, va notato che il successo di un biomateriale dipende notevolmente anche dalla tecnica chirurgica usata (grado di trauma, metodi di sterilizzazione, ecc...), dalle condizioni di salute e grado di attività del paziente.

Alla Tab.7 vengono riassunti i principali fattori considerati nella scelta di un biomateriale per applicazioni biomediche.

13

La biocompatibilità è un termine descrittivo che indica la compatibilità o armonia del biomateriale con il tessuto