Le tecnologie di Additive Manufacturing stanno avendo sempre più successo grazie alla loro capacità di fabbricare componenti qualsivoglia complessi da un punto di vista geometrico. Tra esse grande risalto è dato al Selective Laser Melting che permette di ottenere componenti metallici con prestazioni meccaniche simili a quelle di componenti prodotti con tecnologie tradizionali. L'assenza di vincoli di complessità geometrica apre a nuove opportunità e nuovi paradigmi produttivi: tra essi molto interessante da un punto di vista industriale è la possibilità di fabbricare meccanismi o oggetti già assemblati in un'unica operazione tecnologica eliminando le onerose fasi di assemblaggio e riducendo drasticamente il time to market del prodotto. Numerose sono le problematiche riscontrate per la fabbricazione di meccanismi tramite Selective Laser Melting: scelta del gioco, presenza di sottosquadri che necessitano di strutture di supporto che devono essere rimosse dopo la fabbricazione, scarsa qualità superficiale che limita e in alcuni casi impedisce il movimento del giunto, scelta dell'orientazione in tavola. Soluzioni a tali problematiche vanno ricercate in una migliore pianificazione dell'intero sistema di sviluppo prodotto/processo che va dalla progettazione del componente alla scelta dei parametri di processo. Scopo del presente progetto è sviluppare le metodologie operative da applicare a monte della fabbricazione additiva al fine di ottenere dei componenti già assemblati dotati di moto relativo senza la necessità di eseguire lavorazioni aggiuntive atte a garantirne la funzionalità. A tal fine si propone l'implementazione di una nuova generazione di geometrie del giunto definita attraverso una formulazione puramente matematica rivolta alla tecnologia del Selective Laser Melting. Tramite un'ampia sperimentazione e una misura di funzionamento sarà possibile determinare modelli e mappe operative di diretto trasferimento tecnologico verso l'industria.
Il progetto in esame è particolarmente importante ai fini dell'integrazione della tecnologia SLM nell'industria poiché, al momento, l'assenza di metodologie per la fabbricazione di un giunto già assemblato non esistono. In generale la caratteristica predominante del processo additivo è quello di liberare il progettista da limitazioni di complessità geometrica offrendo paradigmi ideativi senza precedenti. È però da rilevare che nel momento in cui si vogliano integrare numerose caratteristiche il componente può presentare diverse problematiche di fabbricazione. La limitazione più importante giunge quando, al contempo, si necessiti di costruire un componente già assemblato in cui le superfici interne non possano essere raggiunte da lavorazioni successive. Se, al contrario, si avessero le conoscenze necessarie a determinare la combinazione di geometrie e parametri di processo atti a produrre un sistema meccanico già assemblato e funzionante, si avrebbe uno strumento produttivo decisamente assecondante le esigenze industriali di riduzioni dei tempi e costi di produzione con particolare riguardo alla fase di assemblaggio che sarebbe totalmente eliminata. In ultimo sarebbe possibile fabbricare sistemi meccanici impossibili da ottenere mediante i metodi tradizionali poiché, per esempio, risultano di impossibile assemblaggio.
Fino ad ora i tentativi della ricerca internazionale si sono rivolti alla determinazione della dimensione del gioco e alla identificazione dei parametri di processo senza tuttavia legarli alla geometria del meato. Il presente progetto propone numerosi gradi di innovatività alla ricerca effettuata fino ad ora. Di seguito i punti predominanti.
- Si propone di modificare il giunto con un nuovo concept design. In particolare si eliminano le parti terminali in sottosquadro che vincolano, in tutti i lavori tecnici e scientifici presenti in letteratura, l'orientazione del pezzo in tavola. La funzione da essi posseduta è demandata alla superficie a forte curvatura che, in questa ricerca, si conferisce agli elementi striscianti del meato. Inoltre si prevedono curvature a segno opposto alle sottoparti in modo da elidere la possibile rotazione del giunto secondo un direzione perpendicolare al suo asse.
- Un altro grado di innovatività è quello dell'uso di strumenti puramente algebrici per lo sviluppo del file di interscambio necessario alla fabbricazione additiva. Tutte le macchine hanno bisogno di un file che descriva la superficie in modo tassellato in accordo al formato STL. In genere i software di modellazione CAD non solo possono condurre ad inappropriatezze geometriche ma, molto più spesso, non sono sufficientemente robusti per creare una tassellazione priva di errori impedendo ovvero modificando il processo di fabbricazione a danno del funzionamento finale. In questo spirito la ricerca si spinge nel mondo dell'algebra e della formulazione analitica delle superfici al fine, non solo, di eliminare i possibili errori del CAD e della sua conversione in STL ma anche per sviluppare una tassellazione in accordo alla geometria stessa e concorde alla esigenze di uniformità del tassello per la fabbricazione additiva con particolare riguardo alle operazioni di slicing e creazione delle strutture di supporto.
- Innovatività in merito alle misurazioni di funzionamento. Fino ad ora il grado di funzionamento dei giunti prodotti in SLM è stato solo osservato ovvero misurato qualitativamente a mano. In questa ricerca si punta allo sviluppo integrato di un sistema di rilevazione quantitativo basato su sensori piezoelettrici e connessa catena di misura. Allo scopo il giunto verrà dotato di superfici per l'afferraggio e per il posizionamento del sensore, tutte integrate nella formulazione matematica per elidere le succitate problematiche.
Queste particolari scelte metodologiche combinate in modo integrato hanno grande potenzialità per riuscire nell'intento di determinare il know-how necessario per risolvere l'importante ma astioso problema della fabbricazione di componenti già assemblati. Tale know-how sarà presentato sotto forma di modelli e mappe di funzionamento naturalmente discendenti dall'approccio scelto che, nonostante di grande astrazione geometrica nel suo incipit, possiede tutte le carte per una industrializzazione diretta poiché gli elementi cardine verranno forniti proprio su un sistema industriale quale la EOS M290. In particolare:
- la determinazione della geometria sarà immediatamente trasferibile a qualunque CAD in commercio;
- il set dei parametri di processo sarà attuabile su qualunque macchina SLM poiché di chiara indicazione e settaggio;
- le operazioni necessarie al setup e ausiliare al processo di fabbricazione come il powder handling, lo zero offset della tavola, la calibrazione del laser, etc. saranno puntualmente e precisamente descritte quale output della presente ricerca.