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Utilizzo di anime solubili FDM per produrre parti composte

Panoramica

Le parti composte vengono fabbricate tramite avvolgimento, sagomatura, stampaggio e posa in strati di diverse combinazioni di materiali e sistemi in resina in stampi, piastre, modelli, anime e mandrini. La produzione di parti composte cave che racchiudono il modello può presentare alcune sfide di fabbricazione. Un modo di affrontare tali sfide consiste nell'utilizzare strumenti di stampaggio a guscio per stampare due metà (e la parte di unione) o un singolo pezzo lavorando dall'interno della cavità dello strumento.

Schema di applicazione

In passato, la maggior parte delle aziende che si serviva di strumenti di stampaggio a guscio per produrre parti composte cave utilizzava macchine CNC (Computer Numerical Control) per creare i modelli da una scheda in poliuretano, che venivano quindi utilizzati per produrre gli stampi. Il costo di questo approccio è elevato e i tempi di lavorazione sono estesi, in particolare se la lavorazione dello schema è subappaltata. Per questi motivi, molte aziende sono passate a produrre gli schemi tramite modellazione a deposizione fusa (FDM, Fused Deposition Modeling). La tecnologia FDM è un processo di fabbricazione additiva per la creazione di parti plastiche strato per strato, tramite dati di file CAD. La modellazione a deposizione fusa offre notevoli risparmi in termini di tempo e di costo consentendo la produzione degli schemi in molto meno tempo e a un costo inferiore.

Tuttavia, pur avendo migliorato la produzione degli schemi, le società che producono stampi composti cavi devono affrontare un processo di stampaggio dispendioso in termini di tempo. Dopo aver prodotto lo schema, sono in genere necessari circa tre giorni per la costruzione degli stampi e lo stampaggio delle parti tramite questo metodo. Sono in genere necessarie da 12 a 15 ore di lavoro diretto, mentre altro tempo è richiesto per l'indurimento.

Un nuovo approccio offre miglioramenti sostanziali per la produzione di volumi ridotti tramite la sostituzione dello stampo con un'anima solubile FDM. Le anime solubili riducono sostanzialmente i tempi di consegna e le spese di lavoro eliminando la necessità di creare uno stampo e riducendo il tempo necessario per lo stampaggio della parte. Invece del lungo processo che prevede lo stampaggio delle due metà dello stampo, quindi lo stampaggio della parte in ogni metà e infine l'unione delle due metà, è possibile avvolgere la tela composta attorno all'anima solubile. Una volta indurita la parte, l'anima semplicemente si dissolve.

La natura della fabbricazione additiva consente di produrre geometrie molto più complesse tramite la tecnologia FDM rispetto a quanto sia possibile con altre anime. In molte applicazioni la maggiore libertà di progettazione garantisce miglioramenti delle prestazioni e riduzione dei costi. Le anime solubili FDM sono sufficientemente resistenti per sopportare i carichi dei processi di fabbricazione composta e non comportano alcun rischio di danneggiare la parte durante l'estrazione dell'anima, perché questa semplicemente si dissolve una volta immersa in un bagno liquido.

Panoramica del processo

Per la fabbricazione di anime solubili FDM sono necessarie due modifiche al processo FDM standard. Innanzitutto, l'anima è progettata in modo da renderne la struttura interna prevalentemente cava. In secondo luogo, la robusta termoplastica di una parte FDM standard viene sostituita con un materiale solubile, normalmente utilizzato per la costruzione delle strutture di supporto di una parte. L'anima può essere progettata in due modi diversi. Uno consiste nel creare un modello 3D solido e utilizzare l'opzione di riempimento rado in Insight, il software Fortus per la preparazione della costruzione, per creare automaticamente una struttura interna che riduca al minimo il volume interno dell'anima. Il secondo approccio consiste nel creare (in CAD) una struttura interna che mantenga l'anima stabile alle temperature e alle pressioni dello stampaggio composito, favorendo il flusso della soluzione per accelerare la rimozione dell'anima. Entrambi questi approcci riducono al minimo il consumo di materiali e i tempi di costruzione e di lavaggio.

L'integrazione delle anime solubili FDM nel processo di fabbricazione è un'operazione relativamente semplice. Non è necessaria alcuna modifica al processo prima dell'indurimento della parte composta e della rimozione dell'anima. Il ciclo di indurimento è anch'esso invariato, ma le temperature devono essere limitate per evitare la distorsione. In generale, le parti composte con anime FDM devono essere indurite a temperature minori di 121°C (250°F) e a pressioni inferiori a 50 psi (345 kPa). L'unica modifica da apportare al processo è, al termine dell'indurimento della parte composta, la rimozione dell'anima tramite dissolvimento in un bagno di soluzione. A questo scopo, la parte viene inserita nel sistema di rimozione dei supporti solubili Stratasys WaterWorks.

Testimonianza di un cliente

Dopo ogni corsa, i tecnici di Joe Gibbs Racing (JGR) hanno a disposizione solo tre giorni per diagnosticare un problema, trovare una soluzione e implementarla prima che l'auto venga consegnata per la corsa successiva. La capacità di JGR di passare dalla progettazione concettuale alla produzione ha contribuito al successo in tre campionati e alla fama della squadra come una delle più competitive del circuito NASCAR.

Una domenica, lo pneumatico di un'auto JGR è scoppiato e i tecnici hanno identificato un problema al condotto di uscita responsabile di fornire l'aria per raffreddare lo pneumatico. In passato, sarebbe stata necessaria una settimana per sviluppare la progettazione concettuale di un nuovo condotto di uscita, costruire e valutare un prototipo FDM, costruire uno stampo utilizzando uno schema FDM e procedere allo stampaggio di una parte composta. Di conseguenza, non sarebbe stato possibile completare il processo in tempo per produrre una nuova parte prima della corsa successiva.

JGR ha utilizzato un'anima solubile FDM per ridurre sostanzialmente il tempo necessario per riprogettare il condotto e costruire una parte di produzione. Il lunedì successivo, un tecnico JGR ha progettato un nuovo condotto di uscita per fornire al tallone dello pneumatico l'aria necessaria per raffreddarlo. Il tecnico ha quindi costruito un modello concettuale in sole quattro ore utilizzando il sistema Stratasys Fortus. Dopo aver completato diverse iterazioni sulla progettazione concettuale e aver confermato la sua idoneità sull'auto, il tecnico ha prodotto un'anima solubile FDM. È stato quindi eseguito lo stampaggio della parte in fibra di carbonio finale nell'anima composta. Una volta indurita la parte, l'anima solubile si è dissolta. La nuova parte era pronta il mercoledì, in tempo per essere installata sull'auto prima della consegna per la corsa successiva.

Confronto tra l'utilizzo di anime solubili FDM e strumenti di stampaggio a guscio per JGR


Metodo

Costo

Tempi

Lavoro

Schema FDM e stampo a guscio

USD $350

3 giorni

15 ore

Anima solubile FDM

USD $90

1 giorno

2 ore

RISPARMI

USD $260 (74%)

2 giorni (66%)

13 ore (87%)

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