Digital Molding: 3D Systems inaugura la nuova era della produzione con Figure 4 Production

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In qualità di settore, l’additive manufacturing (AM) sta cercando di rivoluzionare le pratiche di produzione industriale che, per oltre un secolo, sono state dominate dall’injection molding. Oggi, siamo più vicini che mai alla realizzazione di tale proposito: tecnologie di 3D printing sofisticate stanno dimostrando di essere un mezzo attuabile per soddisfare le nuove filosofie manifatturiere incentrate su tempi di evasione rapidi e volumi di produzione più ridotti.

Figure 4 di 3D Systems è una tecnologia di AM che ha il potenziale di cambiare radicalmente il modo in cui vengono prodotte le parti in plastica. Recentemente esposto negli USA durante AMUG e RAPID + TCT 2018, il sistema Figure 4 Production rende possibile il digital molding di parti in plastica per volumi bassi o medi. A differenza dal tradizionale injection molding, il digital molding di Figure 4 non necessita di processi di tooling costosi e che richiedono tempo.

Che cos’è il digital molding?

La tecnologia all’essenza di Figure 4, brevettata 30 anni fa dal co-fondatore di 3D Systems Chuck Hull, è la membrana di separazione per Digital Light Printing (DLP). Nella soluzione Figure 4 Production, la tecnologia DLP viene impiegata all’interno di una serie di moduli di motori di stampa, integrati con sistemi robotici automatizzati al fine di produrre parti in plastica in maniera continua, rapida ed efficiente e consentendo un digital molding privo di tooling.

“La modularità del sistema è meravigliosa,” spiega Phil Schultz, Vice Presidente Senior della On Demand Solutions di 3D Systems. “Consente a 3D Systems di configurare la soluzione giusta in base alle esigenze del cliente. Ad esempio, la versione modulare di Figure 4 contiene l’unità di controllo principale e almeno un modulo con motore di stampa; l’unità principale può controllare fono a 24 motori di stampa (ci sono quattro motori  per ciascun modulo). La configurazione costumizzata può comprendere anche celle integrate per le funzioni di post-elaborazione come curing e lavaggio.”

“La modularità del sistema consente a 3D Systems di configurare la soluzione giusta in base alle esigenze del cliente.”

Figure 4 Production sfrutta inoltre l’automazione grazie a un sistema di bracci robotici che trasporta le parti stampate durante il processo di produzione, estraendole dal bagno di resina per poi trasferirle ai moduli di lavaggio, di asciugatura e curing.

Anche i moduli di curing della Figure 4 Production sono degni di nota. Come spiega Schultz, Figure 4 integra un sistema di curing non invasivo basato sui raggi UV, il quale assicura un elevato livello di ripetibilità e precisione, soprattutto rispetto ai processi di curing termico. A garantire un’ulteriore precisione e stabilità dimensionale c’è poi la configurazione precedentemente menzionata della membrana di separazione con tecnologia DLP, che libera la parte stampata da qualsiasi contatto e da forze potenzialmente compromettenti (fatta eccezione per quella di gravità, naturalmente!).

Dite addio al tooling

Indipendentemente da quanto, negli anni, i processi di injection molding siano diventati avanzati, restano comunque ostacolati dai lunghi e costosi processi di tooling. Con tempi di realizzazione che vanno da settimane a mesi, la necessità di produrre stampi e altri strumenti di tooling ha presentato limitazioni per il settore della produzione. Ancor più significativo è il fatto che i processi di tooling hanno disincentivato qualunque cosa che non sia la produzione di massa, inibendo la costumizzazione e limitando il design e la flessibilità di iterazione in fase di progettazione.

“[Con il] digital molding, siamo in grado di passare alla produzione senza soluzione di continuità”

Il Digital molding invece, elimina in blocco il processo di tooling, passando direttamente dalla progettazione CAD alla produzione. Ciò significa che i produttori possono iterare i progetti della parte, collaudarli e adattarli per prestazioni ottimali senza dover incorrere in costi di tooling significativi e, soprattutto, senza aggiungere tempo al processo di produzione.

“Con i metodi tradizionali, è necessario creare uno strumento temporaneo e poi uno strumento definitivo e così via ed ognuna delle fasi comporta un ulteriore passaggio di certificazione. Nel caso del digital molding, siamo in grado di  passare alla produzione senza soluzione di continuità,” ha commentato Schultz.

Parliamo di costi

Eliminando la necessità del tooling e velocizzando i tempi di immissione sul mercato, il sistema di digital molding di 3D Systems offre vantaggi anche a livello di costi. In particolare, eliminando i vari passaggi di produzione associati alle modalità tradizionali, il digital molding consente di ridurre i costi relativi a manodopera, lavorazione meccanica, iterazione e collaudo.

Per la produzione a basso volume, Figure 4 offre l’opportunità di risparmiare sui costi di produzione della parte. Ad esempio, mentre uno strumento costoso si ripagherebbe con la produzione di centinaia di migliaia, o addirittura milioni di parti, il costo della parte aumenterebbe in maniera significativa nel caso di piccoli volumi. Grazie alla scalabilità, il digital molding è molto più adatto a piccoli lotti in Low-rate Initial Production (LRIP). Ciò, naturalmente, contribuisce alla costumizzazione della parte, alla produzione di parti di ricambio e alla rapida iterazione di progettazione. Per le produzioni di medio volume di determinate parti in piccola scala, come impianti dentali o morse per l’automotive, i costi e i tempi di evasione di Figure 4 sono comparabili a quelli dell’injection molding.

Figure 4 a confronto con gli standard

Al fine di dimostrare le capacità di Figure 4 a confronto con i tradizionali processi di injection molding, 3D Systems ha condotto un’approfondita analisi comparativa utilizzando uno sfiatatoio automobilistico come parte da testare. I test, supervisionati da un team di ingegneri esperti ed eseguiti da compagnie specializzate in CAD/CAM, lavorazione meccanica, injection molding e AM hanno mostrato in ultima analisi differenze significative in termini di costi e tempo a favore del digital molding.

Diamo uno sguardo più ravvicinato ai risultati dell’analisi comparativa. Impiegando una configurazione Figure 4 a otto motori, il primo sfiatatoio ha richiesto, stando ai dati, 92 minuti di produzione (a partire dall’input del file digitale) rispetto ai 15 giorni per la creazione della prima parte con l’injection molding. Le parti successive sono state evase ad una velocità pari a un’unità ogni 95 secondi.

A questa velocità, un modulo da 8 di Figure 4 è in grado di produrre 10.000 unità di sfiatatoio per automotive a trama in appena 11 giorni. L’injection molding a quel punto si troverebbe ancora nella fase di design del tooling. Per dirla con un esempio, per quando l’injection molding tradizionale verrebbe avviato, Figure 4 avrebbe già realizzato altre 4.000 unità, per un totale di 14.000 pezzi.

Vale la pena notare che il processo dell’injection molding potrebbe poi recuperare in termini di velocità di produzione, dato che la velocità di fabbricazione di ciascun parte sarebbe di 55 secondi in media.

È per questa ragione che l’injection molding è ancora ampiamente vantaggioso per la produzione di massa. Tuttavia, per la low rate initial production (LRIP) o per i volumi produttivi da bassi a medi, il digital molding presenta il vantaggio di ridurre drasticamente i tempi di immissione sul mercato.

L’analisi comparativa ha inoltre mostrato che i costi previsti per CAD, design del tooling design e manodopera per il tooling dello sfiatatoio erano pari a soli $121 con il sistema Figure 4, rispetto ai $4.315 per l’injection molding. In più, eliminando la necessità del tooling, il digital molding si libera anche dei costi di tooling interni pari a $4.850 richiesti dall’injection molding.

Nuovi materiali ibridi

La tecnologia di digital molding di 3D Systems affronta anche un’altra sfida molto comune nel settore dell’additive manufacturing. Grazie alle rapide velocità di stampa (misurate in millimetri al minuto), il sistema Figure è compatibile con le resine plastiche reattive con brevi esposizioni nella vasca. Questo perché le stampanti Figure 4 realizzano parti a velocità impressionanti: pertanto non è necessario che le resine rimangano troppo a lungo nella vasca, ampliando significativamente la gamma di materiali adattabili alla produzione. Tale espansione della gamma di materiali avvicina il digital molding all’injection molding tradizionale, offrendo ai produttori le proprietà materiali di cui hanno bisogno per una serie di applicazioni.

In più, integrando la polimerizzazione a più modalità, la tecnologia Figure 4 di 3D System è una delle poche piattaforme di stampa a foto-polimero in grado di produrre parti con materiali ibridi i quali offrono proprietà come durezza, durabilità, biocompatibilità, resistenza alla temperatura ed elasticità simili a quelle dei materiali dell’injection molding.

Potenziale disruptivo

In generale, il  digital molding e il sistema Figure 4 di 3D Systems offrono i mezzi per produrre parti in plastica a velocità stupefacenti e mantenendo i costi bassi per volumi moderati. Liberandosi delle fasi di tooling, questo sistema modulare di additive manufacturing ha il potenziale di rivoluzionare il campo della produzione meccanica, offrendo una soluzione vantaggiosa complementare all’injection molding.

Finora, i produttori dei settori dentali, automobilistici e di componenti elettrici hanno mostrato un grande interesse per i sistemi additivi scalabili e Schultz ritiene che tale attrattiva continuerà a crescere. “Abbiamo appena iniziato,” afferma. “La tecnologia stessa ha così tanto potenziale che rappresenterà un punto di svolta per l’intero settore additivo.”

Autore Martina Pelagallo

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