Sviluppo di modelli previsionali per la produzione di parti in PA12 mediante Sinterizzazione Laser Selettiva

Per le aziende è sempre più importante dotarsi di strumenti che consentano di ridurre i tempi di sviluppo di nuovi prodotti, che permettano di realizzare geometrie complesse non realizzabili con tecnologie tradizionali e che abbiano caratteristiche geometriche e meccaniche paragonabili alle lavorazioni tradizionali. L’additive manufacturing è la principale tecnologia che consente di produrre oggetti finiti, anche di geometria complessa, in pochissimo tempo. Attualmente, tali caratteristiche sono disattese poiché il complesso processo di produzione mediante stampa 3D caratterizza fortemente la qualità e le caratteristiche del prodotto finale. La Poliammide 12 viene prodotta dalla policondensazione del laurinlattame, un sottoprodotto della lavorazione del petrolio. Questo polimero presenta eccezionali caratteristiche come elevata resistenza all'urto, alle condizioni ambientali e resistenza agli agenti chimici nonché eccellenti caratteristiche all'abrasione e scorrimento, basso assorbimento d'acqua e buona stabilità dimensionale. Tali caratteristiche fanno della PA12 un tecnopolimero termoplastico particolarmente adatto ad una molteplicità di impieghi. Esso è inoltre, il più leggero di tutte le poliammidi e soprattutto il più leggero tecnopolimero termoplastico; ciò favorisce soluzioni particolarmente leggere ed economiche per i trasporti aeronautici, per la costruzione di autovetture, in applicazioni elettriche e nel settore sportivo. La stampa 3D, mediante sistema SLS, rappresenta un’ulteriore opportunità per l’utilizzo di questi materiali in campi finora inesplorati sia per la produzione di prototipi sia, e soprattutto, per la produzione di parti a geometria complessa quali le strutture Isogrid. Le proprietà meccaniche del polimero sottoposto a Sinterizzazione Laser Selettiva mostrano, però, delle caratteristiche meccaniche nonché di conformità geometrico/dimensionale inferiori a quelle ottenibili mediante processi tradizionali di formatura; inoltre, tali caratteristiche sono funzione del ciclo di formatura e dei parametri di processo. La complessa relazione tra gli effetti del processo di sinterizzazione laser selettiva e la composizione della miscela di polveri, utilizzata sulla formazione della microstruttura, gioca un ruolo importante per quanto riguarda le proprietà delle parti realizzate. Lo scopo del lavoro di tesi di dottorato è lo sviluppo di modelli numerici previsionali in grado di progettare il ciclo di formatura di parti in PA12 mediante Sinterizzazione Laser Selettiva al fine di massimizzare sia la conformità geometrica/dimensionale sia l’omogeneità strutturale. Si sono prese in considerazione sia polveri vergini che riutilizzate più volte (invecchiata), con l’obiettivo di ridurre gli scarti ed i costi di produzione in ottica di economia circolare. Per il raggiungimento di tale obiettivo, è stato opportuno studiare l’influenza delle caratteristiche meccaniche/geometriche delle parti in funzione dei parametri di processo e dei parametri “esogeni” quali la geometria/spessore delle parti e la loro spaziatura nella camera di formatura. Tali parametri, pur non essendo propriamente di processo, influenzano la qualità del prodotto. Lo spessore dei componenti prodotti infatti, è un parametro di progetto della parte e si può solamente constatare come esso influisca sulla conformità geometrico/dimensionale e rugosità delle superfici. Per quanto riguarda la spaziatura dei componenti, ovvero la loro sistemazione spaziale all’interno del volume di lavoro, è chiaro che, in genere, è preferibile avere pezzi il più possibile distanziati e posizionati in maniera omogenea. Questo per far in modo che le caratteristiche meccaniche di un componente non risentano dell’influenza dei pezzi adiacenti. Da questo punto di vista, l’ideale sarebbe produrre un numero davvero limitato di pezzi per ogni run della macchina, ma ciò non risulterebbe economico industrialmente. Nel capitolo uno è riportata una descrizione dettagliata sui materiali polimerici, in particolare si fa riferimento alla classificazione dei polimeri, alle loro proprietà e ai processi di lavorazione associati. Si parlerà, in particolare, del PA12. Nel capitolo due verranno approfondite le varie tecnologie di lavorazione additiva nell’ottica del rapid prototyping. Si farà un riscontro alla tecnologia SLS (selective laser sintering) che rappresenta la tecnologia utilizzata in questo lavoro di tesi. Infine si porrà l’attenzione sulle caratteristiche della stampante SLS di Sintratec impiegata. Successivamente, nel capitolo tre si farà riferimento al perché si preferisce utilizzare polvere di PA12 anziché altri tipi di polimeri, si terrà conto delle proprietà meccaniche di pezzi stampati in SLS e attenzione sarà posta sull’influenza dell’orientamento sulle proprietà meccaniche sei componenti stampati. Nel capitolo cinque invece ci si è soffermati sulla caratterizzazione meccanico/fisica della polvere di PA12 andando a sviluppare delle prove meccaniche su componenti stampati con entrambi i tipi di polvere impiegati (vergine ed invecchiata) e verranno sviluppate anche delle prove chimiche di DSC, DMA e TGA. Nel capitolo sei invece ci si concentrerà sul modello numerico sviluppato attraverso il software Digimat AM: dai dati ricavati nel capitolo cinque si procederà a una serie di simulazioni numeriche che ci permetteranno di validare il modello numerico. Infine, nel capitolo sette si affronterà la reingegnerizzazione della geometria di un componente meccanico con lo scopo di trasformare una produzione di pezzi con tecniche tradizionali ad una produzione additiva.

It is becoming increasingly important for companies to equip themselves with tools that enable them to reduce the development time of new products, that enable complex geometries that cannot be realised with traditional technologies, and that have geometric and mechanical characteristics comparable to traditional machining. Additive manufacturing is the main technology that makes it possible to produce finished objects, even of complex geometry, in a very short time. Currently, these characteristics are disregarded because the complex production process by means of 3D printing strongly characterises the quality and characteristics of the final product. Polyamide 12 is produced by the polycondensation of laurinlactam, a by-product of oil processing. This polymer has outstanding characteristics such as high impact strength, resistance to environmental conditions and resistance to chemicals as well as excellent abrasion and creep characteristics, low water absorption and good dimensional stability. These characteristics make PA12 a thermoplastic technopolymer particularly suitable for a multitude of uses. In addition, it is the lightest of all polyamides and, above all, the lightest thermoplastic technopolymer; this favours particularly lightweight and economical solutions for aeronautical transport, automobile construction, electrical applications and the sports sector. 3D printing, by means of the SLS system, represents a further opportunity for the use of these materials in hitherto unexplored fields both for the production of prototypes and, above all, for the production of parts with complex geometry such as Isogrid structures. The mechanical properties of the polymer subjected to Selective Laser Sintering show, however, mechanical characteristics as well as geometric/dimensional conformity that are inferior to those obtainable through traditional moulding processes; moreover, these characteristics are a function of the moulding cycle and process parameters. The complex relationship between the effects of the Selective Laser Sintering process and the composition of the powder mixture, which is used on the formation of the microstructure, plays an important role with regard to the properties of the manufactured parts. The aim of the thesis work is the development of numerical prediction models capable of designing the forming cycle of PA12 parts by means of Selective Laser Sintering in order to maximise both geometric/dimensional conformity and structural homogeneity. Both virgin and reused (aged) powders were considered, with the aim of reducing waste and production costs in view of a circular economy. To achieve this goal, it was appropriate to study the influence of the mechanical/geometrical characteristics of the parts as a function of process parameters and 'exogenous' parameters such as the geometry/thickness of the parts and their spacing in the moulding chamber. These parameters, although not strictly process parameters, influence the quality of the product. The thickness of the parts produced is in fact a design parameter of the part and one can only see how it affects the geometric/dimensional conformity and roughness of the surfaces. With regard to the spacing of the components, i.e. their spatial arrangement within the work volume, it is clear that, in general, it is preferable to have parts as far apart as possible and positioned homogeneously. This is to ensure that the mechanical properties of a component are not affected by the influence of adjacent parts. From this point of view, the ideal would be to produce a very limited number of parts per machine run, but this would not be economical industrially.