Università degli studi di Perugia
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali (Terni).

Progettazione e realizzazione di stampi mediante la sinterizzazione selettiva al laser

Tesi di Laurea di: Federico Mecarelli

Relatore: Prof. José M. Kenny

Abstract della tesi
La presente tesi, si inserisce all'interno del progetto Toy SLS della Comunità Europea sulla valutazione del Selective Laser Sintering (SLS) nel processo di fabbricazione di prototipi e stampi nell'industria del giocattolo. Gran parte del lavoro è stato svolto in Spagna, presso il laboratorio di prototipazione rapida dell'Istituto Tecnologico del Giocattolo (AIJU); qui si è utilizzata, per la fabbricazione di stampi da injection molding, la Sinterstation 2500 della DTM Coorporation. La tesi è stata poi terminata presso i laboratori del Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali di Terni.
Obiettivo di questo lavoro di tesi è stato lo studio del processo di sinterizzazione selettiva al laser (SLS) del RapidSteel 2.0 attraverso la progettazione e realizzazione di stampi per injection molding. Sono stati progettati e poi fabbricati con la Sinterstation 2500, due stampi entrambi per applicazioni di injection molding di materie plastiche, di differenti geometrie; uno per la fabbricazione di una provetta per prove di trazione (in base alla normativa ASTM D 638 MI), l'altro è un portapenne di forma troncoconica.
L'analisi del processo SLS del RapidSteel 2.0, inteso come tecnologia di Rapid Tooling, ha voluto mettere in risalto tutti gli aspetti progettuali, tecnologici ed economici, che l'applicazione di esso comporta. Il RapidSteel 2.0 è costituito da particelle di acciaio che hanno un diametro medio di 4 mm, ricoperte da un agglutinante polimerico. Il processo SLS di tale materiale, consiste nel sinterizzare le particelle di metallo legate con l'agglomerante polimerico, mediante laser, al fine di ottenere quello che si chiama un pezzo in verde.
Il pezzo in verde viene estratto con molta cautela dalla Sinterstation, esso è caratterizzato da una scarsa consistenza e da una elevata porosità. Successivamente il manufatto subisce due cicli termici in un forno. Il primo ciclo termico ha la durata di 990 minuti, in esso si verificano due fenomeni: il primo è la combustione dell'agglomerante polimerico, il quale brucia interamente tra i 450°C e i 650°C, l'altro è la sinterizzazione della polvere metallica che si concretizza mediante la permanenza per 180 minuti alla temperatura di 1120°C; al termine di tale processo si raggiunge un grado di porosità pari al 44%. Il secondo ciclo termico ha una durata di 1042 minuti, in esso avviene il processo d'infiltrazione del pezzo attraverso il bronzo. Al termine di esso si ottiene un materiale costituito da circa un 40% da bronzo ed il restante 60% da acciaio, le proprietà di tale materiale sono paragonabili a quelle dell'acciaio P20.
I due stampi sono stati progettati utilizzando il programma SolidEdge 5.0, per la verifica dei modelli in formato stl è stato utilizzato il programma MagicsView 4.02 ed inoltre per le simulazioni del riempimento delle cavità è stato usato il programma C-Mold. Nell'elaborazione del progetto di ciascun stampo, la prima condizione che si è rispettata è quella del massimo volume che si può fabbricare mediante il processo SLS del RapidSteel 2.0. Tale restrizione è rappresentata dalle dimensioni del crogiolo in cui il pezzo viene posizionato (insieme alle placche d'infiltrazione) all'interno del forno. Durante la fase di progettazione si è cercato di ottimizzare al meglio il tempo necessario alla realizzazione degli stampi con il processo SLS, minimizzando la loro altezza. Le geometrie dei due stampi, sono state create in modo tale da sfruttare al massimo le caratteristiche tecnologiche del processo SLS. Infatti nello stampo per portapenne i canali di raffreddamento sono stati direttamente realizzati in fase di sinterizzazione; nella parte di stampo contenente la cavità del portapenne il sistema di raffreddamento è costituito da un canale di diametro 12mm che si sviluppa in forma elicoidale attorno alla cavità.
I due stampi al termine del processo SLS (sinterizzazione al laser e post-processi termici), hanno subito prima di essere impiegati nel processo di injection molding, delle lavorazioni meccaniche. Queste sono state necessarie per poter raggiungere in primo luogo, un grado di finitura superficiale adeguato al processo di injection molding ( le superfici dei due stampi presentavano al termine del ciclo d'infiltrazione un valore della rugosità superficiale RA compreso tra 10-16 mm), successivamente per consentire il montaggio dei due stampi sui piani della macchina (realizzazione dei moduli porta stampi e del sistema d'estrazione).
Il tempo impiegato per la realizzazione di ciascuno stampo è stato pari a circa 130 ore, ripartite nel modo seguente: 100 ore sono state necessarie per l'intero processo SLS del RapidSteel 2.0, le restanti 30 ore sono state impiegate per le lavorazioni meccaniche; i due stampi, visibili nelle foto 1 e 2, dopo le lavorazioni meccaniche sono stati provati nella macchina di injection molding, fino ad ora sono stati utilizzati per lo stampaggio di circa 1000 oggetti ciascuno, senza rilevare cedimenti o rotture del materiale.
A conclusione di questo lavoro, si può constatare che la tecnologia SLS, intesa sia come strumento di prototipazione rapida sia come mezzo di RapidTooling, non presenta particolari restrizioni sulle geometrie che si possono realizzare.
Un'altro aspetto che emerge, è quello relativo alla necessità di eseguire delle lavorazioni meccaniche su i manufatti realizzati con la tecnologia SLS del RapidSteel 2.0; ciò non rappresenta un problema se si pensa che tale tecnologia non deve sostituirsi ai normali processi di lavorazione che impiegano i macchinari a CNC, ma deve essere uno supporto tecnico durante la fase di pianificazione e sviluppo del prodotto. E' evidente che sfruttando a pieno le potenzialità realizzative del processo SLS del RapidSteel 2.0, in relazione alle tecnologie a CNC dove la costruzione di una geometria è limitata dalla dimensione dell'utensile, è possibile ottenere dei grossi vantaggi nella fabbricazione di stampi in termini di tempo e di costo. Allo stato attuale il processo SLS del RapiSteel 2.0, si manifesta piuttosto articolato, per la presenza dei due post-processi che non consentono un accurato controllo delle proprietà e delle dimensioni dei manufatti. Per quanto riguarda gli sviluppi futuri della tecnologia SLS applicata al Rapid Tooling, appare scontato che dovranno essere rivolti alla ricerca di nuovi materiali da utilizzare nel processo; ciò al fine di migliorare le proprietà meccaniche fisiche e chimiche degli stampi.

	Figura 1. Stampo per portapenne; particolare della cavità dello stampo, è possibile notare la superficie interna lavorata.
	Figura 2. Stampo per provetta. Si notano le due superfici delle parti lavorate meccanicamente.

	Contatto
	Ing. Federico Mecarelli E-mail: mecarellif@hotmail.com