Una strada alternativa alla stampa 3D di grande formato
Thermwood Corporation sta lavorando a un sistema per realizzare stampi, attrezzature e componenti di grandi dimensioni assemblando una successione di strati ottenuti mediante lavorazione CNC di pannelli o lastre. Il principio presenta alcune analogie con la produzione additiva, perché l’oggetto viene costruito progressivamente per strati, ma invece di depositare materiale termoplastico fuso ogni livello viene ricavato da materiale già disponibile sotto forma di lastra.
Il metodo viene indicato nell’ambito delle tecnologie Cut Layer sviluppate da Thermwood Corporation e rappresenta un’estensione delle competenze accumulate dall’azienda nella produzione di sistemi CNC e nelle applicazioni industriali della manifattura additiva di grande formato.
Thermwood Corporation è conosciuta nel settore della produzione additiva soprattutto per la famiglia LSAM, Large Scale Additive Manufacturing, progettata per fabbricare stampi, attrezzature, modelli, componenti industriali e strutture di notevoli dimensioni utilizzando materiali termoplastici, compresi compositi rinforzati con fibre.
Con Cut Layer, tuttavia, Thermwood Corporation affronta il problema da una direzione diversa: invece di estrudere grandi quantità di polimero, utilizza macchine da taglio e lavorazione CNC per trasformare lastre di materiale in sezioni che vengono successivamente assemblate.
Come funziona la costruzione Cut Layer
Il punto di partenza è il modello digitale del componente da costruire. Il software suddivide virtualmente la geometria in una serie di strati e, quando necessario, divide ogni singolo strato in più segmenti.
Questi segmenti possono essere disposti in modo efficiente su pannelli di materiale più grandi attraverso tecniche di nesting, con l’obiettivo di utilizzare quanto più possibile la superficie disponibile della lastra.
Una macchina CNC rimuove quindi il materiale necessario per ottenere i singoli elementi. I segmenti appartenenti allo stesso livello vengono assemblati tra loro e i diversi livelli vengono sovrapposti fino a ottenere una struttura tridimensionale vicina alla forma finale richiesta.
Il componente così costruito può infine essere sottoposto a una lavorazione CNC di finitura per raggiungere le dimensioni, le tolleranze e la qualità superficiale previste dal progetto.
Thermwood Corporation considera materiali differenti per questo processo. Tra gli esempi descritti nella documentazione brevettuale compaiono materiali a base di legno, come MDF, e materiali metallici come l’alluminio.
La scelta dipende naturalmente dall’applicazione finale, dalle dimensioni del componente, dalla temperatura di esercizio, dai carichi meccanici richiesti e dal numero di cicli produttivi previsti per lo stampo o l’attrezzatura.
Perché non partire da un blocco pieno
Nella produzione di uno stampo di grandi dimensioni mediante lavorazione sottrattiva tradizionale è possibile partire da un volume di materiale molto superiore a quello effettivamente necessario e rimuoverne progressivamente una parte consistente.
Su componenti molto grandi questo approccio può diventare penalizzante in termini di costo del materiale, peso iniziale del grezzo, quantità di truciolo prodotto, tempi macchina e movimentazione.
Costruendo invece soltanto le pareti necessarie attraverso una successione di elementi tagliati da lastra, è possibile avvicinarsi alla geometria finale prima della lavorazione di finitura.
La logica è simile al concetto di near-net-shape utilizzato da Thermwood Corporation nei propri sistemi LSAM: costruire inizialmente una forma leggermente sovradimensionata rispetto al componente definitivo e utilizzare poi la fresatura per ottenere la geometria finale.
La differenza è sostanziale nel modo in cui quella forma iniziale viene prodotta. Nei sistemi LSAM il materiale viene estruso; nel processo Cut Layer è costituito da sezioni tagliate da lastre e successivamente unite.
Il problema delle grandi strutture cave
La costruzione di un utensile mediante pareti sovrapposte permette di ridurre notevolmente il volume del materiale utilizzato, ma introduce un problema strutturale.
Una grande struttura cava può infatti avere pareti sufficientemente robuste localmente ma presentare una rigidità complessiva insufficiente. Sotto il peso proprio, durante la movimentazione, durante la lavorazione CNC oppure durante l’utilizzo come stampo, alcune zone possono deformarsi o flettersi.
La questione diventa ancora più importante aumentando le dimensioni del componente.
Nella stampa 3D tradizionale è relativamente semplice progettare nervature, pareti interne, reticoli o altri elementi di irrigidimento e depositarli contemporaneamente alla parete esterna.
Nel sistema Cut Layer la situazione è differente. Ogni livello nasce da una lastra e gli elementi di supporto interni devono quindi essere progettati tenendo conto del modo in cui i diversi segmenti vengono tagliati e successivamente assemblati.
È proprio questo il problema affrontato dal brevetto di Thermwood Corporation dedicato alle strutture di supporto nei componenti Cut Layer.
Punti di ancoraggio integrati direttamente negli strati
La soluzione prevista da Thermwood Corporation consiste nel creare, durante il taglio di determinati segmenti, apposite strutture di ancoraggio che sporgono verso l’interno del componente.
Questi punti di ancoraggio diventano le sedi alle quali collegare elementi strutturali supplementari.
In pratica, invece di costruire soltanto il perimetro esterno di ogni livello, il sistema può lasciare intenzionalmente alcune porzioni di materiale rivolte verso la cavità interna.
Tra due o più di queste strutture possono essere montati barre, tiranti, travi, puntoni o altri elementi di irrigidimento.
I rinforzi possono collegare punti appartenenti allo stesso strato oppure estendersi tra livelli differenti. La loro disposizione dipende dalla geometria del componente e dalle esigenze strutturali.
In questo modo il grande volume interno dello stampo può rimanere in gran parte vuoto, mentre un numero relativamente limitato di elementi strutturali contribuisce ad aumentarne la rigidezza.
I rinforzi possono essere realizzati con materiali differenti
Uno degli aspetti interessanti del metodo brevettato da Thermwood Corporation è la possibilità di realizzare i rinforzi interni con un materiale diverso da quello impiegato per le pareti del componente.
Non esiste quindi la necessità di costruire l’intero utensile utilizzando un solo materiale.
Una struttura composta da pannelli relativamente economici potrebbe, per esempio, incorporare elementi interni scelti principalmente per la loro rigidità o resistenza.
In altre applicazioni la priorità potrebbe essere la riduzione del peso oppure la facilità con cui il rinforzo può essere collegato alle strutture di ancoraggio.
Questa separazione tra materiale della superficie e materiale della struttura interna offre al progettista una maggiore libertà.
Per uno stampo di grandi dimensioni non tutte le parti devono infatti svolgere la stessa funzione. La superficie esterna deve rispettare determinati requisiti geometrici e tecnologici, mentre gli elementi interni devono soprattutto sostenere i carichi e limitare le deformazioni.
Thermwood Corporation contempla inoltre la possibilità che alcune strutture interne vengano prodotte mediante manifattura additiva, combinando quindi lavorazione di lastre, assemblaggio, stampa 3D e fresatura all’interno dello stesso concetto produttivo.
Una struttura interna progettata solo dove serve
Un altro elemento importante del brevetto riguarda l’automazione della progettazione dei rinforzi.
Il sistema di controllo può essere configurato per chiedere all’operatore se il componente richiede strutture interne e identificare quali strati siano adatti a ospitare i punti di ancoraggio.
Il software può quindi stabilire dove creare queste geometrie e generare le informazioni necessarie per la lavorazione.
Il concetto può essere esteso ulteriormente utilizzando l’analisi della geometria del componente per individuare zone che richiedono maggiore sostegno.
In questo scenario la struttura interna non viene progettata come elemento indipendente dopo aver definito lo stampo, ma può diventare parte dello stesso processo di generazione dei livelli.
Per una tecnologia destinata alla produzione di utensili di grandi dimensioni questo passaggio è particolarmente significativo, perché la progettazione manuale di decine o centinaia di rinforzi potrebbe trasformarsi in un’attività complessa e soggetta a errori.
L’automazione permetterebbe invece di integrare la progettazione strutturale direttamente nel flusso CAD/CAM.
Giunti e assemblaggio dei segmenti
La costruzione mediante strati tagliati richiede anche un sistema affidabile per unire i segmenti appartenenti allo stesso livello e quelli appartenenti a livelli successivi.
Thermwood Corporation ha dedicato più famiglie di brevetti a questo problema.
I segmenti possono includere geometrie complementari che facilitano il posizionamento reciproco e migliorano la stabilità dell’assemblaggio. A seconda dell’applicazione possono essere utilizzati elementi di fissaggio meccanico, adesivi, spine, incastri o combinazioni di sistemi differenti.
Il fatto che Thermwood Corporation abbia sviluppato brevetti specifici anche per le connessioni tra segmenti mostra come Cut Layer non debba essere considerato semplicemente un metodo per impilare pannelli sagomati.
L’obiettivo è costruire un processo industriale nel quale suddivisione della geometria, nesting, taglio CNC, giunzione, rinforzo e lavorazione finale possano essere progettati come parti di un unico flusso produttivo.
Canali interni più semplici da realizzare
La costruzione a strati offre inoltre una possibilità interessante per componenti che devono contenere cavità o canalizzazioni.
Un canale interno complesso può essere difficile o impossibile da ottenere mediante fresatura partendo da un blocco pieno, soprattutto quando non esiste un accesso diretto per l’utensile.
Nel processo Cut Layer la geometria interna può invece essere ricavata direttamente nei singoli livelli prima dell’assemblaggio.
Una volta sovrapposte le sezioni, le aperture presenti nei diversi strati possono formare un percorso tridimensionale interno.
Thermwood Corporation ha affrontato nella propria attività brevettuale anche la creazione di canali per fluidi all’interno di componenti costruiti con questa metodologia.
La possibilità è interessante per stampi che richiedono circuiti di raffreddamento o riscaldamento, perché consente di prendere in considerazione geometrie interne non facilmente accessibili mediante lavorazione convenzionale.
Il rapporto con la tecnologia LSAM di Thermwood
Cut Layer non sostituisce necessariamente la produzione additiva LSAM sviluppata da Thermwood Corporation.
Le due tecnologie rispondono allo stesso problema generale — produrre componenti industriali molto grandi senza partire necessariamente da un blocco pieno — utilizzando però strategie differenti.
Con LSAM, Thermwood Corporation deposita materiali termoplastici in grandi cordoni. Il componente viene costruito leggermente sovradimensionato e viene poi lavorato mediante fresatura.
I sistemi LSAM dell’azienda possono integrare sullo stesso impianto la fase di deposizione e quella di trimming, e alcune configurazioni utilizzano due portali separati per permettere operazioni di stampa e lavorazione.
Thermwood Corporation propone questi sistemi per applicazioni come stampi per compositi, attrezzature industriali, modelli da fonderia, prototipi e componenti finali.
Cut Layer permette invece di utilizzare materiali già disponibili in forma di pannelli o lastre.
Questo può essere vantaggioso quando il materiale desiderato non è adatto all’estrusione oppure quando una struttura laminare assemblata offre un rapporto più conveniente tra costo, dimensioni, rigidità e tempi di produzione.
Un approccio ibrido tra additivo e sottrattivo
Dal punto di vista della classificazione industriale, Cut Layer occupa una posizione interessante.
La materia non viene aggiunta sotto forma di filamento, polvere o materiale fuso, ma il componente cresce comunque attraverso la sovrapposizione progressiva di livelli.
Ogni livello viene prodotto mediante una lavorazione sottrattiva, mentre l’oggetto complessivo nasce attraverso una costruzione per aggiunta e assemblaggio.
La successiva fresatura della superficie introduce infine una seconda fase sottrattiva.
Il risultato è quindi un processo ibrido nel quale CAD, nesting, lavorazione CNC, assemblaggio e finitura possono convivere nello stesso ciclo produttivo.
È anche un esempio di come la produzione additiva industriale possa andare oltre l’idea tradizionale di stampante 3D.
Per Thermwood Corporation, che costruisce macchine CNC dal 1969 e ha successivamente sviluppato sistemi di manifattura additiva su larga scala, l’integrazione tra lavorazioni additive e sottrattive costituisce una prosecuzione coerente delle tecnologie già presenti nel proprio portafoglio.
Meno materiale non significa rinunciare alla rigidezza
Il valore principale delle strutture interne brevettate da Thermwood Corporation risiede nell’affrontare uno dei compromessi fondamentali della costruzione di grandi utensili cavi.
Riducendo il materiale si riducono peso e costo, ma si rischia anche di diminuire la rigidezza della struttura.
Riempire completamente il volume interno risolverebbe parte del problema strutturale, ma cancellerebbe molti dei vantaggi economici della costruzione cava.
Inserire rinforzi soltanto nei punti necessari offre una soluzione intermedia.
La superficie dello stampo può mantenere lo spessore richiesto dal processo, mentre l’interno può utilizzare una struttura composta da elementi progettati principalmente per sostenere i carichi.
Il beneficio diventa potenzialmente più importante aumentando le dimensioni, perché su stampi lunghi diversi metri anche una variazione relativamente piccola della quantità di materiale impiegata può tradursi in differenze consistenti di massa.
Un tassello di una strategia brevettuale più ampia
Il brevetto sui supporti interni non è un’invenzione isolata nel portafoglio di Thermwood Corporation.
L’azienda ha sviluppato numerose proprietà intellettuali riguardanti produzione additiva di grande formato, controllo della deposizione, compensazione termica, compressione del materiale, costruzione near-net-shape e metodi per realizzare componenti utilizzando strati ricavati da materiale in lastra.
Per Cut Layer sono presenti anche brevetti riguardanti la creazione delle strutture a partire da segmenti tagliati e i sistemi di connessione tra le diverse sezioni.
Questo insieme di tecnologie indica che Thermwood Corporation sta cercando di definire un processo industriale completo, nel quale non è sufficiente stabilire la forma dei singoli strati: occorre anche risolvere il modo in cui vengono ricavati dalla materia prima, uniti, rinforzati e trasformati nel componente definitivo.
Le possibili applicazioni industriali
Una tecnologia di questo tipo appare particolarmente adatta a stampi, modelli e attrezzature nei quali le dimensioni rendono costoso produrre una struttura completamente piena.
Tra i settori potenzialmente interessati rientrano la lavorazione dei compositi, l’aerospazio, l’industria nautica, l’automotive, la produzione di modelli per fonderia e tutte le applicazioni che utilizzano grandi superfici sagomate.
La convenienza concreta dipenderà però dalla geometria del componente e dal materiale scelto.
Una struttura composta da numerosi strati richiede infatti operazioni di taglio, assemblaggio e controllo della precisione. Il vantaggio diventa quindi maggiore nei casi in cui la riduzione del materiale, la possibilità di ottenere cavità interne e la facilità di generare una forma near-net-shape compensano queste attività.
La presenza di rinforzi interni progettati insieme agli strati amplia il numero di geometrie che possono essere considerate, perché permette di costruire pareti relativamente sottili senza affidare tutta la rigidezza dello stampo al solo guscio esterno.
Dalla semplice sovrapposizione di pannelli a un processo industriale
L’aspetto più significativo del lavoro di Thermwood Corporation non è probabilmente il singolo tirante collocato all’interno di una struttura cava, ma il tentativo di automatizzare l’intero ragionamento che porta alla sua introduzione.
Partendo dal modello digitale, il sistema può suddividere il componente in strati, separare gli strati in segmenti adatti alle dimensioni delle lastre disponibili, creare giunti, predisporre punti di ancoraggio, definire supporti interni e produrre i percorsi CNC necessari.
Dopo l’assemblaggio, lo stesso componente può essere lavorato fino alle dimensioni definitive.
È questa integrazione tra progettazione digitale e produzione a rendere il concetto di Cut Layer di Thermwood Corporation più articolato della semplice costruzione di un oggetto mediante pannelli sovrapposti.
La tecnologia si inserisce inoltre in un settore nel quale dimensioni molto elevate, costo dei materiali e tempi di lavorazione possono determinare la convenienza di un intero processo produttivo.
La possibilità di utilizzare strutture cave opportunamente irrigidite offre a Thermwood Corporation un’ulteriore strada per produrre grandi stampi e attrezzature riducendo la quantità di materiale utilizzato, pur mantenendo la possibilità di intervenire sulla struttura interna in funzione delle esigenze meccaniche del componente.
” Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI) “
