Robotic Additive Manufactruing: analisi sperimentale e modellazione di processo per il miglioramento dell’accuratezza dimensionale e della qualità superficiale

Negli ultimi decenni le tecnologie di costruzione additiva AM (Additive Manufacturing) hanno portato un profondo e sostanziale cambiamento nel modo di concepire, progettare, disegnare e realizzare gli oggetti in una grande varietà di settori: dalla prototipazione rapida di componenti meccanici alla realizzazione di componenti funzionali da impiegare nei settori automotive, aerospace e biomedicale. Per sfruttare appieno le potenzialità di questa tecnologia, si registra un crescente interesse verso i processi di Robotic Additive Manufacturing (RAM), integrando robot seriali nella movimentazione degli estrusori necessari al processo di costruzione additiva. L’introduzione dei robot, solitamente di tipo antropomorfo con 6 gradi di libertà per l’organo terminale, permette di superare alcuni limiti imposti dalle tradizionali macchine a tre assi, fra i quali si citano i seguenti: • dimensioni ridotte del volume di lavoro; • caratteristico aspetto "a gradini" per le superfici dei componenti non parallele (o perpendicolari) al piano di costruzione; • necessità di strutture di supporto per sorreggere le parti sporgenti (overhangs); • anisotropia dei componenti, i quali presentano caratteristiche meccaniche molto diverse nelle tre direzioni spaziali. Sebbene la tecnologia RAM sia in grado di ovviare a tali inconvenienti, al contrario delle lavorazioni convenzionali di costruzione additiva e di quelle per asportazione di truciolo, evidenzia scarsa accuratezza dimensionale e finitura superficiale, spesso inaccettabili in ambito ingegneristico. Il presente lavoro di tesi propone una metodologia di analisi e ottimizzazione per il processo di Robotic Additive Manufacturing mediante la tecnologia Fused Deposition Modeling (FDM). La metodologia proposta mira a identificare i parametri che incidono sulla qualità del prodotto per anticiparne la valutazione durante le fasi di progettazione. Sono stati previste le fasi riportate di seguito. In un primo momento si è proceduto allo studio del materiale presente in letteratura. L’analisi critica dello stato dell’arte di tale tecnologia ha permesso di identificarne i punti forza e le problematiche ancora irrisolte, e i parametri di processo che maggiormente influenzano la finitura superficiale e l’accuratezza dimensionale dei manufatti. Per l’identificazione dei valori ottimali dei parametri, si prevede l’utilizzo di un Design Of Experiments (DOE) a tre fattori e tre livelli. I fattori individuati sono stati: • temperatura di estrusione del materiale; • quantità di materiale che viene estruso nell’unità di tempo; • distanza tra le linee adiacenti nella realizzazione delle pareti del contorno dei provini. Dopo aver stampato i provini si è proceduto a confrontarli con la geometria nominale valutando i seguenti parametri: • scostamento massimo (in valore assoluto) rispetto alle dimensioni nominali; • percentuale di punti della superficie che si trovano ad una distanza maggiore di 0,1 mm rispetto alla superficie del provino nominale. Per condurre la fase di ottimizzazione è stata impiegata la tecnica RSM (Response Surface Modeling). Dalla raccolta dei dati acquisiti si definisce un modello di regressione per ciascuna delle due uscite del problema e, successivamente, si procede con un’ottimizzazione multiobiettivo, in grado di fornire una condizione di "ottimo" del processo. Successivamente è stata svolta la simulazione del processo nella piattaforma integrata 3Dexperience, verificando la capacità di anticipare la valutazione della qualità del componente durante la fase di progettazione (progettazione integrata). Nell’ultima parte del lavoro vengono discussi i risultati ottenuti e messi in luce le problematiche ancora da risolvere e alcuni spunti per lavori futuri.