Stampa 3D per utensili e stampi: migliorare efficienza e precisione dei flussi di lavoro produttivi

La stampa 3D per tooling (utensileria) e stampi consente di potenziare l’efficienza e la precisione della manifattura, riducendo al minimo i costi di prototipazione e di produzione.

La stampa 3D è spesso considerata un’alternativa alle tecniche di manifattura tradizionali, come lo stampaggio e la lavorazione con macchinari. In fondo, questa soluzione presenta vantaggi unici rispetto a tali processi, come tempi di realizzazione molto brevi e libertà di progettazione. Tuttavia, in alcuni casi la stampa 3D risulta più efficace quando si affianca alle tecniche tradizionali, piuttosto che sostituirle interamente.  

Non a caso la stampa 3D per utensili (o “tool”, un termine che comprende anche il più ampio concetto di "tooling", ovvero l'insieme di attrezzature e processi necessari per la produzione) e stampi è una delle applicazioni più importanti della tecnologia di manifattura additiva, insieme alla prototipazione e alla produzione di parti. Diverse tecnologie di stampa possono essere impiegate, infatti, per fabbricare ausili di produzione essenziali come strutture di fissaggio del lavoro, stampi, matrici e altro ancora, facendo leva sui vantaggi chiave della stampa 3D in combinazione con le tecnologie esistenti.

Questo articolo analizza i vantaggi della stampa 3D per tooling e stampi, illustrando esempi reali e tendenze future.

Il ruolo del tooling e degli stampi nella manifattura  

Come accennato in precedenza, con il termine “tooling” si intende, in generale, un insieme di dispositivi utilizzati nella manifattura per conseguire l’efficienza produttiva e la coerenza tra i pezzi. A differenza dei macchinari con cui vengono utilizzati, questi strumenti sono spesso specifici per i pezzi destinati all’uso finale.

Alcuni esempi di tooling nella produzione sono:

• Stampi: utilizzati per dare forme specifiche al materiale fuso, iniettandolo o versandolo in una cavità apposita in cui si raffredda e si solidifica, fino a formare il pezzo desiderato.

• Inserti: sezioni intercambiabili di uno stampo che possono essere sostituite per modificare la geometria del pezzo stampato, consentendo personalizzazione e flessibilità.

• Matrici: strumenti utilizzati per il taglio o la modellazione di materiali secondo forme specifiche attraverso una serie di processi meccanici.

• Modelli: repliche di parti utilizzate per creare stampi o forme per vari processi produttivi.

• Maschere: dispositivi personalizzati che guidano il taglio o l’assemblaggio di un pezzo, garantendo precisione e ripetibilità nei processi di manifattura come la foratura o la saldatura.

• Strutture di fissaggio: dispositivi di supporto del lavoro utilizzati per tenere saldamente in posizione un pezzo e assicurare precisione e coerenza.  

• Ausili per l’ispezione: dispositivi utilizzati per agevolare l’ispezione e il controllo di qualità di parti e assemblaggi fabbricati.

• Effettori terminali: dispositivi o strumenti collegati all’estremità di un braccio robotico o di una macchina automatizzata che interagiscono con l’ambiente per eseguire compiti specifici.  

Sebbene questi dispositivi abbiano funzioni diverse, vengono tutti impiegati per rendere i processi di produzione più rapidi, più semplici, più coerenti e più sicuri per gli operatori.

Il tooling è utilizzato in una vasta gamma di processi di produzione. Ad esempio, gli stampi sono parte integrante dello stampaggio a iniezione e della fusione, le matrici sono impiegate in molti processi di formatura della lamiera e le strutture di fissaggio vengono utilizzate nelle lavorazioni meccaniche.

Vantaggi della stampa 3D per tooling e stampi  

La stampa 3D per utensili e stampi rappresenta una parte importante dell’industria della manifattura additiva e comprende una serie di processi di stampa, materiali e applicazioni. Nel complesso, la stampa 3D può essere vantaggiosa per la produzione di utensili grazie alla sua velocità, al basso costo per componenti singoli e piccoli lotti e alla libertà di progettazione.

Efficienza nella manifattura

I dispositivi di tooling stampati in 3D possono essere integrati in un flusso di lavoro produttivo con relativa facilità. Le tecniche tradizionali di realizzazione di utensili e stampi sono in genere più lente e richiedono più manodopera rispetto alla stampa 3D, con conseguenti rallentamenti nella produzione.

D’altra parte, molti sistemi di stampa 3D sono portatili, integrati e possono essere installati in prossimità della fabbrica, riducendo la latenza tra la produzione di utensili e quella delle parti.

Più precisione e libertà di progettazione

Mentre i processi tradizionali, come la lavorazione meccanica, consentono di realizzare tolleranze ridotte in termini di tooling, la stampa 3D offre un elevato livello di precisione e flessibilità di progettazione.

Processi come la stereolitografia garantiscono una risoluzione e una finitura superficiale eccellenti, adatte ad applicazioni come i modelli di stampaggio, mentre diversi processi di stampa sono in grado di produrre stampi con geometrie interne complesse che favoriscono il raffreddamento.

Applicazioni pratiche e casi di studio  

Le diverse tecnologie di stampa 3D si adattano a molteplici applicazioni di tooling. Ecco alcuni processi chiave e le applicazioni più indicate:

• Binder jetting: può essere utilizzato per produrre stampi in sabbia e nuclei altamente dettagliati e su larga scala per la fusione di metalli.

• Stereolitografia: può essere impiegata per produrre modelli sacrificabili per la microfusione o la fusione a cera persa, ideale per la produzione di gioielli su piccola scala ma anche per pezzi industriali (investment casting).

• SLS e FFF ad alta temperatura: possono essere usate per produrre ausili di produzione robusti e resistenti all’usura, come maschere e strutture di fissaggio, con materiali come nylon e PEEK.

• AM a metallo: processi come DMLS ed estrusione di metallo possono essere utilizzati per fabbricare stampi a iniezione con canali di raffreddamento conformali integrati

I casi concreti di tooling stampati in 3D si possono trovare in lungo e in largo. Ad esempio, la casa automobilistica tedesca Audi ha recentemente utilizzato le stampanti 3D UltiMaker FFF per la creazione di 200 diversi ausili tra strumenti, maschere e dispositivi durante la produzione dell’elettrica Audi E-Tron GT. La maggior parte degli ausili di produzione sono stati realizzati in PLA resistente o TPU flessibile.

Un’altra azienda, l’olandese Promolding, che si occupa di stampaggio, ha utilizzato le stampanti a getto di materiale Stratasys per prototipi di stampi a iniezione per la validazione finale del prodotto o per il suo sviluppo concettuale. L’azienda è stata in grado di produrre stampi in tre giorni, molto più velocemente rispetto alle sei settimane necessarie per la produzione tradizionale.

Trend futuri per la stampa 3D di tooling e stampi

È probabile che i progressi della tecnologia di stampa 3D contribuiranno a incrementarne l’uso per il tooling e gli stampi.

Tuttavia, potrebbero essere gli stampi a trarre i maggiori benefici dal miglioramento dei processi e dei materiali di stampa 3D, poiché ad oggi quelli stampati sono in genere adatti solo alla prototipazione. I progressi significativi nelle tecnologie di AM a metallo, come la fusione a letto di polvere e il binder jetting, avrebbero, in ultima analisi, il potenziale per contribuire alla creazione di stampi più resistenti e adatti alla produzione di massa.

Conclusioni

La stampa 3D per tooling e stampi rappresenta un modo per i produttori di aumentare la propria efficienza all’interno della fabbrica, spesso senza grandi investimenti, assicurando processi di produzione più precisi e ripetibili.

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