Rapid Tooling Indiretto

Questi processi sono, in alcuni casi, precedenti alla diffusione delle macchine di prototipazione veloce, tuttavia l’interesse è diventato più generale e le tecniche sono state migliorate grazie alla disponibilità di modelli realizzati a strati ed al crescente interesse commerciale.
I metodi indiretti per il Rapid Tooling indiretto industrialmente più diffusi sono:

Stampi in silicone:
è una delle tecniche più note e utilizzate nella costruzione rapida di stampi flessibili che garantiscono la produzione di un limitato numero di particolari (da 5 a 50) in un materiale prossimo a quello definitivo, da destinare alle prime verifiche funzionali. L’attrezzatura è realizzata in resina siliconica flessibile e permette il contenimento dei costi di gestione, di materiale, di manodopera e i tempi di esecuzione.

Per realizzare lo stampo in gomma si parte dal prototipo, sul quale vengono inseriti gli sfiati e i canali di colata e viene individuato il piano di divisione. Il tutto viene posizionato nella cassetta di contenimento in cui viene colata, a pressione atmosferica, la resina siliconica precedentemente degasata. Si effettua una seconda fase di degasaggio per eliminare l’aria inglobata durante la colata del materiale dello stampo, che viene infine posto in forno per l’indurimento. Grazie alla gomma traslucida utilizzata è possibile individuare nello stampo il piano di divisione e effettuare un taglio irregolare, ottenendo così un successivo perfetto accoppiamento per semplice graffatura. Si realizzano pertanto stampi flessibili, autodistaccanti, che permettono la formatura di particolari anche molto complessi.

Per stampare i prototipi funzionali si posizionano gli stampi siliconici nella camera sottovuoto, al raggiungimento di un certo livello di vuoto può avere inizio la colata o l’iniezione della resina.

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Spin Casting: viene utilizzato un silicone resistente alle alte temperature per realizzare uno stampo flessibile all’interno del quale è possibile colare leghe a base zinco con una temperatura di fusione prossima ai 500°.

La procedura da seguire per ottenere lo stampo è articolata nelle fasi seguenti:
  • si prelevano due dischi di silicone non vulcanizzato, si ricava l’alloggiamento del modello asportando manualmente una parte di silicone, si inserisce il master e si chiude lo stampo;
  • si effettua la vulcanizzazione dello stampo mediante una pressa riscaldata;
  • terminata la vulcanizzazione del silicone si apre lo stampo, si estrae il modello e si ricavano i canali di colata, la materozza e gli sfoghi per l’aria;
  • Viste le dimensioni dei dischi di silicone nel caso di elementi di ridotto ingombro è consigliabile la realizzazione di uno stampo multiimpronte.

A questo punto lo stampo è pronto e può essere disposto in una macchina centrifuga per effettuare la colata in modo da assicurare, grazie a una rotazione variabile tra i 200 e 1000 rpm, una uniforme distribuzione del materiale nello stampo evitando la formazione di porosità nel caso che si coli una lega metallica bassofondente. Nel caso in cui si utilizzino leghe termoresistenti da colata la forza centrifuga elimina la formazione di bolle d’aria all’interno del manufatto.
Trascorso un intervallo di tempo necessario al raffreddamento o alla polimerizzazione della resina si procede all’apertura dello stampo e all’estrazione dei particolari.

Per quanto riguarda i materiali è possibile l’impiego di tutti quelli che possono essere introdotti in forma liquida nella centrifuga anche se si consigliano:
leghe di zinco per ottenere elementi metallici; gli stampi con tali materiali assicurano dalle 20 alle 50 colate;
poliuretani che appartengono alla famiglia dei polimeri termoresistenti, resine bicomponenti che devono essere miscelate prima della colata le cui durezze Shore disponibili variano tra A30 e D90.

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Stampi in resina rigida: i sistemi che utilizzano resine additivate, in particolare la resina epossidica, rappresentano le tecniche più diffuse per la produzione di attrezzatura su piccola scala. Uno tra i principali motivi a giustificazione della loro vasta applicazione è rappresentato dalla possibilità di realizzare stampi relativamente grandi con investimenti di capitale in attrezzature minimi. La limitata resistenza alle alte temperature e la scarsa conducibilità termica hanno ristretto le loro applicazioni ai processi di stampaggio a caldo di materie plastiche; tuttavia si stanno riscontrando ottimi risultati nei tentativi condotti per aumentare le conducibilità termica e la resistenza all’usura di questi tipi di resine.

Gli stampi in resina rigida sono sufficientemente resistenti per venire impiegati per lo stampaggio a iniezione dei termoplastici, fino a 500 stampate o per realizzare fino a 1000 copie di modelli in cera per microfusione.

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Stampi in lega bassofondente: per questi stampi vengono utilizzate leghe con basso punto di fusione ( massimo 300°C), che vengono colate in maniera del tutto analoga a quanto avviene per la realizzazione degli stampi al silicone o in resina rigida.

La maggior parte delle leghe bassofondenti contengono bismuto, un materiale che ha la rara proprietà di espandersi alla solidificazione, del 3.3% del suo volume. Calibrando quindi la composizione è possibile produrre una gamma di leghe che fondono tra i 20°C e 330°C sostanzialmente insensibili al ritiro.

Grazie ai bassi punti di fusione, queste leghe possono essere impiegate con i materiali più sensibili al calore, si fondono in acqua calda e sono di facile manipolazione. Vista la loro bassa o nulla dilatazione sono in grado di riprodurre perfettamente i dettagli e la finitura della superficie e possono essere colate su modelli ricavati da quasi tutti i materiali compresi quelli derivanti dalle tecniche PR.

I principali vantaggi dell’impiego delle leghe bassofondenti per la costruzione di attrezzaggi rapidi sono:

  • materiale di basso costo e completamente riutilizzabile; gli stampi non necessitano di finiture;
  • assenza di ritiro;
  • necessità di un unico modello per la costruzione dei due stampi;
  • semplicità di utilizzo viste le basse temperature di fusione.

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Stampi ottenuti con il metal spraying: La tecnologia del metal spraying viene utilizzata per la fabbricazione di stampi a partire dal modello realizzato con tecniche convenzionali o PR. Il concetto di metal spraying o metallizzazione a spruzzo, è noto da molti anni ed ha ricevuto un notevole impulso dall’introduzione della prototipazione veloce. Consiste nello spruzzare metallo fuso (tipicamente una lega bassofondente) direttamente sul prototipo, previa la deposizione di un distaccante, formando un rivestimento superficiale che dà origine allo stampo una volta solidificato.

Il materiale fuso viene deposto con un sistema di spruzzatura ad arco in cui la testa dello spruzzatore (pistola) viene alimentata con due bobine di filo metallico, le cui punte formano due elettrodi e al cui interno si fa passare una corrente elettrica di intensità molto elevata: si realizza in questo modo un arco elettrico che fonde le estremità metalliche. Le particelle fuse vengono atomizzate e accelerate da un getto di aria compressa, colpiscono la superficie del modello e solidificano. Il processo viene ripetuto finchè non si ottiene un guscio metallico dello spessore di alcuni millimetri.

Le leghe impiegate nella metallizzazione a spruzzo sono tipicamente a base di zinco e alluminio. Il processo impiega approssimativamente 15 minuti per ricoprire una superficie di 900 cm2 con uno strato metallico di 1.5mm. Il guscio metallico risulta poco resistente e deve essere poi rinforzato con resina epossidica caricata da particelle metalliche per aumentare la conducibilità termica.

Questo metodo risulta molto rapida, tuttavia comporta una certa difficoltà nella finitura delle superfici dello stampo, l'impossibilità di eseguire lavorazioni meccaniche e la scarsa durata degli stampi a causa della fragilità del materiale deposto.

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Il Processo KelTool: è una tecnica sviluppata per la produzione di attrezzatura destinata alla realizzazione di decine di migliaia di pezzi nel materiale definitivo con tolleranze dimensionali, rugosità delle superfici e durezza del tutto confrontabili con uno stampo di produzione in acciaio.

Il punto di partenza è costituito dalla matrice e dal punzone, realizzati in stereolitografia considerando sovradimensionamenti per:

  • ritiro della plastica da iniettare;
  • necessità di ripresa sulla macchina utensile dei bordi per la collocazione degli inserti nella base stampo;
  • sovrametallo per il ritiro del processo KelTool;
  • angoli di spoglia.

La qualità del punzone e della matrice condiziona la qualità degli inserti finiti, pertanto la costruzione deve avvenire con una macchina estremamente precisa così come è necessaria una finitura accurata per eliminare l’effetto staircase e il facetting.

Le fasi del processo KelTool vero e proprio sono:

  • produzione di una replica siliconica di precisione e temporanea;
  • riempimento della cavità con una miscela costituita da polvere metallica e legante;
  • estrazione dopo opportuno trattamento della matrice metallica dallo stampo in silicone temporaneo;
  • sinterizzazione della parte ed infiltrazione di rame per aumentare la densità dell’elemento;
  • esecuzione di eventuali trattamenti termici;
  • ripresa alla macchina utensile dei bordi prima dell’inserzione nella base stampo.

Gli inserti possono essere prodotti in acciaio per utensili A6, in stellite o in rame tungsteno nel caso di elettrodi per elettroerosione a tuffo.

Il KelTool riunisce la prerogativa di un processo di prototipazione rapida pur conducendo ad uno stampo molto prossimo a quello di definitivo di produzione.

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