Il documento discute l'applicazione della stampa 3D, o additive manufacturing, nella produzione di componenti per l'industria alimentare, evidenziando vantaggi come la riduzione di peso e costi attraverso la progettazione ottimizzata. Viene analizzato come la tecnologia possa migliorare l'efficienza nella realizzazione di oggetti complessi, anche pre-assemblati, e la necessità di nuove competenze progettuali. Vengono anche esplorati esempi pratici e sfide legate all'affidabilità e alle tolleranze, in particolare per parti della macchina alimentare realizzate con materiali specifici.

2. NPFP 2
“Applicazioni dell'Additive
Manufacturing a componenti di
macchine per l'industria
alimentare”
Prof. Ing. Andrea Gatto
Centro Intermech-MORE - Università di
Modena e Reggio Emilia

3. NPFP 3
STAMPA 3D
ovvero
ADDITIVE MANUFACTURING
IDEA
un qualunque oggetto
può essere pensato come
sovrapposizione di strati,
cioè di fette

4. NPFP 4
La costruzione di un solido tridimensionale complesso può quindi essere
ricondotta alla costruzione delle singole sezioni, una sull’altra
Le tecniche conosciute con il nome divulgativo di «stampa 3D» sono tutte
accomunate dal principio della costruzione additiva, come alternativa ai
processi sottrattivi tradizionali quali la lavorazione alle MU
ADDITIVE MANUFACTURING
è la denominazione stabilita dalla normativa

5. NPFP 5
Conseguenze di questa concezione innovativa:
Tempi e costi crescono man mano che
aggiungo materiale, quindi un componente
con molti vuoti o cavi costa meno di uno pieno
Posso costruire oggetti di grande
complessità geometrica, anche pre-
assemblati
L’oggetto deve essere completamente ripensato e i progettisti
necessitano di una formazione specifica

6. NPFP 6
Complessità geometrica

7. NPFP 7
Complessità geometrica

8. NPFP 8
Complessità geometrica

9. NPFP 9
Oggetti pre-assemblati

10. NPFP 10
Oggetti pre-assemblati

11. NPFP 11
Oggetti pre-assemblati

12. NPFP 12
Meglio vuoti che pieni
COSTO ↔ volume, altezza

13. NPFP 13
13
Benefits of Additive ManufacturingMeglio vuoti che pieni
OTTIMIZZAZIONE TOPOLOGICA

14. NPFP 14
14
Benefits of Additive ManufacturingMeglio vuoti che pieni

15. NPFP 15
15
Benefits of Additive ManufacturingMeglio vuoti che pieni

16. NPFP 16
Meglio vuoti che pieni

17. NPFP 17
Impatto economico / potenzialità
 1kg risparmiato su un aereo vale 700USD,
 ..su un satellite 3500USD
 La valutazione economica deve essere
ripensata globalmente

18. NPFP 18Fonte: DUPress.com
Bassi costi di investimento:
ideale per pezzi singoli o poche unità

19. NPFP 19
Design for AM: sfida
 Integrazione funzionale, ridotto assemblaggio
 Ottimizzazione topologica, geometria
complesse
 Incorporare specifiche potenzialità dell’AM
nella progettazione del pezzo

20. NPFP 20
Design for AM: sfida

21. NPFP 21
http://www.manufacturingthefuture.co.uk/design-guidelines/
Design for AM:
da tecnologie sottrattive ad additive

22. NPFP 22
• Massa <30% dell’originale
• Prestazioni migliori (percorsi di flusso ottimizzati)
• Lead time dimezzato

23. NPFP 23
Applicazioni
Componenti in metallo

24. NPFP 24
Applicazioni
Fusioni

25. NPFP 25
Applicazioni
Medicali

26. NPFP 26
Applicazioni
Industriali e di design

27. NPFP 27
27
Fonte:http://proto3000.com
Modelli concettuali

28. NPFP 28
28
Fonte:http://proto3000.com
Fonte:http://aero.polimi.it
Prototipi funzionali

29. NPFP 29
29
Direct Metal Laser Sintering
Fonti:http://www.williams3d.com.au
Polyjet 3D printed injection molding tools
Direct Metal Casting
Fonte:
http://www.racingdesignsolutions.com
Fonte:http://www.nf-castings.co.uk
AM per Investment casting – cera persa
Prototipi tecnologici

30. NPFP 30
Dal CAD al pezzo
CAD 3D
File .STL
Orientamento
Generazione supporti
Esecuzione slicing
Costruzione sezioni
Rimozione supporti
Pulizia ,Finitura
Post-trattamento
Prototipo
Sistema CAD
Software
Macchina RP
Macchina RP
Operazioni
manuali

31. NPFP 31
File STL

32. NPFP 32
File STL

33. NPFP 33
Slicing

34. NPFP 34
Slicing

35. NPFP 35
Slicing

36. NPFP 36
Costruzione slice

37. NPFP 37
Costruzione slice

38. NPFP 38
Orientazione

39. NPFP 39
Orientazione

40. NPFP 40
Design for AM: orientazione
A. minimo errore
staircase, minima
visibilità strati
B. soluzione
intermedia
C. massimo errore
staircase

41. NPFP 41
Design for AM: orientazione
A. massima resistenza
coerente con la
funzionalità del
pezzo
B. funzionalità non
garantita

42. NPFP 42
Design for AM: spessore strato

43. NPFP 43
Supporti

44. NPFP 44
Supporti

45. NPFP 45
Supporti

46. NPFP 46
Supporti

47. NPFP 47
Supporti

48. NPFP 48
Design for AM

49. NPFP 49
Volume di lavoro

50. NPFP 50
AM: potenziali vantaggi
 Time-to-market ridotti
 Costi ridotti (funzionalità integrata, no
assemblaggio)
 Libertà progettuale (componenti complessi e
leggeri)
 Personalizzazione

51. NPFP 51
AM: vantaggi

52. NPFP 52
AM: vantaggi
scambiatore di calore a geometria biomimetica

53. NPFP 53
AM: rischi
 Approccio progettazione nuovo
 Costo materie prime
 Know-how su processi e materiali
 Affidabilità

54. NPFP 54
Esempi: iniettore GE Aviation

55. NPFP 55
Esempi: GE Aviation
 ipotizzati 100,000
pezzi da AM entro
2020
 potenziale riduzione
del peso di un motore
454kg
 più di 300 macchine
AM in uso in GE,
annunciati
investimenti per
50MUSD

56. NPFP 56
AM: sviluppo

57. NPFP 57
AM: sviluppo

58. NPFP 58
AM: sviluppo
 alta produttività (10x)
 mass customization (100 stazioni)
 piattaforma flessibile di produzione

59. NPFP 59
Esempi: Boeing
Richiesta di brevettare metodo e attrezzature per ordinare e
produrre pezzi di ricambio aeronautici tramite AM
300 codici su 10 velivoli prodotti da AM in polimero  20,000 parti tot.
 Riduzione tempi
 Azzeramento magazzino

60. NPFP 60
Applicazione al settore
alimentare

61. NPFP 61
DRIVER1: VERIFICA DELLE POTENZIALITÀ DELL’ADDITIVE
MANUFACTURING PER LA PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI UN
COLLETTORE
Parti fisse e rotanti del collettore interamente
in additive di Ti-6Al-4V (alimentare) senza
variare l’attuale strategie di tenuta, diminuendo
no. parti e peso (ovvero volume e costi)
togliendo materiale ove non necessario
Costo elevato; difficoltà
nel mantenere le tolleranze
Media
Realizzazione in additive solo dei componenti più piccoli e
geometricamente più complessi.
Parti fisse e rotanti del collettore interamente
in additive di Ti-6Al-4V (alimentare) senza
variare l’attuale strategie di tenuta, diminuendo
no. parti e peso (ovvero volume e costi)
togliendo materiale ove non necessario
Mantenimento delle
rugosità richieste per i
vincoli igienici Ra<0,8
Elevato Elevato
Realizzazione di campioni (eventualmente in scala) e
verificà della rugosità ottenibile
Parte fissa del collettore interamente in
additive di Ti-6Al-4V (alimentare) senza
variare l’attuale strategie di tenuta diminuendo
il peso (ovvero volume e costi) togliendo
materiale ove non necessario e facendo canali
interni fluidodinamicamente migliorati
Costo elevato; difficoltà
nel mantenere le tolleranze
Basso Elevato
Realizzazione di una parte fissa collettore più corta (ad es.
corrispondente ad un solo canale di distribuzione anziché i
tre visibili in Fig. 3)
SOLUZIONI CONCETTUALI E ANALISI DEI RISCHI PER L’UTILIZZO
DELL’ADDITIVE MANUFACTURING NELLA COSTRUZIONE DEL COLLETTORE
Si è proceduto secondo due vie parallele: (i) progettazione e stampa di un condotto
semplificato; (ii) riprogettazione, secondo i criteri del Design for Additive
manufacturing, di un collettore ottimizzato per la tecnologia di produzione

62. NPFP 62
VERIFICA DELLE RUGOSITÀ RICHIESTE PER I VINCOLI IGIENICI
3D printed channel
simulating manifold
channels
Internal surface
finish and
improvement:
abrasive slurry
circulation
vs.
electropolishing

63. NPFP 63
VERIFICA DELLE RUGOSITÀ RICHIESTE PER I VINCOLI IGIENICI
3D printed channel (Marzo 2017)
acciaio inox AISI 316 L - EN 1.4404

64. NPFP 64
VERIFICA DELLE RUGOSITÀ RICHIESTE PER I VINCOLI IGIENICI
3D printed channel (Marzo 2017)
1
3
2
Figura 3: particolare delle zone di misurazione della rugosità interna
Zona 1 Zona 2 Zona 3 Media Dev. standard
14.5 17.3 15.6 15.8 1.41
1
3
2
Valore della rugosità media Ra [µm] interna al condotto

65. NPFP 65
VERIFICA DELLE RUGOSITÀ RICHIESTE
PER I VINCOLI IGIENICI
N
S E
O
1 2
3
Zone e
orientazione per
il calcolo della
rugosità
superficiale
esterna
Zona 1 Zona 2 Zona 3
Rugosità superficiale [µm] Sa = 7.92 Sz = 34.5 Sa = 10.5 Sz = 48.6 Sa = 9.59 Sz = 41.9
Orientazione cardinale E – O N - S E – O N - S E – O N - S
Orientazione costruzione 45° risp. layer // layer layer 45° risp. layer
Rugosità [µm]
3.16 4.23 4.81 9.07 5.61 4.26
2.91 4.22 4.08 8.59 4.95 6.29
4.92 3.79 5.39 3.36 3.63 4.67
2.91 5.21 5.80 3.99 4.75 3.81
3.73 4.92 3.93 7.03 5.71 6.49
Media 3.53 4.47 4.8 6.4 4.93 5.1
Deviazione standard 0.85 0.58 0.81 2.62 0.84 1.21

66. NPFP 66
VERIFICA DELLE RUGOSITÀ RICHIESTE PER I VINCOLI IGIENICI
3D printed channel (Marzo 2017)
Internal surface finish
improvement:
abrasive slurry circulation
(vs. electropolishing)
External surface finish
improvement: grinding
Comparative cleanability studies:
- as is
- abrasive slurry (internal side)
- grinding (external side)
(ongoing)
(scheduled)
acciaio inox AISI 316 L - EN 1.4404

67. NPFP 67
RIPROGETTAZIONE DEL COLLETTORE IN OTTICA DI DESIGN FOR
ADDITIVE MANUFACTURING

68. NPFP 68
RIPROGETTAZIONE DEL COLLETTORE IN OTTICA DI DESIGN FOR
ADDITIVE MANUFACTURING
Soluzione 1

69. NPFP 69
RIPROGETTAZIONE DEL COLLETTORE IN OTTICA DI DESIGN FOR
ADDITIVE MANUFACTURING
Soluzione 1

70. NPFP 70
RIPROGETTAZIONE DEL COLLETTORE IN OTTICA DI DESIGN FOR
ADDITIVE MANUFACTURING
Soluzione 1

71. NPFP 71
RIPROGETTAZIONE DEL COLLETTORE IN OTTICA DI DESIGN FOR
ADDITIVE MANUFACTURING
Soluzione 1
Figura 8: parte inferiore del collettore; di colore blu le superfici interne alle camere che vengono interamente sostenute da materiale
di supporto

72. NPFP 72
RIPROGETTAZIONE DEL COLLETTORE IN OTTICA DI DESIGN FOR
ADDITIVE MANUFACTURING
Soluzione 1

73. NPFP 73
RIPROGETTAZIONE DEL COLLETTORE IN OTTICA DI DESIGN FOR
ADDITIVE MANUFACTURING
Soluzione 1

74. NPFP 74
RIPROGETTAZIONE DEL COLLETTORE IN OTTICA DI DESIGN FOR
ADDITIVE MANUFACTURING
Soluzione 2

75. NPFP 75
Grazie per l’attenzione !
www.npfp.it