teresa frye techform advanced casting .dettagli molto ravvicinati la “parete” di microfusione

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Teresa FryeTechForm Advanced Casting Technology

Teresa Frye ha maturato oltre 25 anni di esperienza di lavoro nellindustria della fusione di precisione. Ha dedicato i primi anni della carriera allattivit di vendita e marketing presso la Precision Castparts Corpo., al servizio di un ampio portafoglio clienti internazionali nel settore della fusione aerospaziale in Europa e in Giappone. Nel 1994 cofondatrice della TechForm Advanced Casting Technology. La TechForm ha avviato la propria attivit servendo i mercati aerospaziale e medico, affacciandosi allindustria gioielliera nel 1995 e specializzandosi nei metalli del gruppo del platino e nei metalli di base ad alta temperatura. Ha ottenuto il titolo di laurea in Affari Internazionali presso il Lewis & Clark College di Portland, in Oregon, USA.

Oggi i produttori di gioielli incorporano come mai prima dora modelli di fusione prodotti digitalmente nei loro processi di produzione. I costi delle macchine sono scesi significativamente e ora i produttori possono scegliere fra unampia variet di stampanti 3D e materiali. Nessuno di questi qualitativamente identico agli altri e le numerose prove raccolte, sia aneddotiche che documentate, indicano che i materiali usati nella produzione digitale hanno diversi livelli di successo nella microfusione. Le principali cause dei difetti connessi non sono state comprese appieno, tanto che nel settore si fanno ancora numerose ipotesi e vengono proposte varie soluzioni. Prima di tutto, verranno esaminati i comportamenti di alcuni dei principali materiali attraverso studi controllati, quindi far seguito una valutazione del movimento dimensionale sperimentato da tali materiali quando sottoposti a microfusione e cottura. I difetti di fusione saranno fatti risalire alle loro cause originali tramite lanalisi dimensionale e losservazione della morfologia dei difetti nei prodotti di fusione.

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Uno studio degli effetti dei modelli di fusione prodotti digitalmente sulla qualit delle fusioni

Teresa Fry Kevin MuellerPresidente Direttore operativoTechForm Advanced Casting Technology TechForm Advanced Casting TechnologyPortland, OR USA Portland, OR USA

INTRODUZIONELo studio dei comportamenti dei materiali per la prototipazione digitale non nulla di nuovo. Dalla comparsa sul mercato di queste tecnologie agli inizi degli anni novanta, sono stati compiuti numerosi sforzi per sviluppare materiali che oltre a permettere di immagi-nare e percepire un oggetto in 3D nella sua forma plastica, fornissero ottimi risultati nei modelli per fusione per una variet di metalli. Dalle ricerche finora compiute abbiamo appreso che tutti questi materiali esibiscono comportamenti diversi nel processo di fusione. Alcune soluzioni, come il build system QuickCast di 3D Systems, sono state oggetto di studi approfonditi con numerose pubblica-zioni in materia che aiutano a comprendere come ottenere la migliore fusione. Altri materiali sono troppo recenti oppure non esistono ancora pubblicazioni scientifiche a riguardo. Lobiettivo di questa ricerca fare chiarezza sullargomento e fornire ai designer di gioielli e alle fonderie strumenti pi efficaci per trovare il materiale che pi si addice alle loro esigenze individuali.

Nota: gli autori non sponsorizzano nessuno dei prodotti utilizzati in questo studio. Data la complessit dei macchinari e dei materiali usati non possibile trarre conclusioni accurate unicamente dallanalisi dei dati di questo studio.

MATERIALI PER MODELLI 3DI materiali utilizzati pi comunemente per i modelli 3D vengono classificati in tre gruppi sulla base delle rispettive propriet chimiche e ai fini di questo studio sono raggruppati nelle seguenti categorie: fotopolimeri (polimerizzazione attraverso la luce), materiali termo-plastici (tecnologie a getto) o a base di cera (tornitura CNC). La cera per iniezione, sebbene non utilizzata per la produzione digitale, stata inclusa come riferimento e metro di paragone. Nella tabella 1 riportato un elenco dei materiali per modelli con le rispettive classificazioni.

Classe materiale ID materiale Metodo DIGITALEFotopolimero A Stampa 3D polimerizzazione attraverso la luceFotopolimero B Stampa 3D polimerizzazione attraverso la luceMateriale termoplastico C Stampa 3D a gettoCerca polimerica (tornitura) verde D Tornitura CNCCerca polimerica (tornitura) blu E Tornitura CNCCerca polimerica (tornitura) viola F Tornitura CNCCerca polimerica (tornitura) arancione G Tornitura CNCResina cera idrocarburi verde H Iniezione stampi in plastica

Tabella 1 Materiali dei modelli

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GEOMETRIA DI PROVA E SCELTA DELLA LEGA

Figura 1 Geometria di prova

Per i nostri esperimenti abbiamo creato una geometria di prova progettata per favorire i difetti tipici riscontrati nella microfusione dei materiali per modelli 3D (Figura 1). Sulla base delle esperienze precedenti stata scelta una forma toroidale spesso con fori profondi, angoli appuntiti e rientranze complesse, ovvero caratteristiche che aumentano le probabilit che insorgano difetti. Di seguito vengono riassunte le caratteristiche della geometria scelta:

Angolo appuntito (A): Indipendentemente dal materiale del modello, gli angoli appuntiti possono compromettere fortemente il pro-cesso di fusione a causa della debolezza creata nel guscio/microfusione dalla tensione di un angolo di 90. Si potrebbe ipotizzare che questa condizione venga amplificata quando la velocit di espansione del materiale del modello molto elevata; la pressione interna applicata a un sistema gi indebolito causerebbe un danno precoce rispetto a quello che potrebbe essere causato dalla fusione con materiali con espansione minima.

Fori profondi/ciechi (B&C): Fori troppo profondi possono causare problemi per svariati motivi. In primo luogo, la microfusione interna non ha una grande massa ed dunque pi debole per sua natura. In secondo luogo, potrebbe essere difficile ottenere unanima molto densa poich il materiale potrebbe riempire il foro cieco in modo impreciso, ovvero sul fondo potrebbe rimanere intrappolata dellaria oppure lincollaggio della microfusione al modello potrebbe non avvenire completamente. Infine, cosa pi importante ai fini di questo studio, lanima lunga e sottile potrebbe essere premuta in modo concentrico dal materiale del modello in espansione.

Forma toroidale spessa, con bordi appuntiti (D & E): Osservando i processi di produzione abbiamo riscontrato che i pezzi pi spessi tendono maggiormente a presentare difetti nella microfusione. La massa maggiore pu aumentare le sollecitazioni sulla microfusione non solo a livello dimensionale, ma anche in termini di ritenzione del calore e forza del metallo che entra ad alta velocit nella cavit dello stampo.

Rientranza complessa (F): Questo tipo di geometria lascia presumere che le forze applicate sulla microfusione siano molteplici. Tra i dettagli molto ravvicinati la parete di microfusione sottile. Se si verifica unespansione notevole del modello mentre la microfusione ancora nello stato verde, questa parete sottile e relativamente debole pu rompersi e i due dettagli fondersi in un unico elemento.

Lega: stata scelta una lega al 90% di platino e 10% di iridio data la sua elevata densit e le alte temperature del cassero e di colata che devono essere utilizzate nella fusione. Questi parametri estremi naturalmente mettono a repentaglio la qualit della fusione, di conseguenza rappresentano buoni indicatori di robustezza quando si considerano le reciproche prestazioni dei materiali per i modelli.

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ESPERIMENTI DI COTTURALa prima serie di esperimenti condotta era finalizzata a misurare la quantit di ceneri residue dopo la cottura. A tale scopo abbiamo utilizzato due contenitori; uno coperto per simulare il flusso daria ristretto di un tipico cassero di fusione e uno scoperto per il flusso daria libero (Figura 2).

Figura 2 Contenitore di cottura Aria piena

Materiale Deformazione Temperatura di ebollizione/cottura

Residuo con aria piena Residuo con flusso daria ristretto

Fotopolimero A 425C - 450C ~450C - 475C 5 4Fotopolimero B 275C ~450C 9 8Materiale termoplastico C 110C ~175C 3 2Cerca tornitura verde D 125C ~350C 5 1Cerca tornitura blu E 100C ~350C 5 2Cerca tornitura viola F 125C ~350C 4 1Cerca tornitura arancione G 150C ~390C 3 1Cerca iniezione verde H 75C ~240C 4 1

Tabella 2 Risultati di cotturaNota: 1= contenuto minimo di ceneri; 10 = contenuto massimo di ceneri. Per gli esempi vedere le Figure da 3 a 6.

Chiaramente, la scoperta pi interessante in questa fase del nostro studio stata la relativa scarsezza di residui di ceneri riscontrata con lutilizzo del contenitore coperto. Secondo la nostra ipotesi, la maggiore esposizione allaria e il potenziale di circolazione of-ferto dal contenitore aperto avrebbero dovuto avere come effetto un minor residuo di ceneri. Il risultato stato sorprendentemente lopposto. Anche per i fotopolimeri, coprendo il contenitore i residui di cenere si sono in parte ridotti.Alla luce di queste scoperte andrebbero condotti ulteriori esperimenti con casseri per fusione veri.

In sintesi, tutti i materiali hanno lasciato un certo residuo di ceneri dopo la cottura. Il residuo pi basso stato riscontrato con la cera arancione, mentre il pi alto con i fotopolimeri.La Figura 3 mostra il volume di ceneri raffrontato con la punta di una penna. Partendo da questi risultati, nello studio di correlazione seguente verr analizzata la corrispondente morfologia del difetto.

Fotopolimero Cera per tornitura verde Cera per tornitura arancioneFigura 3 Residui di ceneri Aria piena

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MISURAZIONI DELLESPANSIONE TERMICA DEL MODELLO - BACKGROUNDNello studio