IT202000015163A1 - Procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose, sistema e programma di elaborazione per l'attuazione di tale procedimento e modello geometrico tridimensionale computerizzato di una struttura tridimensionale reticolare o porosa - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose, sistema e programma di elaborazione per l'attuazione di tale procedimento e modello geometrico tridimensionale computerizzato di una struttura tridimensionale reticolare o porosa"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda in generale la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali, e pi? in particolare la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose.

Pi? specificamente, l'invenzione riguarda un procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose comprendenti una ripetizione ordinata di celle unitarie includenti una pluralit? di travi o pareti interconnesse, un sistema di elaborazione programmato per attuare un tale procedimento, un programma di elaborazione eseguibile da tale sistema di elaborazione ed un modello geometrico tridimensionale computerizzato di una struttura tridimensionale reticolare o porosa comprendente una ripetizione ordinata di celle unitarie includenti una pluralit? di travi o pareti interconnesse, atto ad essere rappresentato in un formato di file.

Le strutture reticolari o porose sono uno strumento molto utile in quanto offrono la possibilit? di sviluppare funzioni innovative e migliori propriet? termo-meccaniche in componenti meccanici che le incorporano, aumentando la libert? di progettazione rispetto a ci? che potrebbe essere fatto con materiali solidi a piena densit?. ? possibile ottenere strutture leggere con un'elevata resistenza specifica, migliorare le propriet? di smorzamento delle vibrazioni e lo scambio di calore, migliorare la biocompatibilit? per le applicazioni medicali. Le strutture reticolari/porose sono formate dalla ripetizione ordinata o stocastica di celle unitarie, ed a seconda della geometria di queste celle la porosit? risultante pu? essere aperta o chiusa. Le propriet? meccaniche delle strutture reticolari/porose sono influenzate da un gran numero di parametri, i principali sono: la topologia della cella unitaria, la densit? relativa, i parametri geometrici come il diametro delle travi componenti, lo spessore di parete e la dimensione di cella e dalle caratteristiche del materiale e del processo di fabbricazione additiva con cui sono ottenute.

La scelta del tipo di cella unitaria che compone la struttura reticolare/porosa e delle propriet? geometriche consente al progettista di creare strutture con propriet? variabili tarate in base alle esigenze del caso specifico.

Le strutture reticolari (denominate anche ?lattice? in inglese) sono particolarmente interessanti perch?, a seconda della loro topologia, presentano un comportamento sotto carico dominato da flessione o trazione/compressione. Queste strutture sono quindi adatte per essere ottimizzate per ottenere il comportamento meccanico desiderato punto per punto, ad esempio per ottenere strutture reticolari con elevata resistenza meccanica specifica e buone propriet? di smorzamento.

Le strutture a reticolo sono pi? facili da sfruttare rispetto alle schiume, poich? ? possibile generare materiali con densit? relativa e propriet? meccaniche controllate. Si possono ottenere prodotti leggeri ad alte prestazioni o aggiungere valore a progetti esistenti attraverso l'implementazione di nuove funzionalit? e propriet? termo-meccaniche avanzate, non ottenibili con le tradizionali tecnologie di produzione.

Un procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose, comprendenti una ripetizione ordinata di celle unitarie includenti una pluralit? di travi o pareti interconnesse, comprende generalmente:

- la predisposizione di un modello geometrico tridimensionale computerizzato della struttura;

- l'estrazione da detto modello geometrico tridimensionale di una pluralit? di piani di sezione corrispondenti ad una pluralit? di strati di fabbricazione additiva a partire da un predeterminato materiale precursore;

- l'esecuzione di una strutturazione del materiale precursore, che interessa i contorni e le aree definite dall'intersezione tra il modello geometrico tridimensionale e i detti piani di sezione. Detta strutturazione del materiale precursore avviene strato per strato, mediante applicazione di un fascio laser o di elettroni, o pi? in generale di mezzi di strutturazione - poich? sono possibili anche tecniche di trasformazione dei materiali non legate all'azione di un fascio laser o elettronico. Qui, ed in seguito, con "strutturazione" si intende la trasformazione del materiale precursore in forma solida e continua.

Il modello geometrico tridimensionale computerizzato della struttura comprende, ad esempio, una pluralit? di superfici rappresentative di una corrispondente pluralit? di travi o pareti interconnesse della struttura, discretizzate in triangoli, ed ? atto ad essere memorizzato in formato elettronico (*.stl) sotto forma di un insieme di coordinate spaziali dei vertici di ogni triangolo e un vettore che descrive l'orientazione della normale alla superficie del triangolo in un sistema di riferimento della struttura.

I piani di sezione estratti dal modello sono tra loro paralleli ed ortogonali alla direzione di costruzione della struttura, e corrispondono a strati di fabbricazione additiva di spessore predefinito; tali strati di fabbricazione sono oggetto di strutturazione di un materiale precursore, ad esempio sotto forma di polveri metalliche o polimeriche o di deposizione tramite ugello controllato. Un processo di fabbricazione additiva procede alla costruzione di una struttura desiderata (programmata) tramite addizione di materiale a strati, ovvero strato su strato. Questo implica la necessit? di definire la geometria dei singoli strati bidimensionali che compongono la struttura. L'intersezione tra i piani di sezione e i triangoli di discretizzazione del modello definisce una o pi? traiettorie di lavorazione di un fascio laser o di elettroni (o, pi? in generale, dei mezzi di strutturazione), per ogni strato di fabbricazione additiva del materiale.

La strutturazione del materiale precursore avviene mediante applicazione del fascio laser o di elettroni (o dei mezzi di strutturazione) in aree definite da dette traiettorie di lavorazione.

Le tecniche tradizionali di modellazione 3D maggiormente note ed utilizzate, impiegate per la creazione di modelli geometrici di strutture reticolari o porose da produrre con tecnologie di fabbricazione additiva, si basano sulla creazione di modelli di superficie chiusi (watertight) di travi o celle in cui la distinzione tra superficie interna ed esterna del componente ? chiara e netta, ossia ? possibile identificare chiaramente l'interno e l'esterno del volume dell'oggetto 3D.

Prima dell'avvio della fase produttiva, il modello di superficie (in genere in formato .stl) ? sottoposto ad un'operazione di ?slicing? che genera la geometria dei singoli strati, definendo contorni e aree interessate dal processo di fabbricazione additiva. Quindi, il programma di governo della macchina utensile predisposta per la fabbricazione additiva gestisce la movimentazione della sorgente o del sistema responsabile della strutturazione del materiale elaborando strato per strato le aree poligonali (che possono costituire ad esempio una approssimazione di aree circolari ideali) dai contorni chiusi. Non ? prevista la possibilit? di elaborare singoli punti isolati.

Nel caso della tecnologia denominata Selective Laser Melting (SLM) la creazione di una struttura avviene per effetto della fornitura di calore da parte di una sorgente laser che provoca la fusione selettiva del materiale precursore grezzo sotto forma di polveri e la sua conseguente solidificazione, strato per strato, nelle aree predefinite. La sorgente laser proietta su ciascuno strato uno spot di sezione circolare di diametro variabile.

La tecnologia SLM ? particolarmente adatta alla produzione di una struttura reticolare/porosa formata dalla ripetizione di celle unitarie, poich? ? in grado di riprodurre la sua complessa geometria, pur con i dovuti accorgimenti.

Nel caso di strutture reticolari composte dalla ripetizione di celle unitarie, i tempi di progettazione e produzione possono essere molto lunghi. Le superfici chiuse che costituiscono il modello della struttura reticolare richiedono per la loro rappresentazione un numero elevato di triangoli di discretizzazione; di conseguenza il modello della struttura reticolare ? rappresentabile attraverso strutture di dati imponenti, che richiedono un onere computazionale elevato in fase di discretizzazione, una memoria di immagazzinamento dati altrettanto voluminosa per la rappresentazione digitale del modello ed un onere computazionale elevato per l'estrazione dei piani di sezione corrispondenti agli strati di fabbricazione additiva (slicing).

Per risolvere tale problematica ? stato sviluppato un approccio differente, documentato in letteratura, per la produzione di strutture reticolari. Si tratta della tecnica Laser Spot Welding (LSW) in cui la geometria del reticolo viene definita strato per strato per mezzo di punti che descrivono il centro delle sezioni circolari/ellissoidali delle travi che ne compongono la geometria, ossia il modello della struttura include esclusivamente un reticolo di segmenti lineari che costituiscono gli assi delle travi.

Questa tecnica richiede l?utilizzo di strumenti di modellazione appositamente programmati o strumenti commerciali di nicchia che utilizzano formati di interscambio dati non comuni (ad esempio, Betatype). Inoltre, la rappresentazione geometrica ?per punti? non ? universalmente supportata dalle macchine per produzione additiva disponibili in commercio, non essendo prevista dai formati di interscambio standard; pertanto la realizzazione di strutture reticolari sfruttando la tecnica LSW ? possibile solo se l?attrezzatura SLM a disposizione ? compatibile con formati di interscambio non comuni che supportano la rappresentazione per punti o ? ?aperta? alla programmazione diretta della traiettoria dello spot laser.

In figura 1 e figura 2 sono mostrate rispettivamente una rappresentazione di una struttura tridimensionale reticolare a travi secondo un modello 3D watertight per tecniche di strutturazione SLM ed un modello 3D lineare per tecniche di strutturazione LSW. La struttura presa ad esempio ? una struttura reticolare con topologia FBCCZ.

Un modello di struttura reticolare come in figura 1, in cui ogni superficie racchiude un volume della struttura, permette di identificare, per ogni piano di sezione corrispondente ad uno strato di fabbricazione additiva, uno o pi? contorni chiusi C che determinano le aree di lavorazione di un materiale per mezzo di un fascio laser B, il quale ? governato per seguire la traiettoria del contorno C e una serie di traiettorie "di riempimento" F interne al contorno, come mostrato in figura 3. L'incidenza del fascio laser sul materiale precursore genera una pozza di fusione W del materiale medesimo che determina con la successiva solidificazione la struttura desiderata. L'identificazione dei contorni che determinano le aree di lavorazione del materiale per ogni strato di fabbricazione additiva ? eseguita da uno ?slicer?, predisposto per riconoscere nel modello il volume della struttura rispetto a ci? che ? esterno ad esso e per creare traiettorie di lavorazione di riempimento dell'area compresa all'interno del contorno.

Un modello di struttura reticolare come in figura 2 permette di identificare, per ogni piano di sezione corrispondente ad uno strato di fabbricazione additiva, uno o pi? punti di esposizione al fascio laser B, il quale ? governato per proiettare uno spot S di dimensione predeterminata in corrispondenza di ciascun punto di esposizione per generare una pozza di fusione W del materiale precursore che determina con la successiva solidificazione la strutturazione del materiale, come mostrato in figura 4, accendendosi e spegnendosi per trattare ciascun punto di esposizione separatamente.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una soluzione soddisfacente ai problemi in precedenza esposti, evitando gli inconvenienti della tecnica nota. In particolare, scopo dell'invenzione ? fornire una metodologia per la modellazione e la produzione additiva rapida di strutture reticolari e porose composte da celle unitarie aventi caratteristiche geometriche di piccole dimensioni.

Pi? specificamente, la presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una tecnica di fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose a partire da un materiale precursore, basata su un modello geometrico tridimensionale computerizzato della struttura, che presenti minori oneri computazionali rispetto alle tecniche note sia nella fase di progettazione e del processo produttivo che nel governo degli utensili di strutturazione del materiale, senza detrimento della qualit? di fabbricazione.

Ancora pi? specificamente, la presente invenzione si prefigge lo scopo di realizzare un modello geometrico tridimensionale computerizzato di una struttura tridimensionale reticolare o porosa, semplificato sebbene compatibile con le macchine utensili comunemente utilizzate in processi di fabbricazione additiva e i loro software di governo. L'invenzione si propone anche lo scopo di fornire un procedimento per la fabbricazione additiva di una struttura tridimensionale reticolare o porosa applicabile a partire da detto modello.

Secondo la presente invenzione tali scopi vengono raggiunti grazie ad un procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

Forma un ulteriore oggetto dell'invenzione un modello geometrico tridimensionale computerizzato di una struttura tridimensionale reticolare o porosa avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 16.

Formano ancora ulteriore oggetto dell'invenzione un sistema ed un programma di elaborazione, come rivendicato.

Modi particolari di realizzazione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto ? da intendersi come parte integrante della presente descrizione.

In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di semplificare la tecnica nota di fabbricazione additiva attraverso la generazione di un modello 3D semplificato di una struttura tridimensionale reticolare o porosa con l?utilizzo di superfici aperte, ossia puramente bidimensionali, in luogo di superfici chiuse, in altre parole utilizzando primitive bidimensionali (ad esempio, nella forma pi? semplice poligoni piani, vantaggiosamente quadrilateri, per la modellazione delle travi) in luogo di primitive tridimensionali (ad esempio, cilindri). Tali superfici aperte (primitive bidimensionali) definiscono - in intersezione con una pluralit? di piani di sezione paralleli di detta struttura tridimensionale ortogonali alla direzione di costruzione della struttura, corrispondenti ad una pluralit? di strati di fabbricazione additiva - una o pi? traiettorie di lavorazione del materiale precursore nella forma di segmenti o linee spezzate percorribili dai mezzi di strutturazione, diversamente dalla tecnica nota in cui le superfici chiuse definiscono - in intersezione con una pluralit? di piani di sezione paralleli di detta struttura tridimensionale ortogonali alla direzione di costruzione della struttura, corrispondenti ad una pluralit? di strati di fabbricazione additiva - i contorni di una o pi? aree di lavorazione del materiale precursore destinate ad essere spazzate dai mezzi di strutturazione. Per la strutturazione di aree del materiale in ogni strato di fabbricazione additiva l'invenzione ricorre all'associazione con il modello di un predeterminato valore o un insieme di valori di almeno un parametro di lavorazione del materiale precursore, quale la dimensione di spot, la potenza o la velocit? di scansione di un fascio laser o di elettroni di lavorazione, in funzione degli strati di fabbricazione additiva o della posizione locale lungo le traiettorie di lavorazione. Vantaggiosamente, per la strutturazione di aree estese del materiale in ogni strato di fabbricazione additiva l'invenzione ricorre alla generazione di un modello 3D semplificato con una pluralit? di superfici aperte parallele.

In altre parole, l'invenzione ? caratterizzata dalla determinazione della morfologia della struttura tridimensionale reticolare o porosa per mezzo di una o pi? traiettorie dei mezzi di strutturazione e da associati parametri di processo, contrariamente alla tecnica nota in cui la morfologia della struttura tridimensionale ? determinata esclusivamente dai contorni geometrici delle aree di lavorazione.

Ancora, contrariamente alla tecnica nota in cui i parametri di processo sono fissi, e ad esempio lo spot del fascio laser ? ridotto affinch? nell'inseguire la traiettoria di contorno di un'area di lavorazione si rappresenti una geometria della struttura quanto pi? vicina al modello tridimensionale, secondo l'invenzione lo spot del fascio laser ? ampliato affinch? esso da solo configuri l'area di lavorazione del materiale precursore.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno pi? dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

le figure 1 e 2 mostrano rispettivamente due rappresentazioni di una struttura tridimensionale reticolare a travi con topologia FBCCZ secondo un modello 3D watertight per tecniche di fabbricazione additiva SLM ed un modello 3D lineare per tecniche di fabbricazione additiva LSW;

la figura 3 mostra un'area di lavorazione in uno strato di materiale precursore per mezzo di un fascio laser in un processo di fabbricazione additiva basato su un modello 3D watertight per tecniche di fabbricazione additiva SLM;

la figura 4 mostra un'area di lavorazione in uno strato di materiale precursore per mezzo di un fascio laser in un processo di fabbricazione additiva basato su un modello 3D lineare per tecniche di fabbricazione additiva LSW;

la figura 5 ? un diagramma di flusso del procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose secondo l'invenzione;

la figura 6 ? un modello 3D watertight secondo la tecnica nota di una cella unitaria di una struttura reticolare con topologia BCC;

la figura 7 ? un modello 3D semplificato secondo l'invenzione di una cella unitaria di una struttura reticolare con topologia BCC;

la figura 8 ? un diagramma di slicing del modello di figura 6, ottenuto per intersezione del modello di figura 6 con una pluralit? di piani di sezione paralleli della struttura, rappresentativo delle aree di lavorazione su strati del materiale precursore della struttura secondo la tecnica nota;

la figura 9 ? un diagramma di slicing del modello di figura 7, ottenuto per intersezione del modello di figura 7 con una pluralit? di piani di sezione paralleli della struttura, rappresentativo delle traiettorie di lavorazione su strati del materiale precursore della struttura secondo l'invenzione;

la figura 10 ? un modello 3D watertight secondo la tecnica nota di otto celle unitarie (2x2x2) di una struttura reticolare con topologia BCC;

la figura 11 ? un modello 3D semplificato secondo l'invenzione di otto celle unitarie (2x2x2) di una struttura reticolare con topologia BCC;

la figura 12 ? un modello 3D watertight secondo la tecnica nota di una cella unitaria di una struttura porosa secondo il modello di Schoen F-RD;

la figura 13 ? un modello 3D semplificato secondo l'invenzione di una cella unitaria di una struttura porosa secondo il modello di Schoen F-RD;

la figura 14 ? un diagramma di slicing del modello di figura 12, ottenuto per intersezione del modello di figura 12 con una pluralit? di piani di sezione paralleli della struttura, rappresentativo delle aree di lavorazione su strati del materiale precursore della struttura secondo la tecnica nota;

la figura 15 ? un diagramma di slicing del modello di figura 13, ottenuto per intersezione del modello di figura 13 con una pluralit? di piani di sezione paralleli della struttura, rappresentativo delle traiettorie di lavorazione su strati del materiale precursore della struttura secondo l'invenzione;

La figura 16 mostra un confronto tra aree di lavorazione e traiettorie di lavorazione in strati risultanti dallo slicing del modello della tecnica nota SLM (a), del modello della tecnica nota LSW (b) e del modello semplificato oggetto dell'invenzione (c);

la figura 17 ? un diagramma di slicing di un modello 3D semplificato secondo l'invenzione di una cella unitaria di una struttura reticolare con topologia BCC, ottenuto per intersezione del modello con una pluralit? di piani di sezione paralleli della struttura, rappresentativo delle traiettorie di lavorazione su strati del materiale precursore della struttura secondo l'invenzione, in cui il modello 3D semplificato presenta una pluralit? di superfici aperte parallele tra loro;

la figura 18 ? un diagramma di slicing di un modello 3D semplificato secondo l'invenzione di una cella unitaria di una struttura porosa secondo il modello di Schoen F-RD, ottenuto per intersezione del modello con una pluralit? di piani di sezione paralleli della struttura, rappresentativo delle traiettorie di lavorazione su strati del materiale precursore della struttura secondo l'invenzione, in cui il modello 3D semplificato presenta una pluralit? di superfici aperte parallele tra loro; e

la figura 19 mostra schematicamente un sistema per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose.

La figura 5 ? un digramma di flusso di un procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose comprendenti una ripetizione ordinata di celle unitarie includenti una pluralit? di travi o pareti interconnesse, secondo l'invenzione.

Il procedimento comprende una fase 100 di predisposizione di un modello geometrico tridimensionale computerizzato di una struttura, comprendente una struttura di dati che definisce una pluralit? di superfici aperte rappresentative di una corrispondente pluralit? di travi o pareti interconnesse della struttura. Il modello geometrico ? un modello semplificato rappresentabile in un formato di file elettronico STL, in cui le superfici aperte rappresentative della struttura sono discretizzate in triangoli, ed il modello ? atto ad essere memorizzato sotto forma di un insieme di coordinate spaziali dei vertici di ogni triangolo e un vettore che descrive l'orientazione della normale alla superficie del triangolo in un sistema di riferimento della struttura.

In una fase successiva 200, o "slicing" ? estratta dal modello geometrico tridimensionale una pluralit? di piani di sezione paralleli della struttura, ortogonali alla direzione di costruzione della struttura, corrispondenti ad una pluralit? di strati di fabbricazione additiva di spessore predefinito di un predeterminato materiale precursore depositato preventivamente su una piattaforma di costruzione o apportato in corso d'opera attraverso un ugello. L'intersezione tra i piani di sezione ed i triangoli di discretizzazione delle superfici del modello geometrico tridimensionale definisce una o pi? traiettorie di lavorazione che vengono percorse dai mezzi di strutturazione, come ad esempio un fascio laser o di elettroni, per eseguire la strutturazione di un predeterminato materiale precursore sottoforma di polvere o depositato tramite ugello; la strutturazione consiste nella trasformazione di detto materiale precursore in forma solida e continua, per ogni strato di fabbricazione additiva di detto materiale. Dette una o pi? traiettorie di lavorazione sono segmenti e/o linee spezzate.

Al passo 300 ? eseguita una strutturazione del materiale precursore mediante applicazione dei mezzi di strutturazione, ad esempio del fascio laser o di elettroni, esclusivamente lungo detta una o pi? traiettorie di lavorazione, secondo almeno un parametro di lavorazione predeterminato del fascio laser o di elettroni di strutturazione.

Il termine "esclusivamente" riferito all'applicazione dei mezzi di strutturazione lungo una o pi? traiettorie di lavorazione indica che detti mezzi di strutturazione lavorano il materiale precursore strato per strato inseguendo soltanto tali traiettorie e non altre traiettorie, quali ad esempio traiettorie di riempimento di aree di lavorazione definite da una linea di contorno.

Vantaggiosamente, le superfici aperte discretizzate in triangoli sono superfici piane, ad esempio figure poligonali, convenientemente quadrilateri, e le traiettorie di lavorazione sono segmenti e/o linee spezzate aperte.

L'estrazione dal modello geometrico tridimensionale di una pluralit? di piani di sezione della struttura corrispondenti ad una pluralit? di strati di fabbricazione additiva del materiale precursore avviene per mezzo di uno "slicer", ossia un programma di elaborazione utilizzato per la conversione di un modello a oggetti 3D in istruzioni specifiche per una macchina utensile per la fabbricazione additiva.

Vantaggiosamente, il parametro di lavorazione ? controllato in funzione della pluralit? di strati di fabbricazione additiva e/o localmente lungo dette traiettorie di lavorazione.

Il parametro di lavorazione comprende almeno uno tra la dimensione di spot, la potenza e la velocit? di scansione del fascio laser o di elettroni di strutturazione, ed ? definito da almeno un predeterminato valore memorizzato in un modello di parametri di lavorazione del materiale precursore associato al modello geometrico tridimensionale computerizzato della struttura, oppure ? definito da almeno un predeterminato valore associato ai piani di sezione dei triangoli di discretizzazione nel modello geometrico tridimensionale computerizzato della struttura.

L'invenzione ? meglio descritta per confronto tra un modello 3D watertight secondo la tecnica nota ed un modello 3D semplificato secondo l'invenzione di una cella unitaria di una struttura reticolare con topologia BCC, rappresentati rispettivamente nelle figure 6 e 7.

Il modello 3D watertight comprende quattro travi incrociate T a sezione circolare, mentre il modello 3D semplificato secondo l'invenzione comprende quattro quadrilateri (rettangoli) Q ugualmente incrociati. Specificamente, ogni elemento del modello 3D semplificato della cella unitaria con topologia BCC ? costituito da triangoli complanari, che formano poligoni piani atti a descrivere una rispettiva trave a sezione circolare della suddetta struttura reticolare.

Sfruttando la metodologia convenzionale, le travi a sezione circolare di un modello 3D watertight vengono discretizzate utilizzando un cospicuo numero di superfici triangolari, nella fattispecie 712. Nel caso della metodologia innovativa, l?asse di rotazione di ciascuna delle travi cilindriche ? approssimato utilizzando una superficie rettangolare il cui lato minore ha dimensione trascurabile rispetto a quella del lato maggiore, e l'intera struttura ? discretizzabile in 8 triangoli.

Eseguendo l?operazione di slicing si seziona la struttura lungo la direzione di costruzione, generando un insieme di superfici bidimensionali che sovrapposte permettono di ricostruire additivamente la geometria della struttura iniziale. Tale operazione prevede l?intersezione tra piani di sezione perpendicolari all?asse di costruzione e le superfici triangolari che costituiscono il modello 3D della struttura. Per ogni sezione vengono individuati i contorni dei poligoni o segmenti generati dall?intersezione tra il piano e la superficie della struttura 3D. I risultati dello slicing delle strutture mostrate nelle figure 6 e 7 sono rappresentati rispettivamente nelle figure 8 e 9. Lo slicing della struttura di figura 6 determina per ogni strato una pluralit? di aree di lavorazione A (segnatamente, quattro aree di lavorazione per piano) di forma approssimativamente circolare (in realt?, poligonale). Viceversa, lo slicing della struttura di figura 7 determina per ogni strato una pluralit? di traiettorie di lavorazione T, segnatamente quattro segmenti per piano. Nel caso del modello 3D semplificato la struttura viene generata in maniera simile alla tecnica di Laser Spot Welding (LSW), con la differenza che la generazione della struttura non ? basata sull'applicazione di un fascio laser statico su aree di lavorazione definite da punti, bens? sull'applicazione di un fascio laser dinamico lungo traiettorie di lavorazione descritte da segmenti, sebbene di lunghezza molto ridotta. Il vantaggio della tecnica proposta rispetto alla tecnica LSW consiste nella possibilit? di sfruttare il formato STL per la memorizzazione del modello di struttura, che essendo il formato pi? diffuso nel settore consente di sfruttare software e strumenti ampiamente diffusi a livello industriale.

Nel caso di strutture porose originate dalla ripetizione ordinata di celle unitarie identiche tra loro, come mostrato in figura 10, risulta semplice generare strutture porose che possono occupare volumi di dimensione diversa. Si nota come il numero di triangoli di discretizzazione cresca rapidamente nel caso di modello 3D tradizionale watertight, fino a raggiungere 5696 triangoli per una struttura di 2x2x2 celle unitarie, cosa che non accade utilizzando un modello 3D semplificato secondo l'invenzione, nel quale il numero di triangoli di discretizzazione della medesima struttura di 2x2x2 celle unitarie ? 64.

Il metodo pu? essere applicato anche per la creazione di strutture porose composte da pareti sottili. Per esempio, nelle figure 12 e 13 sono posti a confronto un modello 3D convenzionale watertight di una struttura porosa composta da pareti sottili (superficie di Schoen F-RD) e il modello semplificato secondo l'invenzione della medesima struttura. I risultati dello slicing delle suddette strutture sono riportati rispettivamente nelle figure 14 e 15. La singola cella unitaria di una struttura di superficie di Schoen secondo un modello 3D watertight ? rappresentabile mediante 169472 triangoli di discretizzazione, mentre la singola cella unitaria della medesima struttura secondo il modello 3D semplificato dell'invenzione ? rappresentabile mediante 82144 triangoli di discretizzazione.

Lo slicing della struttura di figura 12 determina per ogni strato una pluralit? di aree di lavorazione A aventi forma di corona circolare (in realt?, poligonale). Viceversa, lo slicing della struttura di figura 13 determina per ogni strato una pluralit? di traiettorie di lavorazione T, segnatamente circolari (in realt?, poligonali).

Come visto nel caso della struttura con topologia BCC, nel caso di strutture porose originate dalla ripetizione ordinata di celle unitarie identiche tra loro, risulta semplice generare strutture porose che possono occupare volumi di dimensione diversa. Anche in questo caso il numero di triangoli che compongono la struttura si riduce quando si utilizza il modello semplificato. A titolo di esempio, otto celle unitarie (2x2x2) della struttura di Schoen sono rappresentabili con 1355776 triangoli di discretizzazione secondo il modello 3D watertight tradizionale e con solo 657152 triangoli di discretizzazione secondo il modello 3D semplificato oggetto dell'invenzione.

La figura 16 mostra un confronto tra aree di lavorazione e traiettorie di lavorazione in strati risultanti dallo slicing del modello della tecnica nota SLM (a), del modello della tecnica nota LSW (b) e del modello semplificato oggetto dell'invenzione (c). Nelle figure, con S ? indicato lo spot di un fascio laser di lavorazione, con A sono indicate le aree di lavorazione e con T le traiettorie di lavorazione del materiale precursore.

La differenza tra gli strati risultanti dallo slicing di un modello 3D completo e di uno semplificato sono visibili in figura. Nell'immagine (a) ? rappresentata una traiettoria composita del laser nel caso di slicing di un cilindro 3D, comprendente un contorno composto da N segmenti di discretizzazione della sezione circolare della trave e traiettorie rettilinee parallele di riempimento dell'area interna al contorno. Quando si esegue lo slicing del modello semplificato (immagine (c)) si ottengono corti segmenti rettilinei per la rappresentazione dell?intera sezione del cilindro di trave, anzich? poligoni chiusi. Diversamente, la tecnica LSW (immagine (b)) individua solo i punti corrispondenti all?asse della trave.

A titolo di esempio, nel caso in cui il parametro di lavorazione sia la dimensione dello spot del fascio laser o la potenza del fascio laser di lavorazione, attraverso un processo ad ampio spot o ad alta densit? di energia si ottiene un'area di lavorazione di sezione circolare pi? "ampia" mentre con piccoli spot o basse densit? di energia la sezione circolare dell'area di lavorazione ? pi? "ristretta", ci? traducendosi rispettivamente nella produzione di travi a sezione cilindrica di diametro maggiore o di diametro minore.

Un limite della tecnica proposta ? collegato alla sua peculiarit?, ovvero al fatto di descrivere una struttura 3D tramite superfici non watertight; infatti, le sezioni generate dall?operazione di slicing sono costituite da curve e segmenti che descrivono traiettorie di lavorazione che devono essere seguite dal laser/ugello, e non ? prevista alcuna traiettoria di ?riempimento? di un'area di lavorazione compresa in un contorno. Questo non permette di utilizzare parametri di processo standard per creare il contorno e il riempimento dell'area di lavorazione 3D, limitando anche la dimensione massima (diametro/spessore) della caratteristica della struttura da realizzare (limiti tecnologici dovuti al processo produttivo e all?attrezzatura impiegata). Per ovviare a questo inconveniente ? possibile realizzare un modello geometrico tridimensionale della struttura comprende una pluralit? di superfici aperte parallele rappresentative di una trave o parete di detta struttura, oppure ? possibile generare traiettorie di lavorazione replicate ad una predeterminata distanza di separazione dalle traiettorie di lavorazione ottenute dall?operazione di slicing. A titolo di esempio, applicando questa tecnica ai modelli di figura 9 e figura 15 si ottengono le traiettorie di lavorazione T e T' (queste ultime, replicate) come mostrato nelle figure 17 e 18, rispettivamente. Il modello 3D semplificato composto da una pluralit? di superfici aperte parallele tra loro consente di ottenere traiettorie di lavorazione adiacenti ripetute che permettono di incrementare il diametro o lo spessore della caratteristica strutturale da produrre, per poter generare in maniera corretta la struttura a partire dal modello 3D semplificato. Tale metodo pu? essere impiegato per ottenere diametri e spessori delle caratteristiche strutturali da produrre maggiori rispetto a quanto permesso dai limiti del processo produttivo e della macchina utilizzata.

La figura 19 mostra, schematicamente un sistema per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose, comprendente un sistema di elaborazione 10 associato ad una macchina utensile 12 predisposta per la fabbricazione additiva, ad esempio una macchina di lavorazione laser. Il sistema di elaborazione 10 include mezzi di elaborazione 20, quali uno o pi? processori che possono essere anche distribuiti, atti ad accedere ad una memoria 22, che pu? essere anche una memoria remota, recante un modello geometrico tridimensionale computerizzato di una struttura tridimensionale reticolare o porosa da fabbricare. I mezzi di elaborazione 20 sono programmati per eseguire uno slicing del modello e per governare un procedimento per la fabbricazione additiva del tipo descritto in figura 5 controllando i parametri di lavorazione della macchina utensile 12, nel caso esemplificativo di lavorazione laser in particolare la potenza del fascio laser, la velocit? di scansione del fascio laser lungo la traiettorie e la dimensione dello spot del fascio laser sulla superficie del materiale precursore lungo le traiettorie di lavorazione ricavate dallo slicing.

I vantaggi dell'invenzione sono principalmente i seguenti:

- la possibilit? di generare un modello 3D semplificato di struttura utilizzando strumenti CAD commerciali standard, permettendo l'utilizzo di un codice sviluppato appositamente in linguaggio di programmazione open-source (ad esempio, Python) o MATLAB per generare il modello 3D semplificato della struttura reticolare o porosa;

- la possibilit? di salvare il modello 3D semplificato utilizzando il formato di interscambio standard (*.stl), accettato da tutti i software commerciali che si utilizzano per eseguire lo slicing e trasformare il dato in linguaggio macchina (in genere proprietario);

- la riduzione considerevole del tempo necessario ad eseguire ciascuna delle fasi che permettono di produrre strutture reticolari o porose, in particolare la riduzione delle tempistiche per eseguire le operazioni di creazione del modello 3D, l'operazione di slicing e conversione in linguaggio macchina, la creazione del lavoro a bordo macchina e in ultimo realizzazione della stampa con processo SLM.

Questi vantaggi consentono l?applicazione immediata dell'invenzione senza la necessit? di modificare in maniera significativa il flusso di lavoro e gli strumenti CAD/CAM in ambito Additive Manufacturing (AM) gi? consolidati presso un fabbricante.

Le fasi preliminari alla fase produttiva beneficiano del fatto che il modello semplificato ? composto da un numero di triangoli di discretizzazione di gran lunga inferiore rispetto a quelli necessari per descrivere il modello 3D completo. Questo implica file *.stl di piccole dimensioni e tempo di calcolo ridotto, sia per la discretizzazione che per lo slicing. Ulteriore tempo viene risparmiato durante l?esecuzione del processo di lavorazione poich? le traiettorie che devono essere percorse dai mezzi di strutturazione per produrre i singoli strati sono pi? brevi, perch? al posto di descrivere compiutamente un contorno circolare o ellissoidale (in approssimazione poligonale) delle sezioni della struttura reticolare, si sfrutta la topologia circolare dello spot dei mezzi di strutturazione e si controlla la dimensione di tale spot e della sezione finale controllando i parametri di processo quali potenza del fascio di strutturazione, velocit? di scansione e dimensione dello spot.

La riduzione del tempo necessario a produrre una struttura dipende dalla dimensione della struttura medesima, poich? pi? essa ? grande maggiore ? il risparmio in termini di tempo e costi di produzione.

Un ulteriore vantaggio della tecnica oggetto dell'invenzione ? quello di permettere la fabbricazione di strutture reticolari o porose aventi dimensioni di cella e spessore delle caratteristiche (ad esempio, gli spessori delle pareti o delle travi) minori rispetto a quelle dell'approccio classico, che ? limitato da vincoli connessi allo slicing del modello 3D watertight.

Ancora un vantaggio dell'invenzione ? quello di poter essere utilizzata per produrre strutture reticolari o porose composte da pareti sottili (ad esempio, giroidi), che non possono essere prodotti con la saldatura laser per punti (LSW).

L'invenzione si rivela utile per la produzione di componentistica adatta per i settori energetico, aerospaziale, medicale, farmaceutico, automotive, navale e difesa, ove ? vantaggioso sfruttare l'incremento di rapidit? nella progettazione e nella produzione di strutture leggere e/o a porosit? controllata. Oltre alla riduzione dei tempi, una riduzione a livello engineering e manufacturing costituisce un vantaggio competitivo per la produzione di componentistica innovativa ad alte prestazioni come ad esempio: protesi, strutture per favorire l?osteointegrazione, componenti medicali (ad esempio, stent), scambiatori di calore, smorzatori di vibrazioni, strutture di assorbimento di impatti, strutture leggere ottimizzate, strutture a porosit? variabile.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto ? stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo allontanarsi dall'ambito di protezione dell'invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (18)

RIVENDICAZIONI

1. Procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose comprendenti una ripetizione ordinata di celle unitarie includenti una pluralit? di travi o pareti interconnesse, caratterizzato dal fatto che comprende in combinazione le fasi di:

- predisporre un modello geometrico tridimensionale computerizzato della struttura, comprendente una pluralit? di superfici aperte rappresentative di una corrispondente pluralit? di travi o pareti interconnesse della struttura, discretizzate in triangoli, in cui il modello ? atto ad essere memorizzato in formato elettronico sotto forma di un insieme di coordinate spaziali dei vertici di ogni triangolo e un vettore che descrive l'orientazione della normale alla superficie del triangolo in un sistema di riferimento della struttura;

- estrarre da detto modello geometrico tridimensionale una pluralit? di piani di sezione paralleli di detta struttura tridimensionale ortogonali alla direzione di costruzione della struttura, corrispondenti ad una pluralit? di strati di fabbricazione additiva di spessore predefinito di un predeterminato materiale precursore, in cui l'intersezione tra detti piani di sezione e detti triangoli di discretizzazione delle superfici di detto modello geometrico tridimensionale definisce una o pi? traiettorie di lavorazione di mezzi di strutturazione di detto materiale precursore, per ogni strato di fabbricazione additiva di detto materiale, in cui dette una o pi? traiettorie di lavorazione sono segmenti e/o linee spezzate;

- eseguire una strutturazione di detto materiale precursore mediante applicazione di detti mezzi di strutturazione lungo detta una o pi? traiettorie di lavorazione, secondo almeno un parametro di lavorazione predeterminato di detti mezzi di strutturazione.

2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di strutturazione comprendono un fascio laser o di elettroni.

3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto almeno un parametro di lavorazione ? controllato in funzione di detta pluralit? di strati di fabbricazione additiva.

4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un parametro di lavorazione ? controllato localmente lungo dette traiettorie di lavorazione.

5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un parametro di lavorazione comprende almeno uno tra la dimensione di spot, la potenza e la velocit? di scansione dei mezzi di strutturazione.

6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un parametro di lavorazione ? definito da almeno un predeterminato valore memorizzato in un modello di parametri di lavorazione del materiale precursore associato a detto modello geometrico tridimensionale computerizzato della struttura.

7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 5, in cui detto almeno un parametro di lavorazione ? definito da almeno un predeterminato valore associato a detti piani di sezione dei triangoli di discretizzazione nel modello geometrico tridimensionale computerizzato della struttura.

8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette una o pi? traiettorie di lavorazione sono segmenti e/o linee spezzate aperte.

9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette superfici aperte discretizzate in triangoli sono superfici piane.

10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, in cui dette superfici piane sono figure poligonali.

11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui dette figure poligonali sono quadrilateri.

12. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto modello geometrico tridimensionale computerizzato della struttura comprende una pluralit? di superfici aperte parallele rappresentative di una trave o parete di detta struttura.

13. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 11, comprendente la generazione di una pluralit? di corrispondenti traiettorie di lavorazione replicate parallelamente alle traiettorie di lavorazione definite dall'intersezione tra detti piani di sezione e detti triangoli di discretizzazione delle superfici di detto modello geometrico tridimensionale, ad una predeterminata distanza da esse.

14. Sistema di elaborazione comprendente mezzi di elaborazione atti ad accedere ad una memoria recante un modello geometrico tridimensionale computerizzato di una struttura tridimensionale reticolare o porosa da fabbricare, i quali sono programmati per:

- estrarre da detto modello geometrico tridimensionale una pluralit? di piani di sezione paralleli di detta struttura tridimensionale ortogonali alla direzione di costruzione della struttura, corrispondenti ad una pluralit? di strati di fabbricazione additiva di spessore predefinito di un predeterminato materiale precursore, in cui l'intersezione tra detti piani di sezione e detti triangoli di discretizzazione delle superfici di detto modello geometrico tridimensionale definisce una o pi? traiettorie di lavorazione di mezzi di strutturazione di detto materiale precursore, per ogni strato di fabbricazione additiva di detto materiale, in cui dette una o pi? traiettorie di lavorazione sono segmenti e/o linee spezzate; e

- controllare una strutturazione di detto materiale precursore mediante applicazione di detti mezzi di strutturazione lungo detta una o pi? traiettorie di lavorazione, secondo almeno un parametro di lavorazione predeterminato di detti mezzi di strutturazione,

in accordo con un procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 13.

15. Programma di elaborazione o gruppo di programmi eseguibile/i da un sistema di elaborazione, comprendente/i uno o pi? moduli di codice per l'attuazione di un procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 13.

16. Modello geometrico tridimensionale computerizzato di una struttura tridimensionale reticolare o porosa comprendente una ripetizione ordinata di celle unitarie includenti una pluralit? di travi o pareti interconnesse, atto ad essere rappresentato in un formato di file, caratterizzato dal fatto che comprende:

- una struttura di dati che definisce una pluralit? di superfici aperte rappresentative di una corrispondente pluralit? di travi o pareti interconnesse della struttura, discretizzate in triangoli, includente un insieme di coordinate spaziali dei vertici di ogni triangolo e un vettore che descrive l'orientazione della normale alla superficie del triangolo in un sistema di riferimento della struttura, in cui l'intersezione tra una pluralit? di piani di sezione paralleli della struttura tridimensionale e detti triangoli di discretizzazione delle superfici definisce uno o pi? segmenti o linee spezzate,

detti segmenti o linee spezzate essendo atti ad essere interpretati come traiettorie di lavorazione di mezzi di strutturazione di un materiale precursore in una pluralit? di strati di fabbricazione additiva, in un procedimento per la fabbricazione additiva di strutture tridimensionali reticolari o porose secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 13.

17. Modello secondo la rivendicazione 16, in cui l'intersezione tra detta pluralit? di piani di sezione paralleli della struttura tridimensionale e detti triangoli di discretizzazione delle superfici definisce uno o pi? segmenti o linee spezzate aperte.

18. Modello secondo la rivendicazione 16 o 17, comprendente inoltre un predeterminato valore di almeno un parametro di lavorazione di detti mezzi di strutturazione o un insieme di valori di detto almeno un parametro di lavorazione associati a detti piani di sezione dei triangoli di discretizzazione o a detti segmenti o linee spezzate.