Sembra che l'intero settore delle prove sui materiali parli di produzione additiva, ma cosa significa questo per le prove sui materiali? Unisciti agli esperti di MTS Mike Shepard, Dottore di ricerca e Mark Menzuber, MBA, mentre illustrano le basi della produzione additiva, cosa la rende diversa dalla stampa 3D e come influenzerà il futuro delle prove sui materiali.
Cos'è la produzione additiva (AM) e quali sono i suoi vantaggi?
Shepard: Beh, non posso assolutamente rendere giustizia alla tecnologia con una risposta breve, ma la produzione additiva sta guidando una rivoluzione nel design e nella produzione. La tecnologia ci consente di creare parti direttamente da un disegno solido, utilizzando un'ampia e crescente gamma di metodi di produzione additiva. Nel migliore dei casi, le proprietà possono essere paragonate favorevolmente ai processi di produzione convenzionali. Le varie tecniche sono applicabili a metalli, polimeri e persino compositi e ceramiche. In generale, costruisci la parte direttamente, strato per strato. Le parti che hanno tolleranze strette o sono portanti potrebbero richiedere alcune fasi di finitura o trattamento termico, ma in alcuni casi le parti possono essere utilizzate direttamente appena uscite dal sistema di produzione additiva.
I vantaggi di questa tecnologia sono numerosi. Innanzitutto, hai un'incredibile libertà di progettare forme e strutture. I progettisti possono ottimizzare peso, trasferimento di calore, spazio e altre proprietà. In secondo luogo, in termini di utilizzo del materiale, può essere molto efficiente: non stai trasformando un grosso blocco di metallo in trucioli per creare una parte piccola e complicata. Questo è il motivo per cui la produzione additiva è descritta come dotata di un eccellente "rapporto buy-to-fly". Ciò significa che la maggior parte del materiale che acquisti finisce effettivamente nel componente, anziché essere trasformato in trucioli o rottami. La catena di approvvigionamento può inoltre essere accorciata drasticamente. Più fasi di produzione e fornitori possono essere potenzialmente ridotti a un unico, anche se complesso, processo di produzione, in un'unica ubicazione. I vantaggi logistici in termini di tempi di consegna ridotti e catene logistiche consolidate sono evidenti.
Quali tendenze di settore stanno guidando la domanda di AM e quali settori sono leader nell'uso di AM?
Menzuber: La maggior parte delle aziende che si occupano di additivi sono davvero attratte dalla capacità di ridurre il peso e aggiungere prestazioni in vari modi. C'è anche molto interesse per la possibilità di semplificare la loro catena di approvvigionamento e ridurre i tempi di consegna utilizzando la produzione additiva in loco al posto di più fasi di produzione, probabilmente in altre località. Infine, la produzione additiva offre nuove efficienze per cicli di produzione di piccole e medie dimensioni, che possono favorire una personalizzazione più economica e ridurre i tempi di sviluppo del prodotto.
Le tecnologie di produzione additiva, man mano che maturano, hanno il potenziale per essere piuttosto dirompenti. Tutti stanno prendendo in considerazione la produzione additiva, ma vedo la maggior parte dell'energia e degli investimenti nelle applicazioni aerospaziali e biomediche. Questi settori hanno applicazioni a valore aggiunto molto elevato, con volumi da bassi a moderati. Le applicazioni in questi settori tendono ad essere altamente ottimizzate e ampiamente testate, quindi i processi di produzione emergenti come la produzione additiva possono essere integrati poiché la loro proposta di valore è chiara. Anche le applicazioni automobilistiche stanno diventando davvero forti, ma in quel settore c'è un livello più alto di sensibilità ai costi.
Qual è la differenza tra la stampa 3D e AM?
Shepard: Questi termini sono ancora comunemente usati in modo intercambiabile, specialmente nei media principali e nell'area di mercato dei consumatori. A mio parere, le parti prodotte in modo additivo sono generalmente utilizzate nelle applicazioni di utilizzo finale. Poiché la parte verrà utilizzata in un prodotto, AM richiede un processo robusto, adatto a un ambiente di produzione, che possa essere completato con ragionevole efficienza.
In un'applicazione di prototipazione rapida, le parti generalmente non vedrebbero alcun tipo di servizio significativo. La forza potrebbe non essere troppo elevata e le proprietà potrebbero non essere uniformi. Dovresti stare attento a usare queste parti per una qualsiasi applicazione pratica, specialmente dove è coinvolto un qualsiasi carico. Il processo di stampa stesso potrebbe essere piuttosto lento. Detto questo, un prototipo fisico rapidamente disponibile può davvero aiutare i progettisti a capire come funzionerà una parte e come interagirà con altre parti. Questi prototipi stampati sono anche estremamente utili per dimostrare idoneità e funzionalità a collaboratori e clienti. Considero questi prototipi stampati in 3D come il passo successivo rispetto alle visualizzazioni che potresti creare con il software CAD 3D.
MTS utilizza la produzione additiva?
Shepard: Certamente. A quanto pare, MTS ha una lunga storia nella produzione additiva, a partire dalla metà degli anni '90. Eravamo un po' in anticipo sui tempi per il mercato, ma lavorando con una serie di partner siamo stati in grado di perfezionare il nostro processo di produzione additiva con laser (LAM) al punto da poter produrre con successo parti Ti-6Al-4V di qualità aerospaziale. Alcune di queste parti potrebbero ancora volare sugli F-15. Quell'esperienza ci ha fornito una visione straordinaria su ciò che serve per qualificare un processo di produzione additiva e le parti che ne derivano, in particolare gli aspetti dei test meccanici.
Tornando a oggi, siamo entusiasti delle possibilità di progettazione e dell'efficienza dell'additivo per le stesse ragioni per cui i nostri clienti sono interessati a questa tecnologia. Disponiamo di un sistema di produzione additiva interno che utilizziamo per la prototipazione rapida e alcune parti di produzione. Quando progettiamo sistemi personalizzati, utilizziamo la prototipazione rapida come parte del nostro processo R&D. CAD 3D è fantastico e lo usiamo ampiamente, ma non c'è niente di meglio che essere in grado di tenere le parti in mano e vedere come si adattano e funzionano. Anche i nostri clienti lo apprezzano. Quando progettiamo un nuovo sistema unicamente per loro, è davvero utile disporre di un modello completo o in scala ridotta che consenta loro di osservare in prima persona la concezione meccanica delle operazioni.
Usiamo anche la produzione additiva per alcune parti a basso volume, ad alta complessità e non portanti. Per queste parti, AM ci offre costi competitivi e tempi di consegna brevi che sono molto interessanti dal punto di vista logistico. In passato, queste parti dovevano essere fabbricate utilizzando più passaggi, a volte utilizzando fornitori esterni alla nostra fabbrica. Ora carichiamo semplicemente il modello solido del componente, applichiamo pratiche standard alle nostre impostazioni del processo AM e torniamo più tardi quando la parte è finita. Il componente prodotto in modo additivo a volte può entrare direttamente nella costruzione, senza passaggi di produzione secondari.
In che modo l'AM influisce sui test sui materiali?
Menzuber: Ci sono una serie di elementi importanti. In primo luogo, potrebbe essere difficile ottenere provini standard ricavati da componenti prodotti in modo additivo, quindi potrebbe essere necessario utilizzare provini in scala ridotta o un diverso tipo di test. Siamo abbastanza esperti nell'affrontare queste variabili. Abbiamo un'ampia gamma di telai di carico e dispositivi di fissaggio che ti permetteranno di applicare il giusto livello di forza a un campione correttamente configurato per aiutarti a valutare le proprietà che ti interessano. Siamo anche sensibili al fatto che clienti diversi saranno interessati a eseguire diversi tipi di test e avranno bisogno di soluzioni con capacità e prezzi diversi.
È inoltre necessario tenere presente la natura dei processi di produzione additiva e come ciò influenzi l'uniformità delle proprietà dei materiali in una parte. In generale, l'attributo principale della produzione additiva è che si arriva direttamente alle parti finite o quasi finite, strato per strato. Non si crea un grosso blocco di materiale relativamente uniforme per poi ricavarne una parte. La natura "strato per strato" della produzione additiva può fornirti proprietà del materiale che non sono necessariamente isotrope, nel senso che non sono uniformi a seconda della direzione nella parte. In particolare, le proprietà perpendicolari agli strati additivi, comunemente chiamate direzione Z, sono di massimo interesse. Si dovrebbe pianificare l'esecuzione di alcuni test aggiuntivi per assicurarsi che capiscano quanto sia uniforme il materiale nelle parti. Inoltre, a seconda della maturità dello specifico processo di produzione additiva, potrebbe essere necessario eseguire test per comprendere l'impatto dei vari parametri di lavorazione sulle proprietà meccaniche per comprendere meglio la regione di lavorazione sicura per la produzione. Questi processi possono essere estremamente complessi, con tantissime variabili.
Il test dei coupon testimone è una parte particolarmente preziosa di un processo di produzione additiva. Puoi creare un piccolo coupon di prova prima e dopo una costruzione complicata per assicurarti che il sistema funzioni generalmente come previsto. Abbiamo una gamma di sistemi più piccoli e dal prezzo contenuto che sono perfetti per questo. Sono facili da usare e possono stare proprio accanto al sistema di produzione additiva, se lo desideri. Questi sistemi possono darti un feedback immediato sul fatto che il sistema stia producendo un buon materiale dal punto di vista delle proprietà meccaniche. I coupon tagliati direttamente dai componenti possono fornire un'indicazione più diretta della stabilità del processo e della qualità dei componenti.
Quali sono alcune considerazioni importanti quando si selezionano le apparecchiature di prova per i provini AM?
Shepard: Logicamente, la comunità nel campo dei test sta cercando di utilizzare il più possibile le apparecchiature esistenti e i metodi di test standardizzati. Sfortunatamente, però, il materiale in un articolo prodotto in modo additivo potrebbe non avere proprietà uniformi. In molti casi, semplicemente non è possibile ottenere provini standard da questi componenti prodotti. Questa è una sfida divertente per noi. Disponiamo di famiglie complete di tecnologie di telaio di carico (servoidrauliche, elettromeccaniche, elettrodinamiche) e di fissaggi (morsetti, piegatura a tre punti, forcelle, ecc.) che ci consentono di trattare senza eccessive difficoltà campioni a scala ridotta e non usuali. Abbiamo anche telai di carico che sono ben dimensionati per test su scala più piccola, se necessario.
A seconda dei tipi di test necessari, potresti ricevere un servizio migliore da diversi tipi di sistemi. Nella fascia alta, per il massimo livello di prestazioni e flessibilità, probabilmente vorrai un sistema servoidraulico. Questi sono particolarmente adatti a prove dinamiche come fatica e frattura e possono facilmente eseguire test più di routine, come le prove di trazione. Alcuni clienti potrebbero avere requisiti più semplici e potrebbero avere solo bisogno di poter eseguire test di trazione. Questi clienti potrebbero essere più adatti a un sistema elettromeccanico. I sistemi elettromeccanici possono essere abbastanza convenienti e sono ideali per testare i coupon testimone come parte di un processo di produzione.
Negli ultimi anni è disponibile anche un'altra opzione. I sistemi elettrodinamici offrono molte prestazioni dinamiche e non richiedono una pompa idraulica. Questi sistemi sono particolarmente interessanti quando è necessario operare in un ambiente particolarmente pulito o se non si ha familiarità con i test e si necessita di una certa capacità dinamica, ma si preferisce evitare la complessità e le spese di un'installazione idraulica.
In che modo MTS è coinvolta nella comunità della produzione additiva?
Menzuber: Innanzitutto, siamo utenti della tecnologia e abbiamo una lunga storia in questa area tecnologica, quindi abbiamo una conoscenza diretta dei vantaggi e delle sfide associate ai metodi di produzione additiva. In secondo luogo, abbiamo rapporti molto stretti con i nostri clienti. Ognuno di loro ha i propri modi di integrare nuovi materiali e processi nei propri prodotti e noi collaboriamo strettamente con loro per supportarli. Ciò potrebbe significare aiutarli a sviluppare dati di progettazione, generare parametri per i loro modelli di materiali, testare coupon testimoni, fino a testare componenti e sistemi in scala reale. Terzo, siamo impegnati con le organizzazioni di standardizzazione che stanno sviluppando standard di prova per la produzione additiva, in particolare ASTM e ISO. È importante che MTS partecipi a queste organizzazioni in modo da poter supportare la comunità tecnica con la nostra esperienza nei test e far emergere le esigenze e le esperienze dei nostri clienti.
Cos'è la produzione additiva (AM) e quali sono i suoi vantaggi?
Shepard: Beh, non posso assolutamente rendere giustizia alla tecnologia con una risposta breve, ma la produzione additiva sta guidando una rivoluzione nel design e nella produzione. La tecnologia ci consente di creare parti direttamente da un disegno solido, utilizzando un'ampia e crescente gamma di metodi di produzione additiva. Nel migliore dei casi, le proprietà possono essere paragonate favorevolmente ai processi di produzione convenzionali. Le varie tecniche sono applicabili a metalli, polimeri e persino compositi e ceramiche. In generale, costruisci la parte direttamente, strato per strato. Le parti che hanno tolleranze strette o sono portanti potrebbero richiedere alcune fasi di finitura o trattamento termico, ma in alcuni casi le parti possono essere utilizzate direttamente appena uscite dal sistema di produzione additiva.
I vantaggi di questa tecnologia sono numerosi. Innanzitutto, hai un'incredibile libertà di progettare forme e strutture. I progettisti possono ottimizzare peso, trasferimento di calore, spazio e altre proprietà. In secondo luogo, in termini di utilizzo del materiale, può essere molto efficiente: non stai trasformando un grosso blocco di metallo in trucioli per creare una parte piccola e complicata. Questo è il motivo per cui la produzione additiva è descritta come dotata di un eccellente "rapporto buy-to-fly". Ciò significa che la maggior parte del materiale che acquisti finisce effettivamente nel componente, anziché essere trasformato in trucioli o rottami. La catena di approvvigionamento può inoltre essere accorciata drasticamente. Più fasi di produzione e fornitori possono essere potenzialmente ridotti a un unico, anche se complesso, processo di produzione, in un'unica ubicazione. I vantaggi logistici in termini di tempi di consegna ridotti e catene logistiche consolidate sono evidenti.
Quali tendenze di settore stanno guidando la domanda di AM e quali settori sono leader nell'uso di AM?
Menzuber: La maggior parte delle aziende che si occupano di additivi sono davvero attratte dalla capacità di ridurre il peso e aggiungere prestazioni in vari modi. C'è anche molto interesse per la possibilità di semplificare la loro catena di approvvigionamento e ridurre i tempi di consegna utilizzando la produzione additiva in loco al posto di più fasi di produzione, probabilmente in altre località. Infine, la produzione additiva offre nuove efficienze per cicli di produzione di piccole e medie dimensioni, che possono favorire una personalizzazione più economica e ridurre i tempi di sviluppo del prodotto.
Le tecnologie di produzione additiva, man mano che maturano, hanno il potenziale per essere piuttosto dirompenti. Tutti stanno prendendo in considerazione la produzione additiva, ma vedo la maggior parte dell'energia e degli investimenti nelle applicazioni aerospaziali e biomediche. Questi settori hanno applicazioni a valore aggiunto molto elevato, con volumi da bassi a moderati. Le applicazioni in questi settori tendono ad essere altamente ottimizzate e ampiamente testate, quindi i processi di produzione emergenti come la produzione additiva possono essere integrati poiché la loro proposta di valore è chiara. Anche le applicazioni automobilistiche stanno diventando davvero forti, ma in quel settore c'è un livello più alto di sensibilità ai costi.
Qual è la differenza tra la stampa 3D e AM?
Shepard: Questi termini sono ancora comunemente usati in modo intercambiabile, specialmente nei media principali e nell'area di mercato dei consumatori. A mio parere, le parti prodotte in modo additivo sono generalmente utilizzate nelle applicazioni di utilizzo finale. Poiché la parte verrà utilizzata in un prodotto, AM richiede un processo robusto, adatto a un ambiente di produzione, che possa essere completato con ragionevole efficienza.
In un'applicazione di prototipazione rapida, le parti generalmente non vedrebbero alcun tipo di servizio significativo. La forza potrebbe non essere troppo elevata e le proprietà potrebbero non essere uniformi. Dovresti stare attento a usare queste parti per una qualsiasi applicazione pratica, specialmente dove è coinvolto un qualsiasi carico. Il processo di stampa stesso potrebbe essere piuttosto lento. Detto questo, un prototipo fisico rapidamente disponibile può davvero aiutare i progettisti a capire come funzionerà una parte e come interagirà con altre parti. Questi prototipi stampati sono anche estremamente utili per dimostrare idoneità e funzionalità a collaboratori e clienti. Considero questi prototipi stampati in 3D come il passo successivo rispetto alle visualizzazioni che potresti creare con il software CAD 3D.
MTS utilizza la produzione additiva?
Shepard: Certamente. A quanto pare, MTS ha una lunga storia nella produzione additiva, a partire dalla metà degli anni '90. Eravamo un po' in anticipo sui tempi per il mercato, ma lavorando con una serie di partner siamo stati in grado di perfezionare il nostro processo di produzione additiva con laser (LAM) al punto da poter produrre con successo parti Ti-6Al-4V di qualità aerospaziale. Alcune di queste parti potrebbero ancora volare sugli F-15. Quell'esperienza ci ha fornito una visione straordinaria su ciò che serve per qualificare un processo di produzione additiva e le parti che ne derivano, in particolare gli aspetti dei test meccanici.
Tornando a oggi, siamo entusiasti delle possibilità di progettazione e dell'efficienza dell'additivo per le stesse ragioni per cui i nostri clienti sono interessati a questa tecnologia. Disponiamo di un sistema di produzione additiva interno che utilizziamo per la prototipazione rapida e alcune parti di produzione. Quando progettiamo sistemi personalizzati, utilizziamo la prototipazione rapida come parte del nostro processo R&D. CAD 3D è fantastico e lo usiamo ampiamente, ma non c'è niente di meglio che essere in grado di tenere le parti in mano e vedere come si adattano e funzionano. Anche i nostri clienti lo apprezzano. Quando progettiamo un nuovo sistema unicamente per loro, è davvero utile disporre di un modello completo o in scala ridotta che consenta loro di osservare in prima persona la concezione meccanica delle operazioni.
Usiamo anche la produzione additiva per alcune parti a basso volume, ad alta complessità e non portanti. Per queste parti, AM ci offre costi competitivi e tempi di consegna brevi che sono molto interessanti dal punto di vista logistico. In passato, queste parti dovevano essere fabbricate utilizzando più passaggi, a volte utilizzando fornitori esterni alla nostra fabbrica. Ora carichiamo semplicemente il modello solido del componente, applichiamo pratiche standard alle nostre impostazioni del processo AM e torniamo più tardi quando la parte è finita. Il componente prodotto in modo additivo a volte può entrare direttamente nella costruzione, senza passaggi di produzione secondari.
In che modo l'AM influisce sui test sui materiali?
Menzuber: Ci sono una serie di elementi importanti. In primo luogo, potrebbe essere difficile ottenere provini standard ricavati da componenti prodotti in modo additivo, quindi potrebbe essere necessario utilizzare provini in scala ridotta o un diverso tipo di test. Siamo abbastanza esperti nell'affrontare queste variabili. Abbiamo un'ampia gamma di telai di carico e dispositivi di fissaggio che ti permetteranno di applicare il giusto livello di forza a un campione correttamente configurato per aiutarti a valutare le proprietà che ti interessano. Siamo anche sensibili al fatto che clienti diversi saranno interessati a eseguire diversi tipi di test e avranno bisogno di soluzioni con capacità e prezzi diversi.
È inoltre necessario tenere presente la natura dei processi di produzione additiva e come ciò influenzi l'uniformità delle proprietà dei materiali in una parte. In generale, l'attributo principale della produzione additiva è che si arriva direttamente alle parti finite o quasi finite, strato per strato. Non si crea un grosso blocco di materiale relativamente uniforme per poi ricavarne una parte. La natura "strato per strato" della produzione additiva può fornirti proprietà del materiale che non sono necessariamente isotrope, nel senso che non sono uniformi a seconda della direzione nella parte. In particolare, le proprietà perpendicolari agli strati additivi, comunemente chiamate direzione Z, sono di massimo interesse. Si dovrebbe pianificare l'esecuzione di alcuni test aggiuntivi per assicurarsi che capiscano quanto sia uniforme il materiale nelle parti. Inoltre, a seconda della maturità dello specifico processo di produzione additiva, potrebbe essere necessario eseguire test per comprendere l'impatto dei vari parametri di lavorazione sulle proprietà meccaniche per comprendere meglio la regione di lavorazione sicura per la produzione. Questi processi possono essere estremamente complessi, con tantissime variabili.
Il test dei coupon testimone è una parte particolarmente preziosa di un processo di produzione additiva. Puoi creare un piccolo coupon di prova prima e dopo una costruzione complicata per assicurarti che il sistema funzioni generalmente come previsto. Abbiamo una gamma di sistemi più piccoli e dal prezzo contenuto che sono perfetti per questo. Sono facili da usare e possono stare proprio accanto al sistema di produzione additiva, se lo desideri. Questi sistemi possono darti un feedback immediato sul fatto che il sistema stia producendo un buon materiale dal punto di vista delle proprietà meccaniche. I coupon tagliati direttamente dai componenti possono fornire un'indicazione più diretta della stabilità del processo e della qualità dei componenti.
Quali sono alcune considerazioni importanti quando si selezionano le apparecchiature di prova per i provini AM?
Shepard: Logicamente, la comunità nel campo dei test sta cercando di utilizzare il più possibile le apparecchiature esistenti e i metodi di test standardizzati. Sfortunatamente, però, il materiale in un articolo prodotto in modo additivo potrebbe non avere proprietà uniformi. In molti casi, semplicemente non è possibile ottenere provini standard da questi componenti prodotti. Questa è una sfida divertente per noi. Disponiamo di famiglie complete di tecnologie di telaio di carico (servoidrauliche, elettromeccaniche, elettrodinamiche) e di fissaggi (morsetti, piegatura a tre punti, forcelle, ecc.) che ci consentono di trattare senza eccessive difficoltà campioni a scala ridotta e non usuali. Abbiamo anche telai di carico che sono ben dimensionati per test su scala più piccola, se necessario.
A seconda dei tipi di test necessari, potresti ricevere un servizio migliore da diversi tipi di sistemi. Nella fascia alta, per il massimo livello di prestazioni e flessibilità, probabilmente vorrai un sistema servoidraulico. Questi sono particolarmente adatti a prove dinamiche come fatica e frattura e possono facilmente eseguire test più di routine, come le prove di trazione. Alcuni clienti potrebbero avere requisiti più semplici e potrebbero avere solo bisogno di poter eseguire test di trazione. Questi clienti potrebbero essere più adatti a un sistema elettromeccanico. I sistemi elettromeccanici possono essere abbastanza convenienti e sono ideali per testare i coupon testimone come parte di un processo di produzione.
Negli ultimi anni è disponibile anche un'altra opzione. I sistemi elettrodinamici offrono molte prestazioni dinamiche e non richiedono una pompa idraulica. Questi sistemi sono particolarmente interessanti quando è necessario operare in un ambiente particolarmente pulito o se non si ha familiarità con i test e si necessita di una certa capacità dinamica, ma si preferisce evitare la complessità e le spese di un'installazione idraulica.
In che modo MTS è coinvolta nella comunità della produzione additiva?
Menzuber: Innanzitutto, siamo utenti della tecnologia e abbiamo una lunga storia in questa area tecnologica, quindi abbiamo una conoscenza diretta dei vantaggi e delle sfide associate ai metodi di produzione additiva. In secondo luogo, abbiamo rapporti molto stretti con i nostri clienti. Ognuno di loro ha i propri modi di integrare nuovi materiali e processi nei propri prodotti e noi collaboriamo strettamente con loro per supportarli. Ciò potrebbe significare aiutarli a sviluppare dati di progettazione, generare parametri per i loro modelli di materiali, testare coupon testimoni, fino a testare componenti e sistemi in scala reale. Terzo, siamo impegnati con le organizzazioni di standardizzazione che stanno sviluppando standard di prova per la produzione additiva, in particolare ASTM e ISO. È importante che MTS partecipi a queste organizzazioni in modo da poter supportare la comunità tecnica con la nostra esperienza nei test e far emergere le esigenze e le esperienze dei nostri clienti.
