La stampa 3D per la realizzazione di matrici per la piegatura di lamiere metalliche

La piegatura è un metodo di lavorazione molto diffuso che induce una deformazione plastica su una lamiera mediante un’azione di flessione, deformandola permanentemente. Le forme ottenibili da questo processo possono passare da geometrie estremamente semplici fino a quelle più complesse. I materiali compatibili con questo tipo di lavorazione devono essere caratterizzati da plasticità tale da non determinare rotture in corrispondenza della piegatura. La lavorazione solitamente viene eseguita a temperatura ambiente ma può capitare, in caso di raggi di raccordo molto piccoli o sezioni importanti, di dover ricorrere ad un processo a caldo per consentire una più accentuata deformabilità del materiale oltre che a forze in gioco ridotte.

Nella pratica la lavorazione viene effettuata su una macchina detta pressa piegatrice che presenta un punzone ed uno stampo detto anche matrice. La lamiera viene posta sulla matrice e viene deformata dal punzone esercitando una forza di flessione.

Le tecniche di piegatura si distinguono in due categorie:

• piegatura libera che consiste nel deformare la lamiera poggiata direttamente su dei supporti mediante l’applicazione della forza da parte di un punzone: in questo caso variando la profondità della corsa del punzone si possono ottenere piegature di varie angolazioni senza cambiare la matrice;
• piegatura in stampo nella quale la matrice rappresenta uno stampo con geometrie note e il punzone spinge la lamiera fino a fine corsa in modo da realizzare una forma ben definita conferendo anche maggior rigidità al profilo.

Le matrici per la piegatura devono rispondere a determinati requisiti sia a livello geometrico, sia a livello strutturale in quanto le forme risultanti devono essere precise e devono tener conto di fenomeni di ritiro elastico del materiale. Inoltre, le forze in gioco, che dipendono dal tipo di materiale e dallo spessore della lamiera da lavorare, non sono trascurabili.

I materiali comunemente utilizzati per le matrici di piegatura sono:

• Acciaio (X210Cr12): questo acciaio è comunemente utilizzato per costruire punzoni e matrici per lavorazioni meccaniche a freddo sulle lamiere. È noto per la sua resistenza e durata.
• Acciaio (X155CrVMo12): un altro acciaio utilizzato per stampi di piegatura. Offre buona resistenza all’usura.
• Acciaio (X45NiCrMo4): questo acciaio è adatto per lavorazioni di piegatura e offre una buona combinazione di resistenza e tenacità

La stampa 3D applicata al processo di piegatura

Dati i costi non del tutto trascurabili degli stampi in acciaio, si è intuito come la stampa 3D potesse rappresentare una valida alternativa all’acquisto di stampi tradizionali. Si è riusciti, infatti, grazie al crescente sviluppo di materiali adatti alla stampa 3D costituiti da ottima resistenza meccanica come il PPS CF, ad ottenere ottimi risultati di piegatura attraverso l’utilizzo di matrici realizzate esclusivamente mediante processo di stampa 3D.

Dalla collaborazione tra Emiliano Corrieri dell'Accademia Della Piegatura e Crea3D è nato uno stampo per la lavorazione di piegatura a V interamente stampato in 3D, che prende spunto da una versione già in commercio realizzata però in acciaio mediante tecniche tradizionali.

Questo tipo di matrice si differenzia dalle altre per la presenza di due rotori oscillanti che sostengono la lamiera prima e durante la fase di piegatura. La peculiarità di questi inserti è che ruotando, accompagnano la lamiera durante la deformazione, riducendo notevolmente l'attrito e permettendo di accorciare significativamente la lunghezza del bordo minimo. È possibile realizzare bordi molto piccoli e piegare vicino a fori e asole, inclusi profili su lamiera tagliata obliqua, evitando deformazioni.

Inoltre, l'uso di questo tipo di matrici può ridurre significativamente le costose operazioni di lucidatura che seguono la piegatura, poiché non ci sono le linee dritte speculari alla linea di piega che di solito compaiono piegando con matrici tradizionali, e altri graffi o segni di piegatura sono ridotti al minimo. Grazie all'eliminazione di ulteriori fasi di lavorazione, i costi di produzione diminuiscono e, ancora più importante, i tempi di consegna si riducono.

I vantaggi sopra elencati valgono sia per gli utensili tradizionali in acciaio, sia per quelli realizzati mediante la stampa 3D. La grande differenza tra i due però, si riscontra nel momento in cui si valutano i costi, i tempi di approvvigionamento e la possibilità di customizzare lo stampo a proprio piacimento.

Dal design ai test

La fase di design della matrice per la piegatura della lamiera si è ispirata ad un prodotto simile già presente sul mercato. Sono stati apportati degli upgrades che consentono il giusto posizionamento della matrice stessa sulla macchina inserendo degli inserti per magneti.

Per la produzione del complessivo si è dovuto ricorrere all’utilizzo di un materiale specifico come il PPS CF che gode di ottima resistenza alla compressione, rendendolo il candidato ideale per questo tipo di applicazione. Questo tipo di materiale è composto da polifenilensulfide rinforzato con fibre di carbonio e presenta proprietà di alta resistenza meccanica che permane anche a temperature nell’ordine dei 230 °C. Tali caratteristiche lo rendono un ottimo competitor rispetto a materiali di gran lunga più costosi e difficili da stampare. Per la stampa del PPS CF è di notevole importanza ricorrere a stampanti ad alte performance che abbiano la possibilità di raggiungere temperature di estrusione intorno ai 320 °C e che dispongano di una camera riscaldata in modo da poter controllare il naturale ritiro del materiale durante la fase di stampa.

Nel nostro caso ci si è avvalsi dell’ultima uscita di casa UltiMaker, la stampante Factor 4 che, grazie al suo print core HT adatto alla stampa di materiali ad alta temperatura e ai suoi profili di stampa, ha permesso la produzione della matrice senza difficoltà. Grazie alla collaborazione con ADP è stato possibile effettuare dei test che hanno permesso di evidenziare le criticità del progetto e quindi di effettuare in maniera iterativa migliorie sul design della matrice. Il risultato finale ha determinato la possibilità di utilizzare la matrice sviluppata per effettuare una piegatura a V sia su lamiere in AISI 304 di spessore 1 mm, sia su lamiere in alluminio spesse 2 mm.

Questo caso di studio dimostra come la stampa 3D stia subendo un processo di transizione dalla prototipazione rapida ad un vero e proprio processo di produzione di componenti funzionali. Tale fenomeno sta portando sempre più realtà industriali ad implementare stampanti 3D nella loro catena di produzione. Si traggono infatti dei vantaggi in termini di costo, di flessibilità e di riduzione degli spazi di magazzino in quanto è possibile produrre i ricambi nel momento del bisogno.