Attuatore pneumatico lineare a basso costo realizzato in stampa 3D

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Sebbene la stampa 3D si sia enormemente diffusa negli ultimi anni in molti campi, finora sono state sviluppate poche applicazioni pneumatiche. Viene qui presentato il progetto di un attuatore lineare a basso costo.

In questo articolo si presenta il progetto di un attuatore pneumatico lineare a basso costo, quasi completamente stampato in 3D con materiale biologico o riciclabile e avente dimensioni personalizzate.

Sono stati stampati vari prototipi con diversi materiali e due tipologie di stampante. Su alcuni di questi prototipi sono eseguiti test sperimentali a scopo di confronto. Il prototipo finale ha basse perdite e buone prestazioni, con cilindro, pistone e testata in PLA e una forza esercitabile di 120 N a 0,2 MPa di pressione di alimentazione.

Lo scopo di questo progetto è quello di indagare la fattibilità della realizzazione di un attuatore pneumatico lineare a doppio effetto a basso costo con me- todi di fabbricazione non tradizionali, in particolare con l’ausilio della fabbricazione additiva. La scelta ricade su questa tecnologia in quanto la sua diffusione d’uso negli ultimi anni è diventata sempre più capillare e la presenza di una stampante 3D di qualsiasi natura tecnologica in uno studio, in un laboratorio, in una sede operativa è sempre più indispensabile, il che rende questo progetto potenzialmente replicabile in qualsiasi situazione e ambiente.

L’idea che ha guidato questo progetto infatti è quella di diffondere la consapevolezza che è possibile realizzare il proprio attuatore lineare pneumatico, completamente personalizzato in base alle proprie esigenze. Inoltre, si vuole ottenere un dispositivo che possa essere utilizzato una volta estratto dalla macchina con il minor numero possibile di post processi. In un futuro prossimo,si vorrebbe essere in grado di stampare l’intero dispositivo in un’unica soluzione, senza la necessità di un successivo assemblaggio.

I vantaggi che si otterrebbero da un attuatore così costruito sono molteplici. Innanzitutto, l’utilizzo di polimeri al posto di leghe ferrose introduce possibilità di utilizzo addizionali, come ad esempio l’utilizzo in ambienti ostili ai metalli o in presenza di campi elettromagnetici che interferiscono con i materiali ferromagnetici, ad esempio in ambito medico-sanitario. Ad esempio [1] propone l’utilizzo di un attuatore in materiale polimerico come soluzione one shot, ovvero il suo ciclo di utilizzo è legato a un’unica operazione al termine della quale il pezzo viene rimosso e opportunamente smaltito, facendo spazio a un nuovo attuatore identico appena stampato e non contaminato. In secondo luogo, i polimeri hanno in genere un peso specifico inferiore a quello dei metalli e quindi è possibile ottenere un rapporto potenza/peso molto interessante. Inoltre, è fondamentale sottolineare che la maggior parte dei polimeri utilizzati in questo progetto sono derivati da sostanze biologiche o sono riciclabili, come l’acido polilattico (PLA) e il polietilene tereftalato glicole (PETG).

Dopo un’approfondita ricerca bibliografica, è stato trovato poco materiale sull’argomento e ognuno degli studi individuati suggerisce che c’è ancora molto da esplorare, proponendo diversi punti di partenza per la sperimentazione.

La scelta degli attuatori pneumatici commerciali è limitata dalla forte standardizzazione delle dimensioni, dei materiali e della potenza in uscita. È proprio qui che entra in gioco il potenziale della stampa 3D, che permette di creare istantaneamente geometrie complesse e di utilizzare materiali leggeri ed ecosostenibili.

Attualmente, le principali applicazioni della stampa 3D per i sistemi pneumatici si trovano nel campo della robotica e riguardano principalmente l’uso di materiali flessibili per la costruzione dei cosiddetti “soft actuators” [2]. Il materiale flessibile permette all’attuatore di adattarsi completamente all’oggetto da manipolare, rendendo il robot in grado di gestire oggetti profondamente diversi tra loro o oggetti molto delicati.

D’altra parte, i tentativi di realizzare attuatori lineari pneumatici utilizzando la fabbricazione additiva non sono così comuni. In [3] Krause e Bhounsule hanno eseguito una serie di misure su un attuatore in cui il cilindro è stampato in PLA, ma il pistone è una barra d’acciaio con la testa del cilindro dotata di un magnete. L’attuatore ha uno spessore del cilindro di 1,15 mm e un diametro interno di 30 mm e per effettuare le misure è stata utilizzata una pressione di circa 4 bar.

In [4] Grgić et al. hanno realizzato un attuatore pneumatico stampato in 3D per implementarlo nel sistema di presa di una macchina per prove di trazione Shimadzu da 10 kN per la caratterizzazione dei tessuti dei legamenti muscolari. Il problema era che, con le impugnature originali, il tessuto si lacerava drasticamente e il test doveva essere condotto con il campione immerso in un fluido. Sfruttando la stampa 3D, è stato sviluppato un attuatore lineare a doppio effetto che rispetta le dimensioni della macchina, che può essere immerso nel fluido senza corrodersi e che riesce a non lacerare i tessuti da testare.

Inoltre, Nall e Bhousule [5] hanno ideato un cilindro pneumatico stampato in ABS con tecnologia FDM. Si tratta di un attuatore di dimensioni molto ridotte, infatti il diametro interno è di 15 mm e il pistone ha una corsa massima di 20 mm. Gli autori hanno concluso che un attuatore stampato in 3D combina le elevate prestazioni della pneumatica con la leggerezza dei polimeri e la rigidità fornita da elementi metallici opportunamente inseriti nei diversi elementi, fornendo così le principali caratteristiche che un attuatore lineare deve avere per le applicazioni robotiche.

Nel progetto qui presentato si vuole fare un ulteriore passo avanti per ottenere un sistema funzionante in cui ciascuno dei suoi componenti sia completamente stampato in 3D con una macchina a basso costo, superando i problemi principali per questo obiettivo che sono l’attrito dovuto alla scarsa finitura superficiale e le perdite d’aria, principalmente legate alla porosità del materiale [6].

Prototipi

La scelta è stata quella di produrre un attuatore lineare a doppio effetto molto semplice, che può essere completamente realizzato in stampa 3D a basso costo.

L’attuatore lineare progettato, mostrato in Figura 1, ha le seguenti caratteristiche: alesaggio 37 mm, corsa 72 mm, peso circa 150 g. È costituito da una camicia esterna, avente spessore di 3 mm, con testa posteriore realizzata in un unico pezzo (1), un pistone (2) su cui sono inseriti due elementi di tenuta (3).

La testa (4) è collegata al corpo per mezzo di 4 bulloni M4 (5). Sono presenti guarnizioni di tenuta fra camicia e testata (6) e guarnizioni raschiastelo (7).

Le guarnizioni del pistone (3) hanno una sezione trasversale con profilo a C, in modo che l’aria in pressione spinga contro il pistone e contro il cilindro, per una maggiore efficienza. Una prima fase di progettazione ha visto la realizzazione di vari prototipi (Tabella 1) con diversi materiali, tra cui il polietilene tereftalato glicole (PETG), l’acido polilattico (PLA), il nylon. Sono state inoltre utilizzate due diverse tecniche di stampa 3D: la SLS (Sinterizzazione Laser Selettiva) e la FDM (Fused Deposition Modeling).

Per quanto concerne i materiali, il PLA è il materiale più utilizzato nel mondo della stampa 3D in formato desktop; è un polimero derivato dall’amido di mais, quindi di natura biologica; il PETG è lo stesso polimero utilizzato nelle bottiglie di plastica, ma con l’aggiunta di glicole per rendere il materiale più fluido ed estrudibile ad alte temperature; il nylon è una poliammide, un polimero con eccellenti caratteristiche meccaniche e anticorrosive. Il tetra poliuretano (TPU), un polimero elastomerico con buone proprietà che gli conferiscono resistenza alla corrosione, è stato utilizzato per stampare alcune delle guarnizioni del pistone.

Le due diverse tecniche di stampa invece si basano su principi di funzionamento differenti. Le stampanti SLS impiegano un raggio laser per sinterizzare delle particelle di polvere, a base polimerica o composita. La maggior parte delle macchine che sfruttano questa tecnologia sono di tipo industriale utilizzabili per produzione massiva di parti, ma negli ultimi anni sono stati presentati sul mercato modelli di stampanti 3D SLS desktop. Le stampanti FDM, invece, sono le più comuni e diffuse: fondono ed estrudono un filamento di polimero attraverso un ugello, depositandolo lungo un percorso prestabilito per formare i pezzi strato per strato.

La stampa dei componenti ha richiesto diverse valutazioni preliminari. A titolo esemplificativo, si riportano alcune problematiche e le relative soluzioni individuate in questo lavoro preliminare.

La stampa del pistone in direzione verticale, con strati successivi perpendicolari all’asse del pistone stesso come visibile in Figura 2(a), permette di ottenere migliori tolleranze dimensionali, mentre la stampa in direzione orizzontale, con strati paralleli all’asse del pistone come mostrato in Figura 2(b), potrebbe dare vantaggi in termini di resistenza meccanica.

La prima soluzione è stata scelta in quanto consente di assemblare l’attuatore senza operazioni di post produzione, che rappresenta un obiettivo del presente lavoro. Anche per la stampa del cilindro, i migliori risultati in termini di tolleranze geometriche si ottengono con la stampa verticale, con strati depositati perpendicolarmente all’asse del cilindro. Per quanto riguarda la stampa di quest’ultimo particolare si è osservato che in assenza di informazioni specifiche, gli strati successivi partono tutti dalla stessa posizione radiale. Questo genera una linea di partenza dello strato e lungo questa linea si osserva una concentrazione di perdite d’aria (Figura 3(a)). Per ovviare a questo inconveniente è stata utilizzata una regolazione della macchina che fa sì che ogni strato parta da una posizione casuale rispetto al preceden- te (Figura 3(b)). In questo modo i punti di partenza di ogni strato di materiale sono distribuiti in modo randomico e le perdite di aria sono minimizzate. Inoltre, la lavorazione è impostata in modo che lo spessore della parete sia generato mediante circonferenze concentriche che si sovrappongono (overlap) per ottenere un’elevata compattezza radiale e ridurre ulteriormente il rischio di perdite quando il cilindro viene messo in pressione. In Figura 4 sono mostrati due esempi di componenti realizzati.

Per la successiva fase di valutazione sperimentale sono stati scelti tre prototipi (3, 5 e 8, vedi Tabella 1 e Figura 5). Questi prototipi sono tutti realizzati con la tecnica FDM, scelta perché più diffusa ed economica; inoltre, ogni parte stampata in 3D di questi prototipi non è stata sottoposta ad alcun trattamento di post produzione.

Il prototipo (3) ha il cilindro e la testa in PETG, mentre il pistone è in PLA. Le guarnizioni sulla testa del cilindro e la guarnizione raschiastelo sono in TPU 85A. Il prototipo (5) è completamente in PLA, con guarnizioni O-ring sulla testa del cilindro e sulla guarnizione raschiastelo.

Il prototipo (8) è uguale al (5), ma la testa anteriore ha la se- de per due O-ring, a differenza del (5) che ne ha solo uno, per una migliore guida dello stelo e un migliore rendimento dell’attuatore.

Prima di procedere con le valutazioni sperimentali, è stata effettuata un’analisi agli elementi finiti (FEM) del modello per avere una stima della resistenza del prototipo (Figura 6).

Per condurre una simulazione numerica sul modello, è necessario innanzitutto conoscere le caratteristiche del materiale [7]. I componenti realizzati con la stampa 3D sono, per loro natura, corpi non continui e più o meno isotropi in base alla tecnologia utilizzata. Numerosi parametri influenzano il comportamento delle parti stampate: tecnologia, materiale, parametri di processo, direzione di stampa.

Yu et al. [8] hanno condotto una ricerca per analizzare le proprietà meccaniche di campioni realizzati in PLA con stampa FDM valutando l’influenza di 6 diversi parametri sulle prove di trazione e compressione. Sulla base dei risultati ottenuti da Yu, è stata condotta una serie di simulazioni numeriche che ha permesso di ottenere un coefficiente di sicurezza dell’attuatore lineare pari a 1,8 nell’intero intervallo di pressioni di alimentazione normali (< 1MPa).

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