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Quando si parla di stampa 3D, la stampa 3D in metallo merita di essere discussa per l'elevata resistenza e durata dei metalli. In primo luogo, la stampa 3D in metallo è sinonimo di manifattura additiva, che si occupa di creare prodotti costruendo strati uno per uno.
Esistono diverse tecniche di stampa 3D in metallo. È quindi possibile scegliere tra diversi tipi di materiali per ottenere una combinazione perfetta di durata, costo, finitura superficiale e velocità. Ecco una guida completa al processo, al funzionamento, ai tipi e alle applicazioni della stampa 3D in metallo.
Che cos'è la tecnica di stampa 3D del metallo e come funziona?
La stampa 3D in metallo è una tecnologia di produzione additiva che produce parti metalliche sotto forma di strati mediante sinterizzazione, fusione e saldatura. La stampa 3D in metallo utilizza tipicamente polveri metalliche per il funzionamento. In generale, la stampa 3D in metallo coinvolge un'ampia gamma di leghe metalliche e metalli, tra cui la stampa 3D inossidabile, l'acciaio, l'alluminio, il cobalto-cromo e il titanio.
La lavorazione del metallo per le stampanti 3D si basa principalmente su SLM e DMLS. Vediamo quindi come funziona:
Prima di passare al processo di stampa 3D in metallo, vorrei introdurre la piattaforma di costruzione. Di solito, le parti metalliche sono attaccate ad essa attraverso strutture di supporto realizzate con lo stesso materiale delle parti. La piattaforma di costruzione impedisce principalmente la distorsione o la piegatura a causa delle alte temperature.
Passo 1
Il primo passo consiste nel ridurre al minimo la probabilità di ossidazione della polvere metallica riempiendo la camera di costruzione con gas inerte, ad esempio argon. Quindi la camera di costruzione viene riscaldata alla temperatura ottimale.
Passo 2
Dopo aver steso il sottile strato di polvere metallica, la sezione trasversale del componente viene scansionata con un laser ad alta potenza.
Di conseguenza, le particelle di metallo si fondono e danno origine a un altro strato. Allo stesso modo, l'intera area della parte metallica viene monitorata per garantire la formazione di un prodotto completamente solido.
Passo 3
Non appena il processo di scansione termina, la piattaforma di costruzione si sposta verso il basso e stende un secondo strato sottile di metallo utilizzando un riallineatore. Il processo continua a ripetersi fino alla formazione del prodotto finale.
Passo 4
Una volta formato il prodotto e raffreddato il contenitore a temperatura ambiente, la polvere metallica in eccesso deve essere rimossa manualmente dai tecnici. Successivamente, il pezzo viene trattato termicamente senza staccarlo dalla piattaforma di costruzione. In questo caso, la piattaforma di costruzione serve ad alleviare le tensioni residue del pezzo.
Infine, è il momento di separare il componente dalla piattaforma di costruzione mediante lavorazione o taglio. A questo punto, è possibile utilizzare il pezzo per un'ulteriore post-elaborazione.
Quali sono i diversi tipi di tecniche di stampa 3D del metallo?
Come già detto, la polvere di metallo è un elemento chiave delle macchine per la stampa di metalli. Pertanto, la differenza tra tutti i tipi di tecniche di stampa 3D in metallo sta nella fusione della polvere in parti metalliche. Queste tecniche coinvolgono diverse fonti per il funzionamento di una stampante 3D in metallo.
|
Classificazione delle tecniche di stampa 3D del metallo |
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| Tipi |
Fusione del letto di polvere |
Getto di legante | Getto di materiale | Estrusione di materiale | Polimerizzazione in vasca | Deposizione diretta di energia |
Laminazione dei fogli |
| Sottotipi |
DMLS SLS MJF |
Getto di legante | Materiale a getto DOD | FDM
FFF |
SLA
DLP CLIP |
DED laser
Arco DED Fascio di elettroni DED |
LOM SLCOM PSL SDL |
| I materiali | EBM in acciaio,
Acciaio inossidabile, Titanio, Rame cobalto, Alluminio |
Carburo di tungsteno, leghe a base di nichel Acciaio inox |
Acciaio inox |
Leghe di titanio, leghe di nichel, leghe di alluminio, rame, acciaio inox |
Resine |
Acciaio inossidabile, leghe di nichel, leghe di titanio, leghe di cobalto |
Carta, metalli, ceramica, polimeri, |
Di seguito ne esamineremo i tipi più significativi, il loro funzionamento e i loro usi:
1. Fusione del letto di polvere
La fusione a letto di polvere è la tecnica di stampa 3D diretta del metallo più utilizzata. Il principio di funzionamento di queste macchine consiste nello stendere un sottile strato di polvere e utilizzare una fonte termica per fondere una sezione trasversale del pezzo in uno strato di polvere.
Per conoscere in modo approfondito questo processo, è necessario esaminare le tipologie più diffuse. Quando si parla delle migliori stampanti 3D per metalli, le prime immagini che vengono in mente sono DMLS e SLS. In genere, SLM (Selective Laser Sintering), DMLS (Direct Metal Laser Sintering) e MJF (Multi Jet Fusion) sono tipi di fusione a letto di polvere. Analizziamo questi tipi uno per uno:
DMLS
La sinterizzazione laser diretta dei metalli si distingue per la possibilità di realizzare parti di qualsiasi lega metallica. Mentre altri metodi di stampa 3D sono compatibili solo con leghe metalliche specifiche o materiali a base di polimeri. Sebbene il funzionamento della DMLS sia abbastanza simile a quello della SLS, la differenza sta nel livello molecolare. Invece di fondere le polveri metalliche, queste vengono solo sinterizzate. In definitiva, si ottengono parti meno porose rispetto alla tecnica di fusione.
Inoltre, questa stampante 3D a sinterizzazione di metalli richiede meno energia, poiché non richiede calore per fondere la polvere di metallo. Il processo è utilizzato specificamente per creare prodotti con sottosquadri, cavità e angoli di sformo. Le sue applicazioni principali sono i prototipi funzionali, gli utensili e i dispositivi o strumenti medici.
SLS
Con questo metodo è possibile ottenere oggetti stampati estremamente densi e resistenti. In genere, si utilizza un laser ad alta potenza per unire le piccole particelle di polvere in un pezzo tridimensionale. Una volta fuso uno strato, un rullo viene spostato sul letto per garantire la distribuzione dello strato di polvere successivo. Successivamente, la maggior parte della polvere sciolta viene rimossa con una spazzolatura manuale.
Le stampanti SLS per metalli sono ideali per la lavorazione di parti meccaniche, tra cui eliche e ingranaggi. Inoltre, questo processo produce parti per l'industria automobilistica, aerospaziale e medica.
MJF
La tecnologia Multi Jet Fusion si avvale di bracci spazzanti. In primo luogo, un braccio spazzante applica lo strato di polvere, quindi il secondo braccio, costituito da getti d'inchiostro, deposita selettivamente un agente legante sul pezzo in questione. Inoltre, il getto d'inchiostro fornisce superfici lisce e precise applicando un agente di dettaglio intorno al legante.
Vantaggi del PBF
Di seguito sono riportati alcuni vantaggi comuni del metodo di fusione a letto di polvere:
- È possibile realizzare un'ampia gamma di geometrie.
- Fornisce le migliori proprietà meccaniche ai prodotti.
Svantaggi
Questo metodo presenta alcuni svantaggi, come costi elevati, dimensioni limitate, produzione di rifiuti e manipolazione pericolosa delle polveri metalliche.
2. Getto di legante
La tecnica del binder jetting nella stampa 3D è stata sviluppata negli anni Novanta. Lo scopo era quello di ottenere un metallo stampabile a basso costo che fosse anche altamente efficace.
Il metodo inizia quando il tipo di materiale di stampa 3D iniziale viene depositato nella stampante sotto forma di polvere, come sabbia, polvere di metallo, ceramica o polimero. Quindi viene applicato l'agente legante a getto d'inchiostro e ogni strato viene stampato sulla piattaforma di costruzione. Mentre il processo si ripete, la polvere viene ricoperta nuovamente dopo ogni strato fino al completamento della stampa.
Questa tecnica può produrre un gran numero di pezzi di alta qualità e di utensili di lavorazione in un breve periodo. Inoltre, può trovare applicazione nella produzione di stampi per la fusione in sabbia, modelli realistici e prototipi a basso costo.
Vantaggi
Utilizzando questa tecnica si possono ottenere i seguenti benefici:
- Costo ridotto.
- Precisione dimensionale di 2 mm.
- Eccellente produzione di colori.
Svantaggi
Oltre ai suoi notevoli benefici, i risultati non sono ancora all'altezza. È possibile utilizzarlo solo per applicazioni a bassa intensità.
3. Getto di materiale
Il getto di materiale, noto anche come poligetto, è una tecnica piuttosto popolare nella stampa 3D di lamiere. Utilizza materiali fotoreattivi viscosi come le cere e i fotopolimeri (liquidi) come materiali comunemente usati a causa della loro viscosità. Grazie alla loro natura viscosa, formano goccioline sottili per formare gli strati. In genere, il metodo utilizza la luce UV per solidificare il materiale sulle parti. Il prodotto viene realizzato principalmente strato per strato fino al completamento.
Questa tecnica può essere utilizzata in applicazioni come la prototipazione per creare prototipi luminosi per diversi marchi e modelli medici.
Vantaggi
- La precisione può arrivare a 0,01 millimetri per strato sottile.
- Fornisce una finitura superficiale liscia.
- Il processo offre un'ampia gamma di colori per le parti in materiale.
Svantaggi
Gli svantaggi del getto di materiale sono che non è adatto ad applicazioni meccaniche ed è un processo di stampa a bassa velocità.
4. Estrusione di materiale
Come suggerisce il nome, questa tecnica di stampa 3D funziona secondo il principio dell'estrusione, in cui il materiale prossimo al punto di fusione viene fatto passare attraverso una piccola apertura. Questa tecnica funziona depositando filamenti 3D metallici compositi e materiali termoplastici su un percorso predeterminato per formare strati. I materiali comuni per l'estrusione sono PLA, PA, ABS, TPU, fibra di carbonio e altri ancora.
Di solito, l'estrusione di materiale in parti metalliche stampate in 3D è applicabile per alloggiamenti elettronici, modelli di colata, attrezzature, ecc.
Esistono due sottotipi di estrusione di materiale:
- FDM (modellazione a deposizione fusa)
- FFF (Fused Filament Fabrication)
1) FDM
La tecnologia FDM utilizza un filamento di plastica che viene prima liquefatto e poi risolidificato nella forma desiderata (già impostata da un modello CAD). In genere, il riscaldamento di un ugello di estrusione è responsabile della fusione della plastica. Il materiale fuso tende a formare strati e, dopo l'indurimento, dà origine a un oggetto 3D.
2) FFF
La tecnologia FFF è esattamente simile a quella FDM. Tuttavia, i pezzi FDM sono considerati più resistenti di quelli FFF. Per quanto riguarda il funzionamento della FFF, manca un ambiente di stampa riscaldato, il che è un fattore chiave per risultati meno accurati dei prodotti.
Vantaggi
Ecco alcuni grandi vantaggi dell'estrusione dei metalli:
- A basso costo
- È possibile utilizzarlo facilmente e con la massima sicurezza.
- Stampa rapida di parti delicate.
Svantaggi
L'estrusione di materiale non è preferibile in termini di precisione e velocità a causa del raggio limitato dell'ugello. Inoltre, i tecnici devono mantenere la qualità della finitura finale del prodotto.
5. Polimerizzazione in vasca
La fotopolimerizzazione in vasca è uno dei processi di fabbricazione additiva che utilizza esclusivamente il fotopolimero come materiale significativo per questa tecnica. Di solito, la resina fotopolimerica è disponibile in vari colori. In genere, utilizza la luce UV per polimerizzare la resina e fornire una finitura superficiale perfetta.
Inoltre, il processo di fotopolimerizzazione avviene quando le molecole dei fotopolimeri liquidi sono esposte a diverse lunghezze d'onda della luce. Di conseguenza, si legano rapidamente tra loro e si induriscono in un solido.
Le tecniche di polimerizzazione in vaschetta sono comuni per la produzione di pezzi con dettagli raffinati, come la gioielleria e diverse applicazioni dentali e cliniche.
Questa tecnica 3D ha altre tipologie diverse:
- SLA (Stereolitografia)
- DLP (elaborazione digitale della luce)
- CDLP (elaborazione digitale continua della luce)
1) SLA
La tecnologia SLA è nota soprattutto per le resistenze ridotte, gli elevati livelli di dettaglio e le finiture superficiali uniformi. La lavorazione di questo tipo prevede una piattaforma di costruzione che viene immersa in un contenitore pieno di resina. Durante questa operazione, viene lasciato solo uno strato di altezza tra il fondo del serbatoio di resina e la piattaforma di costruzione. Successivamente, un galvanometro con l'ausilio del codice G traccia il raggio laser nel percorso, che è responsabile della creazione di uno strato sul pezzo.
Successivamente, la sezione trasversale di un particolare pezzo viene rivestita nuovamente con materiale fresco. Seguendo gli stessi passaggi, è possibile formare nuovi rivestimenti su questa superficie riverniciata.
2) DLP
Come suggerisce il nome, il metodo Digital Light Processing utilizza la luce e i polimeri fotosensibili per la stampa. Si differenzia dalla SLA solo per la sorgente luminosa. Utilizza diverse fonti di luce proiettata, come le lampade ad arco. Inoltre, è considerato più veloce della SLA.
Il DLP è ideale per la stampa di modelli intricati su resine per la realizzazione di giocattoli, stampi dentali, stampi per gioielli, statuette e molti altri prodotti dai dettagli raffinati.
3) CDLP
CLIP è la tecnica di polimerizzazione IVA più veloce che produce oggetti con lati lisci di varie forme. Questa tecnologia utilizza esplicitamente un proiettore UV, ossigeno e resina fotosensibile per produrre un oggetto 3D.
La piattaforma di costruzione è leggermente immersa in un pozzetto di resina fotosensibile. Quando la piattaforma di costruzione si solleva, la luce UV reagisce con la resina, provocando l'indurimento del materiale. A questo punto, la luce UV e l'ossigeno vengono regolati per modificare la forma del pezzo mentre si solleva dal pozzo di resina. Uno degli scopi principali del CDLP è quello di generare proprietà meccaniche in parti realmente isotrope.
Vantaggi
- Fornisce un lavoro dettagliato e di alta qualità.
- Inoltre, offre una stampa veloce.
Svantaggi
Oltre ai vantaggi della polimerizzazione al tino, manca anche la resistenza e i raggi UV possono intaccare la resina anche dopo la stampa. Inoltre, con il tempo, la resina può deformarsi e piegarsi.
6. Deposizione diretta di energia:
La Deposizione diretta di energia nella stampa 3D è una tecnica complessa, tipicamente utilizzata per la riparazione di parti industriali. In questo processo si utilizza solo metallo sotto forma di filo o polvere. Inoltre, non richiede alcuna struttura di supporto aggiuntiva e utilizza una sorgente ad alta energia come un laser o un fascio di elettroni per fondere il materiale contemporaneamente alla stampa.
Tuttavia, a seconda delle diverse applicazioni, questa tecnica è nota anche come DMD, LENS, EBAM, ecc.
Le applicazioni di questa tecnica nel settore industriale sono la riparazione di pale o pale di turbine danneggiate.
Vantaggi
- I pezzi più grandi possono essere prodotti con maggiore efficienza.
- Consente una stampa rapida rispetto ad altri servizi di stampa 3D in metallo.
- Il processo crea prodotti ad alta densità con eccellenti proprietà meccaniche.
Svantaggi
Senza dubbio, le prestazioni complessive di questo metodo sono eccezionali, ma è relativamente molto costoso. Inoltre, funziona senza l'utilizzo di strutture di supporto, eliminando la possibilità di sporgenze.
7. Laminazione dei fogli
La laminazione delle lamiere segue il fenomeno dello strato per strato per formare una parte metallica 3D. In questo metodo, sottili fogli di metallo vengono impilati e laminati, ottenendo un unico pezzo che può essere convertito in un oggetto 3D mediante taglio. La laminazione può includere la saldatura a ultrasuoni, la brasatura o l'incollaggio. Una volta completato il processo di stampa con questo metodo, i prodotti risultanti vengono modificati mediante lavorazione o foratura.
Vantaggi
- I materiali sono facili da maneggiare
- Non è necessario alcun sistema di supporto aggiuntivo
- L'utilizzo di materiale standard consente di risparmiare sui costi
- Dopo la post-elaborazione, offre un tempo di stampa più rapido
Svantaggi
La tecnologia di laminazione dei fogli offre opzioni di materiale limitate. Inoltre, può essere difficile rimuovere il materiale in eccesso dopo la laminazione. Soprattutto, questo metodo porta a molti sprechi.
Caratteristiche della stampa 3D dei metalli rispetto a SLM e DMLS
1. Parametri della stampante 3D
I parametri sono già impostati in una stampante dai produttori di macchine. Di solito si utilizza un'altezza di strato compresa tra 20 e 50 micron. D'altra parte, le dimensioni generali del sistema sono di circa 250 * 150 * 150 mm, ma sul mercato sono disponibili anche modelli più grandi.
Inoltre, durante SLM e DMLS, meno di 5% di metallo in polvere viene sprecato sotto forma di strutture di supporto. Tuttavia, la maggior parte della polvere può essere riciclata.
2. Adesione dello strato
I pezzi prodotti dalle stampanti 3D DMLS e SLM in grado di stampare metallo hanno caratteristiche termiche e meccaniche isotrope elevate. Queste parti solide presentano una porosità interna molto ridotta. Possiedono invece una maggiore resistenza e durezza rispetto ad altre tecniche tradizionali.
Tuttavia, la loro elevata rugosità superficiale li rende inclini alla fatica.
3. Strutture leggere
Nella stampa 3D in metallo, per ottenere pezzi leggeri si utilizza in genere una struttura reticolare. Inoltre, si possono utilizzare algoritmi di ottimizzazione topologica per ottenere progetti organici e leggeri.
4. Strutture di supporto
Le strutture di supporto sono fondamentali per le stampanti 3D SLM e DMLS per affrontare le conseguenze delle alte temperature di lavorazione. Le tre funzioni principali di queste strutture sono le seguenti:
- Servono a fissare il pezzo in lavorazione alle piastre di costruzione per evitare deformazioni.
- Contribuisce a formare lo strato successivo su cui costruire.
- Svolgono un ruolo fondamentale nell'allontanare il calore dal componente. Di conseguenza, si raffreddano rapidamente.
Verdetto finale
Forse avrete notato che, accanto ai numerosi vantaggi delle diverse tecniche di stampa 3D in metallo, esistono anche alcuni aspetti negativi. Soprattutto se si considera il costo relativamente elevato delle stampanti 3D e delle polveri metalliche, la soluzione migliore è ottenere stampe 3D personalizzate su richiesta.
