Stampa 3D in metallo: come funziona
I tradizionali processi di fabbricazione dei metalli sono ad alta intensità energetica e generano notevoli rifiuti, con fino al 90% del metallo che viene tagliato durante la produzione. Ciò non solo consuma energia eccessiva, ma aggiunge anche peso inutile al prodotto finale, il che rappresenta uno svantaggio costoso in settori come l’aviazione. La stampa 3D in metallo ci mostra diversi modi per farlo.
In contrasto, stampa 3D riduce al minimo gli sprechi utilizzando solo la quantità esatta di materiale richiesto, con conseguente praticamente nessuno spreco. I limiti della stampa esclusivamente plastica sono stati superati poiché le aziende di tutto il mondo stanno sviluppando stampanti 3D in grado di stampare con materiali metallici. Questa svolta apre nuove possibilità per la produzione diretta di oggetti metallici complessi utilizzando la tecnologia di stampa 3D.
Cos’è la stampa 3D in metallo
La stampa 3D in metallo, nota anche come produzione additiva in metallo, è una tecnologia di produzione all'avanguardia che consente la creazione di oggetti metallici tridimensionali. Utilizza processi additivi per costruire parti metalliche strato dopo strato, a differenza dei tradizionali metodi sottrattivi che implicano il taglio, la lavorazione o la fusione. (Si prega di consultare questo post: Stampa 3D e lavorazione CNC)
La stampa 3D in metallo prevede l’uso di stampanti 3D specializzate dotate di laser o raggi di elettroni per sciogliere o sinterizzare selettivamente le polveri metalliche, fondendole insieme per formare forme e strutture complesse. Questa tecnologia consente la produzione di componenti metallici altamente complessi e personalizzati che potrebbero essere difficili o impossibili da creare utilizzando metodi di produzione convenzionali.
La stampa 3D in metallo introduce interessanti possibilità e applicazioni, in particolare nel settore dei trasporti. Consente l’implementazione di tecniche di ingegneria e progettazione leggera, che svolgono un ruolo cruciale in vari obiettivi. Questi obiettivi includono la riduzione del peso complessivo del veicolo, l’ottimizzazione dell’efficienza energetica durante il funzionamento, la riduzione dei costi di produzione e il miglioramento delle prestazioni complessive. Questa tecnologia apre nuove strade per l’innovazione e il progresso nel settore dei trasporti.
Processo di stampa 3D in metallo
Il processo di stampa 3D in metallo, noto anche come produzione additiva in metallo, prevede diversi passaggi chiave:
Progettare l'oggetto
Il processo inizia con la creazione di un disegno digitale dell'oggetto desiderato utilizzando un software di progettazione assistita da computer (CAD). Il design può essere personalizzato e ottimizzato per i requisiti e le capacità specifici della stampa 3D in metallo.
Preparazione del file CAD
Il progetto CAD viene quindi convertito in un formato compatibile con la stampante 3D in metallo. Ciò può comportare il taglio del modello 3D in sottili strati trasversali, la determinazione delle strutture di supporto appropriate e la specifica dei parametri di stampa.
Selezione del materiale
La scelta del materiale in polvere metallica è fondamentale nella stampa 3D in metallo. Vari metalli, come titanio, alluminio, acciaio inossidabile e leghe di nichel, possono essere utilizzati in base all'applicazione specifica e alle proprietà desiderate dell'oggetto stampato.
Preparazione della stampante
La stampante 3D in metallo viene configurata e calibrata in base alle specifiche del materiale metallico utilizzato. Ciò include la garanzia della corretta temperatura, atmosfera del gas e altri parametri di processo necessari per una stampa di successo.
Stampa dell'oggetto
La stampante 3D in metallo avvia il processo di produzione additiva depositando un sottile strato di polvere metallica sulla piattaforma di costruzione. Lo strato di polvere viene quindi fuso o sinterizzato selettivamente utilizzando una fonte ad alta energia, come un laser o un fascio di elettroni, in base alle istruzioni fornite dal file CAD. Questo processo viene ripetuto strato dopo strato fino alla formazione dell'oggetto completo.
Lavori di rifinitura
Dopo la stampa, l'oggetto metallico può essere sottoposto a varie fasi di post-elaborazione per migliorarne le proprietà meccaniche, la finitura superficiale e l'accuratezza dimensionale. Ciò può includere la rimozione di strutture di supporto, il trattamento termico, la lavorazione meccanica, la lucidatura o l'applicazione di rivestimenti o finiture aggiuntivi.
Come funziona?
A differenza delle stampanti convenzionali che fondono la plastica e la depositano, la stampa su metallo richiede approcci diversi a causa della temperatura di lavorazione molto elevata e del punto di fusione dei metalli. Tre tecniche ampiamente utilizzate sono emerse nel campo della stampa su metallo. Una di queste tecniche è nota come binder jetting, che offre notevoli vantaggi in termini di efficienza dei materiali rispetto ad altri metodi di stampa su metallo, superandoli di oltre dieci volte.
Getto di raccoglitore
Il processo di Binder Jetting è molto simile al processo MIM. I materiali leganti vengono utilizzati per legare la polvere metallica in modo che la polvere metallica possa formare la forma progettata.
Nel processo di stampa a getto di legante, sono coinvolti i seguenti passaggi:
Preparazione della camera
La camera di costruzione è riempita con gas inerte, come l'argon, per prevenire l'ossidazione del metallo durante la stampa.
Deposizione di polveri metalliche
Un sottile strato di polvere metallica, tipicamente spesso da 20 a 50 micron, viene distribuito uniformemente nella camera di costruzione. Lo spessore dello strato dipende da fattori quali le proprietà del flusso, la dimensione delle particelle e la forma delle particelle metalliche.
Applicazione di legante polimerico
Un composto polimerico, che funge da legante, viene spruzzato su regioni specifiche dello strato di polvere metallica secondo il contorno 3D del componente da stampare. Questo legante aiuta a legare insieme le particelle metalliche. In modo che solo le polveri metalliche nel contorno 3D siano legate, le polveri metalliche che non sono nel contorno 3D verranno rimosse nel passaggio seguente.
Costruzione strato per strato
Il processo viene ripetuto, con ulteriori strati di polvere metallica e legante applicati uno sopra l'altro, costruendo gradualmente l'oggetto. Ogni strato corrisponde ad una sezione trasversale del modello 3D.
Raccolta e riutilizzo della polvere in eccesso
Dopo la stampa, la polvere metallica in eccesso viene raccolta, filtrata e rinfrescata con particelle di polvere metallica non utilizzate. Questa polvere riciclata può essere riutilizzata nelle stampe successive, riducendo gli sprechi di materiale.
Separazione dei componenti e post-elaborazione
Il componente stampato viene separato dalla camera di costruzione utilizzando varie tecniche, come mezzi meccanici o chimici. Le fasi di post-elaborazione, come la rimozione delle strutture di supporto o l'applicazione di trattamenti di finitura, possono essere eseguite secondo necessità.
Precisione
Il componente stampato in genere raggiunge un elevato livello di precisione, generalmente entro ±0.1 mm, a seconda delle capacità specifiche della stampante e della complessità del progetto.
Dopo il completamento del processo di costruzione e la separazione delle parti metalliche di produzione dalla piastra di costruzione, è considerato un oggetto metallico stampato in 3D “verde”. Tuttavia, questo oggetto verde presenta scarsa resistenza meccanica ed elevata porosità. Per affrontare queste limitazioni, vengono utilizzati due approcci comuni:
sinterizzazione
L'oggetto verde viene posto in un forno dotato di elementi riscaldanti convenzionali e tecnologia a microonde. La temperatura viene aumentata ad un livello appena al di sotto del punto di fusione del metallo (ma significativamente al di sopra del punto di fusione del legante polimerico). All'aumentare della temperatura, il legante polimerico si accende e brucia. Il calore intenso facilita un processo chiamato “sinterizzazione”, in cui le particelle metalliche vengono legate insieme, riempiendo fori e vuoti microscopici. Questo processo di sinterizzazione determina un riempimento dei pori pari a circa il 97%, migliorando le proprietà meccaniche dell'oggetto.
Infiltrazione
In questo metodo, l'oggetto verde viene sottoposto a un forno per eliminare il legante polimerico rimanente, che lascia circa il 60% di vuoti nella struttura. Per rinforzare e ridurre ulteriormente la porosità, l'oggetto viene poi infiltrato con un materiale in bronzo. Il bronzo riempie i vuoti generati dalla rimozione del legante polimerico, determinando una maggiore resistenza e una riduzione significativa (circa il 90%) del volume dei pori.
Il restringimento è un problema nella stampa 3D di metalli a getto di legante, soprattutto durante le fasi di sinterizzazione o infiltrazione nel forno. Le alte temperature possono causare imprecisioni dimensionali, deformazioni o deformazioni dovute all'ammorbidimento del metallo. Il funzionamento esperto della macchina e un'attenta considerazione nella fase di progettazione iniziale vengono impiegati per compensare il potenziale restringimento e garantire la precisione dimensionale e la forma desiderate del prodotto finale.
Fusione laser selettiva
È un’altra tecnica importante utilizzata nella stampa 3D in metallo e differisce dal getto di legante. Laser selettivo qui significa che il laser passerà attraverso percorsi e posizioni selezionati.
Ecco una panoramica del processo SLM:
Preparazione della camera
La camera di costruzione è riempita con un gas inerte per creare un ambiente privo di ossigeno che impedisce l'ossidazione del metallo durante il processo di stampa.
Deposizione di polveri metalliche
Un sottile strato di polvere metallica viene distribuito uniformemente sulla piattaforma di stampa.
Fusione laser
Un laser ad alta potenza esegue la scansione e scioglie selettivamente la polvere metallica nell'area della sezione trasversale dell'oggetto, fondendo insieme le particelle per creare uno strato solido dell'oggetto. Il laser è controllato con precisione in base al design digitale.
Costruzione strato per strato
Dopo il completamento di uno strato, la piattaforma di stampa si sposta verso il basso di una distanza specifica, generalmente compresa tra 50 e 200 micron. Un nuovo rivestimento distribuisce quindi un nuovo strato di polvere metallica sopra lo strato precedente.
Scansione laser e fusione
Il laser scansiona e fonde la polvere metallica nello strato appena depositato, fondendola con lo strato sottostante.
Ripeti e costruisci
Il processo viene ripetuto, strato dopo strato, con la piattaforma di costruzione che scende e un nuovo strato di polvere che viene distribuito e fuso selettivamente fino alla costruzione dell'intero oggetto.
Raccolta e riutilizzo della polvere in eccesso
Dopo la stampa, la polvere metallica in eccesso viene raccolta, filtrata e miscelata con polvere fresca per essere riutilizzata nelle stampe successive. Questo processo di riciclaggio aiuta a ridurre al minimo gli sprechi di materiale.
La fusione laser selettiva consente la creazione di geometrie complesse e parti ad alta risoluzione con eccellenti proprietà meccaniche. È ampiamente utilizzato in settori quali quello aerospaziale, medico e automobilistico per la produzione di componenti metallici funzionali con dimensioni precise e dettagli precisi.
La fusione laser selettiva (SLM) elimina la necessità di processi separati di riscaldamento e sinterizzazione perché fonde direttamente la polvere metallica per formare l'oggetto. Questa caratteristica unica si traduce in un prodotto finale con una resistenza meccanica significativamente più elevata. Di conseguenza, SLM è il metodo preferito per la produzione di componenti che richiedono proprietà meccaniche eccezionali come resistenza alla fatica del metallo, allungamento a rottura e modulo elastico.
Sia le tecniche di binder jetting che quelle SLM danno priorità all’efficienza dei materiali. La polvere metallica utilizzata in questi processi viene raccolta, filtrata e miscelata con polvere fresca per il riutilizzo. Questo approccio al riciclaggio garantisce che i rifiuti generati siano ridotti al minimo a meno del 5%, contribuendo a un processo di produzione più sostenibile ed economicamente vantaggioso.
Produzione additiva di fili ad arco
Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) è una tecnica di produzione utilizzata per la produzione o la riparazione di componenti metallici. Rientra nella categoria dei processi Direct Energy Deposition (DED) nell'ambito della produzione additiva. WAAM prevede la deposizione sequenziale di strati metallici per formare gradualmente la forma tridimensionale desiderata.
Questo metodo combina due processi di produzione: saldatura ad arco metallico a gas (GMAW) e produzione additiva. GMAW è una tecnica di saldatura ad arco utilizzata per fondere insieme parti metalliche, mentre la produzione additiva si riferisce al termine industriale per la stampa 3D. In WAAM, la produzione di parti viene ottenuta integrando un robot di saldatura con una fonte di energia. Il robot utilizza una torcia di saldatura per fondere la materia prima del filo, costruendo successivamente i componenti 3D.
In WAAM, il filo metallico viene alimentato attraverso un ugello o una torcia di saldatura e il calore dell'arco fonde il filo, che viene quindi depositato su un substrato o su strati precedentemente depositati. Il processo continua strato dopo strato fino a formare l'oggetto desiderato. Gli strati depositati si solidificano e si legano insieme, creando una parte metallica. Ovviamente, le parti realizzate in WAAM avrebbero una superficie piuttosto ruvida, per ottenere una superficie migliore sono necessarie operazioni secondarie come la molatura o la lucidatura.
WAAM offre numerosi vantaggi, tra cui velocità di costruzione più elevate rispetto ad altre tecniche di stampa 3D in metallo, costi dei materiali inferiori grazie all’uso del filo anziché della polvere e la capacità di lavorare con un’ampia gamma di leghe metalliche. Viene spesso utilizzato per fabbricare componenti metallici su larga scala come ali di aeroplani, eliche di navi o parti di motori a reazione. Il processo ha applicazioni in settori come quello aerospaziale, automobilistico e marittimo. È molto utile produrre prototipi di parti di grandi dimensioni, il processo di produzione alternativo richiederebbe attrezzature costose e di grandi dimensioni e sprecherebbe molto materiale piuttosto costoso.
Conclusione
In conclusione, la stampa 3D in metallo ha rivoluzionato la produzione di componenti metallici. Offre numerosi vantaggi rispetto ai metodi di produzione tradizionali, tra cui una maggiore libertà di progettazione, una riduzione degli sprechi di materiale e la capacità di creare geometrie complesse. La stampa 3D in metallo consente la produzione di strutture leggere, parti personalizzate e prestazioni migliorate in vari settori come quello aerospaziale, automobilistico, sanitario e altro ancora.
Poiché la stampa 3D in metallo continua ad avanzare, con ricerca e sviluppo continui, ha il potenziale per trasformare le industrie consentendo la produzione di parti metalliche altamente personalizzate, leggere ed efficienti. Grazie alla sua capacità di ridurre gli sprechi, migliorare le prestazioni e aumentare le possibilità di progettazione, la stampa 3D in metallo è pronta a rimodellare il futuro della produzione.