Additive Manufacturing e stampa 3d: definizione ed esempi

Additive Manufacturing (manifattura additiva): cos’è, significato

Additive Manufacturing (manifattura additiva) è un nuovo metodo di produzione basato sulla realizzazione di modelli fisici attraverso la sovrapposizione di materiali strato su strato.

Differenze fra additive e produzione a controllo Numerico 

Il processo additivo si contrappone a quello sottrattivo delle tecnologie a controllo numerico.

Oggi infatti, invece di partire da un pieno da svuotare (tipico approccio frutto dell’utilizzo di tecnologie CNC a controllo numerico), possiamo costruire strato su strato rispettando i pieni ed i vuoti delle geometrie.

Un nuovo modo di concepire la produzione che sta letteralmente travolgendo tutti i settori professionali ed industriali. Una nuova rivoluzione industriale che avrà ben presto ricadute significative sull’economia mondiale e sulla vita di tutti i giorni di milioni di persone.

Definizione

Con “tecnologie di Additive Manufacturing” si definiscono tutti i processi che partendo da modelli matematici, attraverso la sovrapposizione di strati (layer by layer), creano modelli fisici tridimensionali.

Additive Manufacturing: come funziona

Il processo additivo nella fase di produzione, è caratterizzato da un ciclo di stampa che si ripete fino alla realizzazione completa di un modello fisico.

In merito ai processi di additive manufacturing però, la parte di “stampa 3d” è solamente uno dei momenti che caratterizzano un flusso di lavoro ben più articolato suddivisibile in 4 fasi fondamentali:

Progettazione 3d

Partendo dall’idea si passa alla fase di disegno vettoriale mediante l’utilizzo di software CAD (Computer Aided Drafting).

Il disegno all’elaboratore è la fase di progettazione 3D in cui si stabiliscono le geometrie ed i parametri del modello da realizzare.

Il file risultante dalla modellazione 3d (in formato .STL), verrà processato con i software pre stampa attraverso i quali il modello vettoriale verrà convertito in “linguaggio macchina”.

Fase pre stampa: controllo delle superfici, supporti, orientamento e slicing

La fase che precede la “stampa 3d” è di pari importanza a quella della progettazione vettoriale.

La corretta realizzazione di un modello 3d con tecnologie additive infatti, passa sia attraverso la progettazione CAD all’elaboratore, sia attraverso l’analisi della superficie, lo studio dei supporti di stampa ed una corretta “messa in tavola” (posizionamento ed orientamento della geometria all’interno del volume di stampa).

Dopo aver effettuato il controllo delle geometrie in termini di punti e superfici, si procede con lo studio e la simulazione dei supporti di stampa in relazione all’oggetto da produrre ed al suo orientamento. Durante questa fase si determinano parametri molto importanti inerenti il consumo di materiali ed i tempi di stampa.

L’ultima fase, prima di quella produttiva, riguarda l’invio dei file in macchina e la scelta dei parametri di stampa che determineranno i tempi di realizzazione ed il livello di risoluzione del modello fisico (altezza layer).

Una buona dose di esperienza, la conoscenza dei materiali e della tecnologia di stampa 3d che utilizzerete, saranno elementi fondamentali per la corretta realizzazione del vostro modello fisico. 

I processi che portano dalla progettazione al modello finito infatti, necessitano di controllo e quindi di conoscenza.

Ecco perché il nostro consiglio, se volete operare in maniera professionale nel mondo dell’additive manufacturing, è quello di seguire il nostro Corso professionale di Additive Manufacturing.

• Additive manufacturing: fase di stampa 3D

La fase di stampa 3D è quella meno impegnativa sia dal punto di vista fisico sia mentale.

A differenza di quanto fatto nella fase di progettazione e pre stampa, non vi resterà che attendere o dedicarvi ad altri progetti. 

La stampante 3D eseguirà per voi il lavoro assegnato e, nel caso in cui lo abbiate impostato, vi invierà un messaggio di avviso al termine della stampa. 

Ricordatevi solamente di controllare il livello dei materiali prima che inizi la stampa.

Non tutte le stampanti 3d permettono un refill dei materiali durante il processo di realizzazione.

• Manifattura additiva: post processo

La fase che segue la stampa 3d (non sempre necessaria), contempla usualmente tre possibili processi:

• Rimozione dei supporti di stampa

Nel caso della stampa 3d con polimeri l’azione di rimozione dei supporti di stampa può avvenire attraverso azione manuale con uso di pinze, abrasione meccanica o manuale, forni ad alte temperature per la liquefazione dei supporti, sistemi ad ultrasuoni.

Nel caso in cui abbiate a che fare invece con parti realizzate in additive metallico, potrebbe essere necessario l’utilizzo di precisi sistemi di taglio o sistemi di abrasione meccanica.

• Stabilizzazione delle geometrie

Questo tipo di processo viene adottato sia per la stampa di polimeri sia per la stampa 3d di metalli.

Nel primo caso la stabilizzazione delle resine fotosensibili avviene usualmente all’interno di un forno con luce UV.

Nel caso dei metalli invece, i modelli vengono processati in forni ad alta temperatura.

• Finitura superficiale

I processi di finitura superficiale vengono adottati sia per i modelli realizzati in additive metallico, sia per gli oggetti stampati con polimeri.

La fase di finitura può essere effettuata per apportare migliorie funzionali o estetiche e prevede molteplici processi come ad esempio lucidatura o sabbiatura.

Additive Manufacturing: i vantaggi

Considerate le tecnologie additive oggi sul mercato, i nuovi materiali di stampa ed i nuovi software per la progettazione e per la gestione dei processi di stampa, rimane molto difficile definire i vantaggi dell’utilizzo dei sistemi di stampa 3d in poche righe.

Abbiamo comunque provato ad elencare i principali vantaggi dell’uso di tecnologie di additive manufacturing in ambito professionale ed industriale.

• Riduzione dei costi

Primo tra i vantaggi dell’uso di tecnologie di additive manufacturing, dal punto di vista economico, è il basso costo di produzione. Grazie ai sistemi di stampa 3d è possibile realizzare produzioni personalizzate o piccole produzioni in serie in maniera diretta, senza passare attraverso la realizzazione di stampi.

Ciò comporta una filiera di produzione molto corta e l’opportunità di produrre solamente il necessario. Una nuova concezione della produzione che non contempla tempi biblici e lo stoccaggio di materiale destinato ad obsolescenza prodotto al solo fine di abbassare i costi degli impianti.

Additive manufacturing è inoltre sinonimo di scarto di lavorazione molto ridotto o addirittura nullo.

Ciò si traduce in riduzione di costi per l’acquisto di materie prime ma anche in costi minori per lo smaltimento o la trasformazione degli scarti di processo.

• Time to market

Uno dei vantaggi principali dell’uso di tecnologie di additive manufacturing riguarda il cosiddetto time to market. Si tratta del periodo di tempo che intercorre tra la fase di ideazione e progetto, e quella di commercializzazione.

Da questo punto di vista, l’additive manufacturing ha nettamente ridotto i tempi.

Basti pensare che i nuovi software ed i nuovi sistemi di stampa 3d consentono di progettare e realizzare modelli fisici nel giro di poche ore, all’interno della stessa giornata lavorativa.

• Nuovi materiali di stampa e nuove opportunità

L’evoluzione tecnologica nel mondo dell’additive manufacturing sta facendo passi da gigante.

Cresce di pari passo il settore dei materiali di stampa 3d con ricadute tangibili nei settori più disparati che vanno dalla moda, all’industria aerospaziale a quella medicale.

In principio infatti, si poteva “stampare in 3d” esclusivamente con fotopolimeri… ma erano gli anni 80.

Ad oggi si stampa con polimeri di ogni genere, con metalli come l’Acciaio inox, con materiali compositi e materiali biocompatibili che vengono impiantati direttamente nel corpo umano.

• Ottimizzazione topologica

Grazie ai sistemi di produzione additiva, oggi gli ingegneri ed i designer di tutto il mondo possono modellare e progettare liberamente senza doversi più preoccupare della fase di produzione dei modelli.

I nuovi software di ottimizzazione topologica e design generativo, insieme alla nuova tecnologia di produzione additiva, hanno già prodotto parti rivoluzionarie nel settore aerospaziale, automotive, medicale e non solo.

Una nuova fase per il settore della progettazione che sta portando ad un nuovo concetto di modellazione organica. Secondo il principio di “ciò che serve, dove serve“, tutto potrà essere rimodellato secondo una nuova concezione.

Grazie all’ottimizzazione topologica, oggi e possibile infatti ridurre drasticamente l’uso di materia prima, il peso ed il costo degli oggetti o dei sistemi prodotti. Per saperne di più sull’ottimizzazione topologica, potete leggere il nostro articolo dedicato.

Additive manufacturing: le tecnologie di stampa 3d

Ci sono centinaia di tipologie di macchine di stampa 3D ma tutte si rifanno al principio dell’additive manufacturing.

Alla base del funzionamento rimane la sovrapposizione di strati di materiale al fine di realizzare una geometria CAD.

Alcune macchine eseguono processi di sovrapposizione dal basso verso l’alto di strati orizzontali di materia prima.

Altre eseguono lo stesso flusso di lavoro partendo dall’alto verso il basso. Il principio non cambia comunque.

Ciò che cambia sono i materiali utilizzabili, la loro reazione ad una determinata sollecitazione e, di conseguenza, la meccanica delle stampanti e quindi la tecnologia di stampa.

Affermare che la tecnologia di stampa 3d SLA ha aperto all’utilizzo dell’AM nel settore industriale che ha portato allo sviluppo del sistema FDM e DLP fino al DMLS, sarebbe come spiegare il concetto di pasta al dente ad un americano.

Partendo dall’analisi degli acronimi dovrebbe essere tutto molo più facile… proviamoci.

Tecnologia di stampa 3d FDM: cos’è e come funziona

FDM è l’acronimo di Fused Deposition Modeling. 

La tecnologia di stampa FDM è basata sull’utilizzo di materiali termoplastici, fusi mediante un estrusore riscaldato.

La stampa 3d con tecnologia FDM è stata introdotta nel settore industriale dall’americana Stratasys che commercializzò le prime stampanti 3D già nei primi anni 90.

Riconosciuta anche come stampa 3D a filamento, l’FDM ha contribuito alla diffusione capillare della stampa 3D in settori non prettamente industriali.

Grazie al progetto RepRap (Replicating Rapid Prootyper) ed al movimento Maker, dalla seconda metà degli anni 2000 sono state infatti immesse sul mercato migliaia di stampanti 3D low cost o autoprodotte.

Il grande successo del sistema ad estrusore, dovuto non solo ai numerosi progetti open source presenti in rete ma anche a una gestione delle macchine “facile” ed economica, ha portato negli ultimi anni ad un continuo sviluppo della tecnologia FDM e alla creazione di nuovi sistemi ottimizzati per la stampa di nuovi materiali come ad esempio il metallo o i materiali compositi.

Stampa 3D FDM: come funziona

Il ciclo di stampa a FDM avviene attraverso una ghiera metallica che trascina un filamento, in genere di materiale termoplastico, all’interno di un ugello riscaldato che fonde il materiale.

Un sistema a tre assi sposta l’estrusore lungo gli assi XY fino a completare la definizione del primo layer di stampa sulla piattaforma di stampa. Completato il primo livello, l’estrusore si sposta lungo l’asse Z (verso l’alto o verso il basso – dipende dei sistemi di stampa) e riprende l’estrusione di materiale per definire il nuovo livello.

La ripetizione del ciclo di stampa e la sovrapposizione degli strati (layer), compone la geometria finale.

Sequenza di stampa 3D con tecnologia FDM

Stampa 3d e stereolitografia (SL): cos’è e come funziona

I sistemi stereolitografici hanno dato inizio allo sviluppo delle tecnologie di produzione additiva e all’additive manufacturing.

Già nel 1983, venne sperimentato da Chuck Hull il primo sistema di stampa 3D stereolitografico basato sulla fotopolimerizzazione. Qualche anno dopo (1987) lo stesso Hull, fondatore dell’attuale colosso nel mondo delle tecnologie additive 3D Systems, commercializzò la prima SLA1: la prima stampante 3D della storia.

Stereolitografia e stampa 3d: come funziona

Come già accennato, le tecnologie di stampa 3d differiscono fondamentalmente in funzione dei materiali di stampa utilizzabili.

Nel caso dei sistemi di additive manufacturing stereolitografici, i materiali in questione possono essere resine fotosensibili allo stato liquido o polveri. 

Spesso, parlando di stereolitografia sentirete parlare anche di SLA oppure SLS. I due sistemi adottano sempre lo stesso principio. La differenza fondamentale è che la tecnologia SLA (stereolitografia) opera su polveri o resine polimeriche mentre la tecnologia SLS (selective laser sintering), lavora con alcuni polimeri ma anche con polveri metalliche come l’acciaio o il titanio.

Il ciclo di stampa del processo di additive manufacturing stereolitografico, è basato sulla polimerizzazione di resine fotosensibili attraverso l’esposizione a raggi UV provenienti da un sistema ottico a laser.

Il laser determina sia il perimetro esterno sia il riempimento interno di ogni layer ridisegnandolo. La piattaforma di stampa si immerge (strato dopo strato) all’interno della vasca del materiale fino alla completa realizzazione del modello fisico.

Alcune stampanti 3d con tecnologia SLA vengono definite Bottom-up mentre altre Top-down.

• Stampani SLA Bottom-up:

la piattaforma di stampa immersa sul fondo della vasca contenente i polimeri, si sposta verso l’alto.

• Stampani SLA Top-down:

la piattaforma di stampa si immerge dall’alto verso il basso all’interno della vasca.

Manifattura additiva e Digital Light Processing (DLP)

Se avete capito come funziona la tecnologia di stampa SLA, allora non avrete alcun problema a comprendere come funziona una stampante 3d con tecnologia DLP.

Anche in questo caso abbiamo a che fare con la fotopolimerizzazione che avviene però attraverso una sorgente luminosa differente rispetto ad un laser.

Le stampanti 3D con tecnologia di stampa DLP utilizzano infatti un vero e proprio videoproiettore. La fonte di luce si trova al di sotto di una vaschetta con fondo trasparente (VAT) contenente fotopolimero liquido, e i layer vengono proiettati, uno dopo l’altro, intanto che la piattaforma di stampa si muove dal basso verso l’alto.

La sequenza di fotopolimerizzazione restituisce come risultato un modello dalla definizione impeccabile, realizzato in molto meno tempo rispetto ad uno stereolitografo.

A differenza di una stampante 3d SLA, le stampanti DLP proiettano infatti in un solo passaggio tutta la superficie del layer di stampa senza doverlo “disegnare” per intero.

In termini economici il sistema DLP risulta meno impattante rispetto alla stereolitografia.

Grazie alla direzione di costruzione invertita rispetto alle SLA, le stampanti DLP necessitano di un quantitativo di materiale strettamente utile alla realizzazione del modello.

Nel sistema SLA invece, il modello si immerge progressivamente all’interno della vasca del materiale richiedendo quindi un maggior quantitativo di materia prima.

Additive manufacturing Binder Jetting

La tecnologia binder jetting è nata per la stampa 3d di polveri metalliche anche se da qualche tempo viene utilizzata anche per la stampa 3d con polimeri e polveri ceramiche.

Il ciclo di stampa prevede una testina di stampa molto simile a quelle delle stampanti 2d.

La testina in questione rilascia un legante (binder) su un letto di polvere in corrispondenza dell’area del layer da stampare.

Il legante solidifica la polvere nelle aree di contatto e definisce il layer di stampa. Nella fase successiva, il piano di stampa di abbassa e viene steso un nuovo letto di polvere.

A questo punto la testina rilascia il legante per la definizione di un nuovo layer e così via. Una volta completato il processo, potrà essere rimossa la polvere in eccesso non utilizzata per accedere al modello 3D.

L’oggetto non sarà però ancora pronto.

Sarà necessario un processo di post-produzione per la stabilizzazione delle geometrie. Il vantaggio di questa tecnologia di stampa 3d, sta nella possibilità di poter stampare in totale assenza di supporti.

La tecnologia binder jetting, pur non restituendo modelli 3d con alto livello di definizione superficiale, trova applicazioni in molti settori industriali e non, grazie alla possibilità di poter utilizzare il colore nell’agente legante.

Se avete bisogno di realizzare modelli estetici colorati, la tecnologia Binder Jetting è quella che fa per voi.

Stampa 3d Material Jetting

Il sistemi basati sulla tecnologia additiva Material Jetting, agiscono tramite testine di stampa Multijet che rilasciano materiale liquido/fuso in corrispondenza della superficie del layer di stampa.

Successivamente ad ogni rilascio di materiale, viene attivato un passaggio sotto luce UV che serve a solidificare lo strato appena realizzato.

Il ripetersi, layer by layer di questa azione, porta alla creazione di prototipi di stampa 3d con superfici molto ben definite.

La rimozione di supporti, usualmente in paraffina, avviene in post-produzione in bagno ad ultrasuoni o forno.

Selective Deposition Lamination/Laminated Object Manufacturing (SDL/LOM)

Volete veramente essere Eco-friendly?

Non avete più scuse.

La stampa 3D con tecnologia SLD o LOM utilizza come materia prima la carta. Il sistema è basato sulla sovrapposizione strato su strato di fogli tipo A4.

Su ogni foglio viene stampato a colori il perimetro di ogni layer.

La stampante sovrappone, incollandoli, tutti i fogli (layer by layer) scontornando con un plotter da taglio, un laser o un filo a caldo tutto il materiale in eccesso.

Una volta terminata la stampa e l’incollaggio della serie di layer, basterà eliminare la carta in eccesso dalla risma di fogli per ritrovarsi in mano il modello 3D a colori.

Naturalmente la tenuta meccanica non sarà ottimale, ma madre natura vi sarà amica.

Robotic Additive Manufacturing – RAM

Robotic Additive Manufacturing è la tecnologia di manifattura additiva basata sull’utilizzo di sistemi di deposizione additiva vincolati a robot. Il nuovo processo di produzione, secondo gli esperti del settore, dovrebbe ben presto rivoluzionare il concetto di fonderia.

I sistemi RAM infatti, al momento sono utilizzati per la produzione di stampi per sistemi di produzione industriale a colata in sabbia. Di sotto il video del sistema di Viridis3D (partner di Envisiontec) denominato RAM123.

Hybrid Additive Manufacturing

Per Hybrid Additive Manufacturing si intende il processo di manifattura additiva basato sull’utilizzo di macchine di stampa ibride. Usualmente si tratta di sistemi che includono sia la parte di manifattura additiva sia quella sottrattiva.

Con le macchine ibride è possibile eseguire la produzione additiva e la truciolatura della parte, durante lo stesso processo di stampa.

Una volta realizzato il modello attraverso sistemi di deposizione, entrano in azione i tool per il milling.

Di sotto il video esplicativo di una macchina di produzione additiva ibrida: Lasertec 65 3D di DMG Mori.

Metal Additive manufacturing e tecnologie di stampa 3D con metalli

Cos’è il metal additive manufacturing o la stampa 3d per metalli?

L’additive metallico o la stampa 3d per metallo, consiste nell’uso di tecnologie additive per la realizzazione di oggetti in metallo.

La produzione di parti complesse in metallo è uno dei settori di maggiore interesse per l’industria produttiva e non solo.

Ecco perché i maggiori produttori di stampanti 3D per il settore industriale e professionale, sono alla continua ricerca di soluzioni innovative per la realizzazione di nuove stampanti 3D per metalli. 

Nell’articolo stampa 3d in metallo e stampanti per metalli, potrete approfondire quanto accennato in merito alle tecnologie di stampa 3d per metalli.

Additive manufacturing: Electro Beal Melting (EBM)

La tecnologia di stampa 3d a fascio di elettroni è una delle tecnologia di stampa 3d maggiormente utilizzate in ambito aerospaziale. Ciò e dovuto al fatto che i componenti stampati in 3d con EBM, conservano caratteristiche fisico-meccaniche non riproducibili con i sistemi a laser.

La realizzazione dei layer avviene attraverso un ciclo di stampa in cui un fascio di elettroni, proiettato su un letto di polvere metallica a temperature superiori ai 1000°, definisce livello dopo livello il componente 3d.

Per comprendere meglio il processo di stampa 3d a fascio di elettroni, vi invitiamo a leggere la sezione dedicata all’interno della nostra guida alla stampa e stampanti 3d in metallo.

Direct Metal Laser Sintering, Selective Laser Sintering e Selective Laser Melting (DMLS – SLS – SLM)

La tecnologia di stampa 3D con metalli denominata DMLS (Direct Metal Laser Sintering) conosciuta anche come SLS o SLM (Selective Laser Sintering o Selective Laser Melting), è tra le più diffuse al mondo.

Le stampanti 3d per metalli caratterizzate da questa tecnologia, operano attraverso una sorgente laser che al passaggio fonde le particelle di polvere metallica depositate su un letto di stampa.

Dopo aver realizzato il primo livello di stampa, viene depositato un nuovo strato di polvere metallica che subirà lo stesso processo. La successione layer by layer darà vita al nuovo prototipo 3D.

Il processo è molto simile a quello delle macchine SLA ma agisce su polveri metalliche piuttosto che su resine fotosensibili.

Directed Energy Deposition (DED) or Laser Metal Deposition (LMD)

Tra le tecnologie di stampa 3D più interessanti in fase di sviluppo citiamo la Directed Energy Deposition (DED) conosciuta anche come Laser Metal Deposition (LMD).

Il sistema consiste in una sorgente laser che provvede alla fusione di un flusso di polvere metallica distribuito per mezzo di un ugello.

L’estrusore dal quale vengono emesse le particelle metalliche, è vincolato ad un braccio robotico multiasse. Una delle caratteristiche salienti di questo tipo di tecnologia è la precisione di realizzazione.

Stampa 3d metalli con tecnologia Material jetting

L’additive metallico con tecnologia Material Jetting, consiste nel rilascio selettivo di un agente liquido e di polvere metallica in corrispondenza della superficie del layer di stampa.

La sovrapposizione strato su strato del blend di materiale, definisce l’oggetto fisico. Il modello viene post-processato in un forno ad alta temperatura nel quale avviene la sinterizzazione.

Binder jetting per la stampa 3d di metallo

Consiste in un sistema di additive manufacturing basato su testine di stampa che per definire un layer,  rilasciano un liquido collante su un letto di polvere metallica.

Successivamente al passaggio delle testine, viene steso un nuovo strato di polvere metallica che riceve, a definizione del nuovo layer, un nuovo getto di collante.

Strato dopo strato si procede fino al completamento della geometria.

Per saperne di più potete leggere la sezione dedicata all’additive manufacturing metallico e alla tecnologia Binder Jetting.

Stampa 3d di metalli ad estrusione

I sistemi ad estrusione non differiscono molto da quelli per i materiali plastici. Utilizzano filamenti o bacchette rigide di materiali composti da polimeri e polvere metallica.

Altri sistemi ad estrusione per la stampa dei metalli invece, sono basati sull’utilizzo di paste metalliche estruse attraverso sistemi pneumatici. Il principio rimane sempre quello della deposizione a strati.

Nelle fasi successive alla realizzazione del modello 3d denominato Green, si procede con l’eliminazione delle particelle non metalliche attraverso unità debinder, e infine alla fase sinterizzazione in forno.

Per maggiori dettagli potete visitare la sezione FDM metal additive manufacturing.

Materiali di stampa per il metal additive manufacturing

I materiali metallici per la stampa 3D sono:

• Titanio
• Acciaio
• Acciaio inossidabile
• Inconel
• Alluminio
• Rame
• Oro
• Argento
• Bronzo
• Cromo-Cobalto

Per maggiori informazioni vi consigliamo di ,visitare la sezione dedicata ai materiali di stampa 3d.