Stampa 3d in metallo

Cos’è la stampa 3d in metallo o il Metal Additive Manufacturing

La stampa 3d in metallo è l’ultima frontiera dell’additive manufacturing. Consiste, come per tutte le altre tecnologie di stampa 3d, nella sovrapposizione strato su strato di materiale metallico al fine di realizzare fisicamente un modello/componente 3d.

Quali metalli si possono stampare in 3D?

Elenco dei materiali maggiormente utilizzati per il Metal Additive Manufacturing.

• Acciaio

Se volete stampare parti funzionali non potete prescindere dall’utilizzo delle polveri di acciaio. Il materiale vanta molteplici qualità di rilievo per l’industria produttiva in genere tra cui una buona resistenza alla corrosione ed una elevata resistenza alla trazione. Si stampa in 3d anche Acciaio Maranging (una lega di Acciaio-Cobalto-NIchel) ed acciaio inossidabile.

• Titanio

Materiale di stampa per metalli che garantisce lavorazioni con eccellente finitura superficiale e altissima resistenza meccanica molto apprezzato nel campo dell’industria aerospaziale. La biocompatibilità del titanio lo rende un materiale di stampa 3d per metalli che sta avendo un largo impiego anche in ambito medicale. Tra le peculiarità del Titanio la buona resistenza, resistenza alla corrosione, biocompatibile, bassa dilatazione termica. bassa conducibilità termica.

• Alluminio

Quando si parla di stampa 3d con metallo e lightweight, non si può che pensare alla stampa 3d dell’Alluminio. I settori di maggior impiego dell’alluminio stampato in 3d, sono quello aerospaziale e l’automotive. Tra le caratteristiche salienti del materiale, bassa densità, alta conducibilità termica, alta conducibilità elettrica e un’elevata resilienza dinamica.

• Cromo-Cobalto

Il Cromo-Cobalto è una lega ad altissima resistenza a corrosione, usura e calore, molto utilizzata in campo medico, odontoiatrico, aeronautico e industriale.

• Inconel

L’inconel è una superlega a base di Nichel e Cromo. Le caratteristiche peculiari delle polveri di stampa 3d di Inconel, riguardano la possibilità di poter realizzare parti metalliche con alta resistenza all’ossidazione, alle alte temperature ed alla corrosione.

• Rame, Bronzo ed Ottone

Sono metalli stampati in 3d per lo più attraverso processi di fusione a cera persa. Molto apprezzati dall’industria del gioiello.

• Metalli preziosi: oro, argento e platino

L’utilizzo delle tecnologie additive ha completamente stravolto il settore del gioiello. Le polveri di metalli preziosi sono ampiamente utilizzate per la produzione di gioielli.

Vedi anche l’articolo dedicato ai materiali per la stampa 3d.

Vantaggi della stampa 3d professionale con il metallo

I materiali metallici, assieme alle plastiche, sono quelli più utilizzati in ambito industriale. L’obiettivo dell’industria è quello di trasformare l’intero processo produttivo con l’introduzione di sistemi di manifattura additiva a sostituzione delle attuali tecnologie di produzione. I limiti della stampa 3d in metallo presentati in una prima fase in termini di velocità di produzione e costi, sembrano man mano venir meno. Grazie ad ingenti investimenti in ricerca e sviluppo a livello planetario, negli anni abbiamo visto nascere nuove tecnologie e nuovi modelli di stampanti 3d professionali per metalli, sempre più performanti ed accessibili. Lo sviluppo di nuovi software di progettazione 3d in merito all’ottimizzazione topologica dei componenti, ha inoltre aperto ad una nuova concezione della progettazione esente dai limiti progettuali dettati dai sistemi di produzione con tecnologie sottrattive.

I principali produttori si stampanti 3D sono al momento coinvolti in una sorta di competizione mirata allo sviluppo di sistemi di manifattura additiva che preveda l’impiego dei metalli: la cosiddetta stampa 3d in metallo. Ma perché è partita la gara per la realizzazione di stampanti 3d per metalli? Probabilmente il primo punto a favore della stampa 3d per metalli è quello inerente la riduzione dei costi di produzione dovuti a diversi fattori:

• Nessun costo per la realizzazione di impianti o per l’esternalizzazione di processi produttivi. All’interno delle nuove fabbriche ottimizzate basate su sistemi di produzione additiva, saranno ospitati tutti i settori della catena di produzione: dalla progettazione alla post-produzione del prodotto.
• Scarto di materia prima nullo o minimo grazie al metodo additivo. In molti casi lo scarto tipico delle tecnologie sottrattive si riduce drasticamente ed in alcuni casi è praticamente nullo. Nel caso della stampa 3d di componenti per il motore GEnx dei Boeing 747-748 ad esempio, la riduzione dello scarto di materia prima è stata del 90%.
• Velocità di produzione di parti in metallo grazie ad un flusso di lavoro diretto che passa dal progetto CAD al modello fisico in poche ore e magari all’interno dello stesso ambiente di lavoro (grazie ai sistemi desktop di stampa 3d per metalli)
• Assenza dei vincoli geometrici dettati dalla produzione industriale di parti in metallo con tecnologie sottrattive con macchine CNC o tecniche di casting
• Produzione on demand di pezzi singoli, o di produzioni di piccolo-medio volume fino a produzioni su scala industriale a prezzi ridotti
• Nuovi materiali di stampa e la possibilità di poter utilizzare, o addirittura miscelare contemporaneamente, più metalli per la creazione di nuove leghe o superleghe per la realizzazione di componenti con caratteristiche fisiche e meccaniche impossibili da ottenere con sistemi di produzione tradizionali

 

La stampa 3d dei metalli e la fabbrica del futuro

Nel video di sotto (prodotto da Concept Laser – GE Additive), l’esempio di un sistema di produzione industriale basato sulle tecnologie additive e sulla stampa 3d di metalli.

Metal additive manufacturing: settori di impiego

L’additive metallico o il Metal Additive Manufacturing, è il settore che più interessa il mondo della produzione industriale a livello mondiale. Ma quali sono i settori che al momento utilizzano questa nuova tecnologia additiva?

• Industria aeronautica ed aerospaziale per ovvi motivi legati alla possibilità di poter sperimentare geometrie impossibili da realizzare con le tecnologie sottrattive
• Medicale e in particolare il settore dentale ed il settore chirurgico. Il primo per il livello di risoluzione delle macchine e quello chirurgico dovuto alla possibilità di poter creare nuovi dispositivi ad hoc per operazioni complesse.
• Industria automobilistica ed automotive in genere che guarda all’additive metallico non più come sistema di prototipazione ma come valido strumento di produzione in serie
• Il mondo del gioiello che utilizza le stampanti sia per le realizzazioni a cera persa sia per la stampa diretta con polveri metalliche

Tecnologie di stampa 3d professionale per metallo

Così come per le tecnologie di manifattura additiva per i materiali plastici o per le resine, anche per la stampa 3d con metalli possiamo accedere a molteplici e differenti tipologie di sistemi di stampa e di stampanti. in questa sezione abbiamo raggruppato le migliori tecnologie di stampa 3d professionali per metalli.

 

Stampa 3d professionale per metalli Binder jetting

La tecnologia di stampa 3d per metalli denominata Binder Jetting in realtà non è esclusiva dell’additive metallico, ma viene utilizzata per la realizzazione di oggetti 3d anche in sabbia e ceramica. Nel’ caso di stampanti 3d per metalli, un collante liquido (liquid binding agent) viene depositato strato dopo su un letto di polvere metallica. Tra un layer ed il successivo agisce una sorgente luminosa che attiva il processo di sinterizzazione dello strato. Il vantaggio di questo tipo di tecnologia sta nella possibilità di realizzare grossi volumi di stampa con densità di tutto rispetto. Produttore di riferimento per questo tipo di tecnologia è https://www.exone.com.

 

Material jetting per la stampa 3d professionale di metallo

La tecnologia di stampa 3D denominata Material Jetting, è anche conosciuta come NPJ ovvero Nano Particle Jetting. A differenza delle stampanti 3d per metalli che lavorano in letto di polveri, i sistemi di stampa 3D per metalli NPJ agiscono per mezzo di vere e proprie testine di stampa molto simili a quelle utilizzate dalle stampanti 2D.

Il processo si sviluppa in 4 fasi:

• Material Jetting

All’interno di una camera riscaldata, le testine stampano il layer rilasciando un agente liquido contenente milioni di nanoparticelle metalliche

• Evaporazione

Le alte temperature all’interno della camera di stampa fanno sì che l’agente liquido evapori lasciando sul piano di stampa solamente le particelle metalliche. A questo punto si ripete il ciclo di Material Jetting ed evaporazione fino alla realizzazione del modello 3d fisico.

• Sinterizzazione

Un passaggio del modello finito in un forno per l’effettiva sinterizzazione determina la fusione e la solidificazione degli strati l’un l’altro. Uno dei vantaggi di questo tipo di sistema di stampa 3d per metallo, consiste in una gestione molto più semplice da parte degli operatori che, non dovendo manipolare polveri metalliche, non necessitano dell’utilizzo di particolari dispositivi di protezione individuale. Nel video potrete vedere il funzionamento di una stampante 3d professionale per metalli realizzata dall’azienda XJet. Il sistema ricorda la tecnologia di stampa 3d di HP Jet Fusion.

 

 

Sistema di stampa 3d professionale Powder bed fusion (Sistemi a letto di polveri) – SLM/DMLS

I sistemi di stampa 3d per metallo a polveri, utilizzano una sorgente luminosa per attivare la fusione delle particelle metalliche disposte su un piano. Per semplificare la descrizione del complesso sistema di stampa 3d professionale per metalli, abbiamo suddiviso il processo in 2 fasi principali.

• Deposizione del materiale

Attraverso una serie di rulli, viene depositato un letto di polvere metallica

• Definizione del layer

Il passaggio di un laser (SLM /DMLS) o di un fascio di elettroni (EBM), determina la geometria del layer di stampa fondendo tra di loro le particelle “colpite” dalla luce. Una volta realizzato il layer, viene depositato un nuovo strato di polvere metallica che sarà processato allo stesso modo fino alla completa realizzazione della geometria. A fine processo verrà eliminata (aspirata) la polvere in eccesso e si potrà accedere al modello 3d.

EMB – Electron Beam Melting per la stampa 3d dei  metalli

Electro Beam Melting, meglio conosciuta come Fusione a Fascio di Elettroni, è una delle tecnologie di stampa 3D per metalli. È utilizzata già da qualche anno in ambiti prettamente industriali. Almeno al momento, i modelli realizzati in EBM possono vantare una resistenza meccanica superiore alle tecnologie di stampa 3D per metalli a laser. Il sistema di stampa 3d per metalli con tecnologia EBM (sviluppata dall’azienda svedese Arcam – acquisita da GE Additive), è tra quelli utilizzati dall’industria aerospaziale ma anche da quella aeronautica e biomedica.

Come funziona la stampa 3D di metalli con tecnologia Fusione a Fascio di Elettroni (EBM)

Sempre seguendo il principio della realizzazione strato dopo strato, le macchine di stampa 3D con tecnologia EBM agiscono per mezzo di un fascio di elettroni che proietta su un letto di polvere metallica il layer di stampa. Le particelle metalliche, sollecitate dal flusso di elettroni, si fondono e solidificano tra di loro. Tutto il processo avviene sottovuoto a temperature massime di circa 1000°. A fine processo, la polvere metallica non utilizzata viene aspirata e recuperata per dare vita a nuovi prototipi. Considerato che il processo di stampa avviene attraverso l’utilizzo di materiale conduttivo, rimane impossibile stampare polimeri con questo tipo di tecnologia. Nel video l’esempio della tecnologia a fascio di elettroni Electron Beam Melting di Arcam.

Stampa 3d per metalli Direct Metal Laser Melting DMLM

Direct Metal Laser Melting è una tecnologia di stampa 3D industriale molto simile alla tecnologia di stampa 3d DMLS. La differenza fondamentale tra le due tecnologie di stampa consiste nel fatto che, a differenza di ciò che accade nel sistema DMLS, ovvero una fusione parziale delle particelle metalliche al passaggio del laser, nella tecnologia DMLM le particelle vengono fuse completamente allo stato liquido per poi solidificarsi con il calare della temperatura. Il vantaggio nell’utilizzo della tecnologia di stampa DMLM, e quello di ottenere modelli o parti con basso livello di porosità e buona definizione superficiale. Nel video una stampante 3D prodotta da Concept Laser, con tecnologia di stampa 3d DMLM.

 

Stampa 3d professionale di metalli con tecnologia Direct Energy Deposition (DED) – Laser Metal Deposition (LMD)

Tra i sistemi di stampa 3d per metalli più avanzate, segnaliamo le soluzioni di Direct Energy Deposition (DED), conosciuta anche come Laser Metal Deposition (LMD) o Laser Cladding. Il funzionamento di base delle tre tecnologie è molto simile. Le macchine operano attraverso un ugello vincolato ad un sistema multiasse, che conduce un flusso di particelle metalliche verso una sorgente laser posizionata al centro del sistema di estrusione. Le particelle metalliche, a contatto con il raggio laser generano un bagno di fusione. L’unione dei cordoni di saldatura che si vengono a creare strato dopo strato, compongono la parte. Nei video potrete vedere un esempio delle due tecnologie di stampa 3d per metalli.

 

Sistema di stampa 3d per metalli DED di BeAM

 

 

Stampante 3D per metallo LENS

 

 

Fused Deposition Modeling (FDM) per la stampa 3D professionale di metalli

Le nuove tecnologie di metal additive manufacturing non hanno risparmiato nessuno… nemmeno i nostri desktop. Si sta infatti affermando, da qualche anno, un nuovo settore della stampa 3d per metalli con tecnologie FDM da poter utilizzare direttamente nel proprio studio di progettazione, abitazione o ufficio.

Come funziona il metal additive manufacturing con sistemi FDM

Come per i sistemi di stampa a deposizione di materiale fuso utilizzati per le materie plastiche, un estrusore delinea i layer di stampa attraverso il rilascio di un blend di termopolimeri e polveri metalliche, fino al completamento del modello 3d. Nelle fasi successive, il “green” ottenuto viene “ripulito” dai residui plastici attraverso un bagno in solvente e, una volta ultimata questa fase, si procede alla sinterizzazione in forno. Il materiale, a seconda delle case produttrici dei sistemi di stampa, viene fornito sotto forma di pasta metallica, filamento o bacchette rigide. Uno degli esempi di tecnologia per la stampa 3d dei metalli con tecnologia FDM, è quello di Desktop Metal trattato nell’articolo: Desktop Metal Studio System: stampa 3d per metalli. Altra tecnologia di stampa 3D desktop per la stampa dei metalli è quella di Markforged Metal X.