Tipi di stampa 3D in metallo

La polvere di metallo è la colonna portante della stampa 3D in metallo. Sebbene sia difficile e pericoloso da maneggiare allo stato grezzo, le sue caratteristiche uniche la rendono il tipo di materiale metallico preferito. La maggior parte delle tecnologie di stampa 3D in metallo utilizza polveri di metallo. Di conseguenza, le principali differenze tra i tipi di stampanti per metalli riguardano il modo in cui fondono la polvere in parti metalliche. Questi metodi variano notevolmente, dall'utilizzo di laser ad alta energia per fondere la polvere sfusa all'estrusione di filamenti di polvere metallica con legante. In questo articolo esamineremo i tipi di stampa 3D in metallo più utilizzati, come funzionano e perché sono vantaggiosi.

Fusione a letto di polvere

Conosciuta con molti nomi, la fusione a letto di polvere è attualmente il tipo di stampa 3D in metallo più diffuso. Queste macchine distribuiscono un sottile strato di polvere su una piastra di costruzione e fondono selettivamente una sezione trasversale della parte nello strato di polvere. Esistono due tipi distinti di tecniche di fusione a letto di polvere: Fusione laser selettiva e fusione a fascio di elettroni.

Fusione laser selettiva (SLM)

Conosciuta anche come: Sinterizzazione laser diretta di metalli (DMLS), sinterizzazione laser selettiva (SLS), stampa diretta di metalli (DMP), fusione laser a letto di polvere (LPBF).

La maggior parte delle macchine per la fusione a letto di polvere sono macchine a fusione laser selettiva (SLM). Le macchine SLM utilizzano laser ad alta potenza per fondere strati di metallo in parti. Dopo una stampa, l'operatore rimuove la parte (o le parti) dal letto di polvere, la taglia via dalla piastra di costruzione e la sottopone a post trattamento. È lo standard attuale per la stampa in metallo: la maggior parte delle aziende che si occupano di produzione additiva con metalli oggi vende macchine SLM.

Essendo la varietà più matura di stampa 3D per metalli, la SLM è spesso considerata lo standard rispetto al quale vengono valutate le altre tecnologie. Le parti stampate con tecnologia SLM sono ideali per parti precise e geometricamente complesse che non sarebbero altrimenti lavorabili. Si adattano a un'ampia gamma di applicazioni: dal settore dentale/sanitario a quello aerospaziale. I volumi di stampa variano da molto piccoli (cubo da 100 mm) a grandi (800 mm x 500 mm x 400 mm) e la velocità di stampa è moderata. La precisione di queste macchine è determinata dalla larghezza del fascio laser e dall'altezza dello strato. La maggior parte dei materiali oggi disponibili per la stampa 3D può essere utilizzata su una macchina SLM.

Sebbene queste macchine siano all'avanguardia, un'ampia varietà di requisiti di post-trattamento e dell'impianto le limitano agli utilizzatori industriali. Le macchine SLM richiedono l'intervento di professionisti qualificati. A causa dell'intricato processo, molte parti devono essere stampate e modificate più volte per ottenere risultati. Dopo la stampa, la maggior parte delle parti richiede un notevole post-trattamento e un trattamento termico. Inoltre, la polvere metallica utilizzata da queste macchine è estremamente pericolosa e costosa da gestire: la maggior parte delle macchine SLM completamente attrezzate per l'operatività costa più di 1 milione di euro per essere implementata e un tecnico dedicato per funzionare.

Fusione a fascio di elettroni (EBM)

Le macchine EBM utilizzano un fascio di elettroni anziché un laser per realizzare le parti. GE Additive è l'unica azienda che produce macchine EBM. Il fascio di elettroni produce una parte meno precisa rispetto alla SLM, ma il processo nel suo complesso è più veloce per le parti più grandi. Queste macchine hanno quasi tutti gli stessi vincoli, costi e problemi delle macchine SLM, ma sono utilizzate più che altro nelle applicazioni aerospaziali e mediche. Analogamente alla SLM, le macchine EBM costano più di 1 milione di euro per essere installate e richiedono un tecnico dedicato per funzionare.

Deposizione diretta di energia

La deposizione diretta di energia utilizza materie prime metalliche e un laser per realizzare le parti. A differenza della fusione a letto di polvere, il materiale (che può essere polvere o filo) e il laser si trovano entrambi su un'unica testina di stampa che distribuisce e fonde il materiale contemporaneamente. Le parti risultanti sono molto simili alla fusione a letto di polvere, con alcune differenze e opportunità fondamentali.

DED a polveri

Conosciuta anche come: Deposizione laser di materiale (LMD), polvere soffiata

La deposizione diretta di energia, sorella della fusione laser selettiva, utilizza anch'essa un laser e polvere di metallo per realizzare parti metalliche. Invece di spargere polvere su un letto e fonderla con un laser, le macchine DED soffiano con precisione la polvere da una testina di stampa su una parte, utilizzando un laser sulla testina per fonderla alla parte in costruzione.

Poiché entrambe le macchine utilizzano polveri metalliche e un laser, le parti stampate con DED sono molto simili a quelle stampati con SLM, con una sola eccezione: le macchine DED possono utilizzare il loro esclusivo sistema di distribuzione della polvere per "sanare" le parti non stampate che presentano difetti. I materiali disponibili e i requisiti di post-trattamento e di gestione delle polveri sono analoghi a quelli della SLM e le macchine hanno un costo che si aggira intorno a 1 milione di euro.

DED a filo

Conosciuta anche come: Fabbricazione additiva a fascio di elettroni, o EBAM

Le macchine DED a filo utilizzano un laser per fondere il materiale di alimentazione in modo molto simile alle cugine DED a polvere, ma il materiale di alimentazione è costituito da fili metallici anziché da polvere soffiata. Si tratta di una tecnologia di nicchia, utilizzata per volumi di stampa più grandi (fino a 5 m x 1 m x 1 m) e tempi di stampa più rapidi, a scapito della precisione e della qualità. Di conseguenza, le parti realizzate con DED a filo sono progettate per essere significativamente più grandi e meno precise rispetto alle macchine a letto di polvere. Queste macchine hanno un costo di svariati milioni di dollari per unità e sono estremamente rare in questo settore.

Binder jetting

Il binder jetting è un metodo di stampa 3D in metallo su larga scala e ad alta fedeltà che potrebbe sostituire la SLM come principale metodo di stampa 3D basato su polveri sfuse. Negli ultimi due anni il settore è passato da un singolo produttore a una serie di aziende (comprese quelle leader nel settore della produzione additiva). Grazie alla sua velocità e scalabilità, potrebbe essere la tecnologia che spinge le capacità di produzione additiva con metalli verso volumi di produzione.

La tecnologia che sta alla base del getto di legante metallico rispecchia quella utilizzata da una stampante convenzionale (2D) per gettare rapidamente l'inchiostro sulla carta. In primo luogo, una macchina per binder jetting distribuisce uniformemente la polvere metallica sul piano di stampa, formando uno strato non legato. Quindi, una testina a getto, simile a quella di una stampante 2D, distribuisce il polimero legante nella forma della sezione trasversale della parte, facendo aderire liberamente la polvere. Il processo si ripete fino a quando la macchina produce una serie di parti finite.

Le parti stampate con macchine per binder jetting richiedono una fase di post-trattamento chiamata "sinterizzazione" per diventare completamente metalliche. In questo processo, la parte stampata viene riscaldata in un forno a una temperatura appena inferiore a quella di fusione. Il materiale legante brucia e la polvere di metallo si unisce in una parte interamente metallica. Questo processo può essere eseguito in lotti, il che significa che non influisce significativamente sulla produttività.

‍
Il binder jetting presenta due vantaggi principali rispetto alla fusione laser selettiva. In primo luogo, le macchine possono stampare molto più velocemente utilizzando più testine per iniettare il getto in più punti contemporaneamente. In secondo luogo, la macchina può produrre decine o addirittura centinaia di parti dello stesso tipo in un'unica produzione. Queste parti possono essere sinterizzate in un forno di grandi dimensioni per ottenere un'infrastruttura di produzione in lotti gestibile. Di conseguenza, il binder jetting è significativamente più veloce per ogni parte rispetto a qualsiasi altro tipo di stampa con metallo. Questa velocità (e i requisiti di gestione della polvere) comportano costi enormi: attualmente, le uniche macchine in questo settore costano ben più di un milione di euro.

Estrusione di polveri con legante

Conosciuta anche come: Produzione additiva a diffusione atomica, deposizione di polveri con legante

L'estrusione di polveri con legante (BPE) è un'entusiasmante novità nel settore della produzione additiva con metalli. A differenza di quasi tutti gli altri principali processi di stampa 3D, le macchine BPE non utilizzano polvere metallica sfusa. La polvere viene invece legata da polimeri cerosi, come avviene per lo stampaggio a iniezione dei metalli. Il risultato è un materiale molto più sicuro e facile da usare rispetto alla polvere sfusa: il materiale estruso di polveri con legante può essere manipolato manualmente e non richiede le misure di sicurezza delle macchine per la polvere sfusa. Il filamento BPE viene estruso da un ugello in modo molto simile alla stampa 3D con FFFstandard, ottenendo una parte "verde" che contiene polvere di metallo distribuita uniformemente nel polimero ceroso. Dopo la stampa, la BPE prevede due fasi di post-trattamento: nella prima, il polimero viene in gran parte dissolto in una macchina di "lavaggio"; nella seconda, la parte lavata viene sinterizzata in un forno (simile al binder jetting). Durante il processo di sinterizzazione, la parte si restringe per tenere conto dello spazio aperto dal legante disciolto, ottenendo una parte completamente metallica.

Essendo un processo di stampa basato su filamenti, i vincoli delle parti BPE rispecchiano fedelmente quelli della convenzionale stampa FFF per la plastica: funziona bene per quasi tutte le geometrie delle parti e può stampare con riempimento a celle aperte. Le parti stampate su sistemi BPE richiedono ancora spesso una post-lavorazione, un trattamento termico per le parti che necessitano di proprietà avanzate (anche se questo è necessario per ogni metallo), e post-lavorazione/lucidatura per migliorare le finiture superficiali; tuttavia, non c'è la gestione delle polveri e i requisiti dell'impianto sono ridotti. Le macchine BPE sfruttano un processo più semplice per essere molto più accessibili rispetto a tutti gli altri principali tipi di stampa 3D con metalli, con macchine che vanno dai 120.000 ai 200.000 euro. La Metal X di Markforged utilizza questo processo. Per saperne di più, leggi questo articolo sul processo della Metal X.

‍