Vi siete mai chiesti come la stampa 3D si sia evoluta rivoluzionando la produzione? Questo articolo approfondisce i processi e le caratteristiche principali della stampa 3D, dalle sue origini con le tecniche di polveri e leganti alle sue moderne applicazioni per la creazione di parti complesse e funzionali. Imparerete come funzionano innovazioni come il binder jetting e scoprirete i vantaggi e i limiti di questa tecnologia trasformativa. Scoprirete come la stampa 3D continua a plasmare le industrie grazie alla sua capacità di produrre prodotti dettagliati, personalizzabili ed economici.
Utilizzando materiali in polvere per la stampa 3D, il processo SLS di cui sopra è relativamente costoso a causa dell'uso del laser. Tuttavia, l'impiego di un agente legante per far aderire le particelle di polvere e costruire strati per formare forme è teoricamente valido. Il 20 aprile 1993, il professor Emanuel Sachs e il suo team del MIT hanno ottenuto un brevetto statunitense per le "Tecniche di stampa tridimensionale", note come 3DP.
L'invenzione si ispirava alle diffuse stampanti a getto d'inchiostro dell'epoca, sostituendo l'inchiostro delle cartucce con un legante liquido. Estrudendo questo legante su un letto di polvere sciolta con la testina di stampa, si potevano stampare oggetti tridimensionali. Allo stesso modo, utilizzando leganti per colori primari e una precisa corrispondenza digitale dei colori, si poteva ottenere la stampa a colori su polvere, simile alla stampa a getto d'inchiostro su carta.
Questo processo di stampa 3D assomiglia molto alle stampanti tradizionali e il titolo del brevetto, "stampa 3D", è semplice e chiaro. In precedenza, la tecnologia di stampa 3D era nota come prototipazione rapida. Da allora, il termine "stampa 3D" ha guadagnato popolarità e tutte le tecnologie di prototipazione rapida sono comunemente indicate come stampa 3D, mentre i dispositivi stessi sono chiamati stampanti 3D.
Nel 2012, l'American Society for Testing and Materials (ASTM) ha definito questo processo di stampa 3D come "Binder Jetting" nel suo standard terminologico per la produzione additiva (ASTM F2792-12a).
In teoria, il processo di binder jetting può essere utilizzato per stampare in 3D diversi materiali in polvere come ceramica, metalli, gesso, plastica e sabbia. Nel 1995, con una licenza del MIT, è stata fondata la Z Corporation, che si è concentrata sulla commercializzazione del binder jetting con polvere di gesso.
Dal 1997 hanno introdotto una serie di stampanti a getto di legante, tra cui la ZPrinter 310 Plus monocromatica entry-level e, nel 2005, la prima stampante 3D a colori al mondo, la Spectrum Z510, come mostrato nella Figura 5-31 con la stampante a colori e i suoi modelli stampati. Questo ha segnato un passo significativo nell'evoluzione della stampa 3D, rendendola vivace e colorata. Nel 2012, Z Corporation è stata acquisita da 3D Systems, che ha ulteriormente sviluppato la serie di stampanti Color-Jet.
Le specifiche della serie Color-Jet attualmente in vendita sul sito Web di 3D Systems sono riportate nella Tabella 5-1.
Tabella 5-1: Specifiche ufficiali di 3D Systems per le stampanti della serie Color-Jet.
| Modello | ProJet260C | ProJet360 | ProJet 460Plus | ProJet660Pro | ProJet860Pro |
| Colore | Colore di base (CMY) | Monocromatico (bianco) | Colore di base (CMY) | Colore pieno (CMYK) | Colore di base (CMY) |
| Spessore dello strato/mm | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Risoluzione/dpi | 300×450 | 300×450 | 300×450 | 600×540 | 600×540 |
| Dimensioni di stampa/mm | 236×185×127 | 203×254×203 | 203×254×203 | 254×381×203 | 508×381×229 |
| Velocità di stampa/(mm/h) | 20 | 20 | 23 | 28 | 5~15 |
| Numero di testine di stampa | 2 (HP57+HP11) | 1 (HP11) | 2(HPS7+HP11) | 5(HP11) | 5(HP11) |
| Numero di ugelli | 604 | 304 | 604 | 1520 | 1520 |
Nel 1996, Extrude Hone Corporation ha ricevuto dal MIT la licenza per la ricerca e la commercializzazione di materiali in polvere metallica formati mediante getto di legante, introducendo nel 1997 il primo dispositivo al mondo per il getto di legante in polvere metallica, ProMetal RTS-300.
Nel 2003, la società ExOne è emersa da Extrude Hone, concentrandosi esclusivamente sul settore della stampa 3D e lanciando in seguito la prima stampante 3D in pietra arenaria al mondo, la S15. Da allora, ExOne si è specializzata nel binder jetting di materiali metallici e di arenaria, diventando gradualmente un leader nella tecnologia 3DP. La Figura 5-32 mostra la stampante ExOne Innovent+ e alcuni dei modelli in metallo stampati dall'azienda.
Fondata nel 1999, l'azienda tedesca Voxeljet ha ottenuto una licenza dal MIT e si è dedicata allo sviluppo di stampanti 3D a sabbia per stampi di fusione. L'azienda impiega la tecnologia del binder jetting per stampare stampi in sabbia da utilizzare nei processi tradizionali di fusione dei metalli.
Negli ultimi anni, la tecnologia di getto del legante ha ottenuto una crescente attenzione in Cina, con aziende come Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., Aisikai Technology Co., Ltd., Guangdong Fenghua Zhuoli Technology Co., Ltd. e Ningxia Sharing Group che hanno assunto un ruolo guida.
Inoltre, un team della Huazhong University of Science and Technology ha svolto ricerche sulla tecnologia di getto di legante dal 2012, concentrandosi inizialmente sulla stampa con gesso, polimeri e sabbia da colata e attualmente sulla tecnologia di getto di legante metallico. Nel 2017, in collaborazione con Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., hanno introdotto una stampante a getto di legante metallico in grado di stampare con materiali quali Acciaio inox 316L, acciaio inox 420, rame e leghe di titanio.
Di seguito è riportata una tabella comparativa dei dettagli tecnici di alcune aziende nazionali e internazionali che sviluppano la tecnologia di getto del legante metallico.
Tabella 5-2: Tabella comparativa dei dettagli tecnici delle tecnologie di formatura a spruzzo di adesivi metallici di alcune società di ricerca e sviluppo nazionali e internazionali
| Azienda | Velocità di stampa (cm3/h) | Volume di costruzione | Materiali disponibili | Densità /% | Risoluzione /dpi | Spessore dello strato /μm |
| Metallo digitale | 100 | 203 mm×180 mm×69 mm | SS: 316L, 17-4 | 96 | - | 30~200 |
| Exone | Fino a 10.000 | 800mm×500mm×400mm | SS: 316L, 304 | 96~99 | 600~1200 | 30~200 |
| Metallo da tavolo | 12000 | 750mm×330mm×250mm | - | 一 | 一 | 50 |
| HP | – | 430mm×320mm×200mm | SS:316L | >93 | 1200 | 50~100 |
| GE | – | – | SS:316L | – | 一 | – |
| 3DEO | – | – | SS: 17-4 | 99 | - | – |
| Wuhan Yizhi | – | 500mm×450mm×400mm | SS:316,420 | 95~99 | 600 | 50~200 |
Esaminando lo schema astratto del brevetto 3DP del Professor Emanuel Sachs, come mostrato nella Figura 5-33, vengono presentate le informazioni chiave: "...produrre uno strato di materiale in polvere legato..." indica la creazione di uno strato di materiale in polvere legato attraverso un processo di accumulo strato per strato utilizzando materiale in polvere.
Ci si chiede come venga modellata la polvere: "...depositando un materiale legante..." suggerisce che, invece di usare un laser, un materiale legante viene distribuito in aree selezionate di ogni strato, incollando la polvere in forma. L'abstract indica anche che il materiale può essere "...ulteriormente lavorato, ad esempio riscaldandolo..." per aumentarne la resistenza.
La Figura 5-34 illustra il processo 3DP, dettagliato come segue:
① Preparazione dei dati. Ottenere un modello tridimensionale del pezzo ed elaborarlo in fette bidimensionali.
② Posa della polvere. La polvere è immagazzinata in una tramoggia o in un cilindro di alimentazione, con due metodi di applicazione: la tramoggia rilascia una certa quantità di polvere sul letto di polvere dall'alto, nota come metodo di alimentazione, mentre il cilindro di alimentazione dispensa una quantità prestabilita di polvere sollevando il pistone di alimentazione a una certa altezza, nota come metodo di posa della polvere, come mostrato nella Figura 5-34(a) e (b).
Un rullo distribuisce e compatta la polvere nell'area di formazione del letto di polvere.
③ Movimento bidimensionale. La testina di stampa, carica di legante, è controllata dal file di comando per muoversi nelle direzioni X e Y, spruzzando il legante per incollare la polvere nella forma. Le aree non spruzzate rimangono libere e forniscono il supporto per gli strati successivi (per la stampa di modelli colorati, si utilizzano tre leganti di colore primario).
Movimento in direzione Z. Il letto di polvere scende di uno strato in direzione Z, l'area di formatura viene rifornita con un nuovo strato di polvere e lo strato di polvere viene mantenuto in piano.
Incollaggio interstrato. La testina di stampa si muove secondo nuovi comandi X e Y, spruzzando il legante per dare forma allo strato di polvere corrente e farlo aderire allo strato precedente, ottenendo così l'incollaggio interstrato.
Ripetere il processo sopra descritto fino a ottenere la parte tridimensionale finale.
Il materiale in polvere non utilizzato dalla stampa 3DP, che non viene preriscaldato o esposto all'irradiazione laser, può essere completamente riciclato per il riutilizzo, raggiungendo teoricamente un tasso di utilizzo del materiale di 100%. Dopo la stampa 3D, le parti richiedono un'ulteriore post-elaborazione, che in genere prevede tre fasi:
Poiché i pezzi sono interamente ricoperti di polvere, è necessario rimuovere la polvere residua sulla superficie del pezzo all'interno di una scatola a guanti utilizzando spazzole, pistole ad aria compressa, ecc. per riciclarla e riutilizzarla nella stampa successiva.
Le parti stampate in 3DP spesso contengono numerosi pori e sono relativamente deboli, il che rende necessaria una post-elaborazione per il rinforzo. Per le parti stampate con materiali inorganici in polvere, come il gesso, vengono selezionati diversi infiltrati a polimerizzazione istantanea in base all'uso previsto per penetrare nelle parti.
Ad esempio, gli infiltranti adatti ai modelli a colori possono migliorare la resistenza, il colore e la stabilità del colore; gli infiltranti binari per i modelli funzionali possono migliorare significativamente la resistenza del modello; gli infiltranti ecologici possono essere utilizzati per l'impregnazione o la spruzzatura per migliorare la durezza e il modulo della superficie.
Le parti stampate con polveri metalliche richiedono in genere ulteriori fasi di post-lavorazione, come lo sgrassaggio, la sinterizzazione ad alta temperatura, la pressatura isostatica a caldo, l'infiltrazione o l'impregnazione di rame per aumentare la resistenza e la densità del pezzo.
In genere, si ricorre a una combinazione di sabbiatura, lucidatura, verniciatura e lavorazione per migliorare ulteriormente la qualità e la precisione della superficie del pezzo, nonché la sua levigatezza e il suo colore.
Il processo 3DP presenta cinque notevoli vantaggi:
Il 3DP può realizzare la stampa a colori, esprimendo perfettamente la creatività del design del prodotto a colori, ed è ampiamente utilizzato nella creatività culturale, nel cinema, nell'animazione e in altri campi.
Il processo 3DP può stampare con quasi tutti i materiali in polvere, comprese le polveri metalliche, ampliando così in modo significativo le sue applicazioni funzionali.
La polvere non legata funge da supporto naturale, eliminando la necessità di ulteriori supporti ausiliari, il che significa alta efficienza di stampa e bassi costi di materiale durante il processo di stampa.
Il processo 3DP non impone praticamente alcuna restrizione alla complessità delle parti, consentendo la produzione di vari tipi di pezzi. forme complesse come parti porose, parti cave e parti annidate. È adatto allo sviluppo di nuovi prodotti o alla produzione di pezzi singoli e in piccoli lotti.
Da un lato, il processo 3DP non utilizza il laser, riducendo così i costi di funzionamento e di manutenzione delle apparecchiature; dall'altro, le sue testine per il getto del legante possono eseguire una scansione a matrice piuttosto che una scansione a punti laser, ottenendo un'elevata efficienza di stampa e costi contenuti.
Tuttavia, il processo 3DP presenta anche alcuni limiti e svantaggi:
La resistenza e la tenacità sono relativamente basse e di solito sono adatte solo per l'esposizione di campioni o per stampi di fusione (come quelli in sabbia). I test funzionali non sono fattibili e le parti stampate in metallo richiedono un'ulteriore sinterizzazione e infiltrazione di rame in un forno di sinterizzazione per ottenere la resistenza e la densità finali.
Poiché i pezzi sono formati mediante legatura della polvere, la superficie presenta una certa grana, che rende difficile ottenere la levigatezza dei pezzi stampati con le tecniche di fotopolimerizzazione.
Poiché si utilizza lo stoccaggio a letto di polvere e considerando l'attività superficiale dei materiali in polvere, lo stoccaggio di materiale sfuso è grande e impegnativo. Il meccanismo di alimentazione della tramoggia, pur superando in qualche modo i problemi di stoccaggio, non cambia il principio fondamentale dello stoccaggio del letto di polvere.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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