Durante i colloqui con chi è interessato alla stampante 3D industriale, viene spesso chiesto se si tratta di stampanti 3D professionali o industriali. È importante non perdersi in artifizi semantici: una stampante 3D può essere allo stesso tempo professionale e industriale, adatta per i professionisti dell’industria e ideale per l’industria dei professionisti.
La Qualità dei Prodotti: Un Esempio con l'Alluminio
La qualità dei prodotti si misura con i livelli di finitura, accuratezza e resistenza che questi hanno una volta usciti dalla produzione. Consideriamo l'alluminio, ampiamente utilizzato nell’industria manifatturiera per realizzare posaggi, ganasce, calibri di controllo, dime, griffe, ruote dentate, mani di presa e sistemi di presa a vuoto.
Un pezzo stampato in 3D deve superare varie prove di resistenza meccanica allo stress per sostituire l'alluminio in un ambiente produttivo. Solo parlando di prove di resistenza meccanica, i criteri per la validazione di un componente sono numerosi. Non elencheremo tutti i test che un’azienda può richiedere (chimici, termici, ecc.).
Criteri Severi per le Stampanti 3D Industriali
I criteri per definire una stampante 3D come industriale sono molto severi e stringenti, rendendo difficile trovare sul mercato molte stampanti 3D che li rispettino. Le stampanti 3D che possono definirsi industriali sono poche e producono tecnopolimeri.
Cosa sono i tecnopolimeri? Sono polimeri con caratteristiche di resistenza tali da consentire il loro impiego in sostituzione dei metalli. Sul mercato, si trovano ormai tante case produttrici che stampano tecnopolimeri, che non sono altro che parti di materiale plastico con, annegata all’interno, della fibra sotto forma di microparticelle di fibra di carbonio (materiale composito). La Stratasys, per esempio, ha un composito formato da PA, cioè Nylon, con frammenti di fibra di carbonio.
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Tuttavia, le aziende che fanno produzione hanno criteri molto stringenti e severi per i materiali con cui lavorano. Per convincere un’azienda a non usare l’alluminio, è necessario dimostrare che il materiale composito rinforzato con la fibra di carbonio si comporta come e addirittura meglio.
Fibra Corta vs. Fibra Lunga: Un Esempio con il Wafer
Ci sono varie tipologie di composito rinforzato. I tecnopolimeri prodotti da alcune case produttrici hanno il rinforzo in fibra corta. Ma qual è la differenza tra un materiale composito rinforzato con fibra lunga (o continua) e uno con fibra corta?
Per comprendere meglio, pensiamo a un wafer, composto da più cialde una sopra l’altra, molto friabili e leggere, e dal cioccolato spalmato su ognuna di esse. Se prendete il wafer tutto insieme, questo sarà stabile e si romperà solo se viene esercitata una certa forza. La fibra continua è come il wafer disposto per l’intera lunghezza a disposizione senza interruzioni e, quindi, in maniera continua.
Tornando alla stampa 3D, l’unica stampante 3D industriale esistente nel mercato che ha il brevetto per stampare parti in polimero rinforzate in fibra continua è Markforged. La stampante 3D industriale per eccellenza si chiama X7. Questa stampante 3D realizza parti in Onyx (PA6 + microparticelle di carbonio, un composito di per sé già più resistente dell’ABS) rinforzate con fibra lunga di Carbonio, Vetro, Vetro HSHT e Kevlar.
Le altre case produttrici, non potendo usare i brevetti sulla fibra continua hanno cercato di correre ai ripari inserendo, appunto, dei frammenti di fibra di carbonio. Come abbiamo visto in precedenza, però, il materiale composito delle stampanti Markforged è già di per sé un materiale rinforzato. E’, infatti, costituito da PA + microparticelle di fibra di carbonio.
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La Stampa 3D del Metallo: Tecnologie e Processi
Ci sono diverse tecnologie di stampa 3D per metallo. Nel 1995, la SLM Solution e la EOS inventarono le stampanti 3D a fusione laser a letto di polvere (Laser Powder Bed Fusion, LPBF), una vera e propria rivoluzione. Per quanto ogni produttore utilizzi il proprio acronimo per identificare il proprio sistema di Additive Manufacturing per metallo, la tecnologia è uguale per tutti.
Il ripiano, detto “elevatore”, si muove sull’asse z abbassandosi ogni volta che viene fuso uno strato di polvere dal laser attraverso un sistema di specchi. Con questo procedimento viene realizzato il primo layer e così di seguito fino alla realizzazione completa della parte. La complessità del processo di fusione laser a letto di polvere comporta, però, alcune problematiche di non facile gestione. L’eliminazione della polvere non solo dalla camera di lavoro ma anche dalla parte stampata, inoltre, richiede un lavoro di post processing che richiede personale specializzato.
La prima, la stampante 3D ha, come prima grossa differenza rispetto alla tecnologia LPBF, una tecnica di lavorazione che prevede il filamento invece che il letto di polvere. Infatti, questa tecnologia additiva figlia dell’FDM (Fused Deposition Modeling), estrude un filamento formato da metallo + legante polimerico misto a cera. Questa tecnologia prevede due ugelli: uno per l’estrusione del filamento metallico mischiato al legante polimerico, ed uno per il materiale ceramico. Se il primo serve a costruire layer dopo layer la parte da stampare, il secondo ha lo scopo di depositare il layer di giunzione tra il piano di lavoro e il supporto, e tra il supporto e la parte. La rimozione del supporto diventa, grazie al materiale ceramico, un’operazione molto semplice da eseguire.
La seconda unità si chiama Wash e ha il compito di rimuovere il legante polimerico ceroso dalle parti stampate. Dopo la stampa della parte, questa viene immersa in un solvente per un tempo stabilito dal software che dipende dal volume e dalla geometria della parte. Quando viene a termine il processo di debinding, il componente viene messo in un vano dedicato del Wash ad asciugare. L’ultima fase del processo è la sinterizzazione. La “brown part” viene inserita nel Sinter per un tempo fisso pari a circa 27 ore. Poiché il tempo dell’infornata è lo stesso anche se si tratta di più parti contemporaneamente, è buona pratica inserirne quante più possibile per ottimizzare tempi e costi di sinterizzazione. Il sinterizzatore, che ha una precisione di 125 µm, lavora con gas inerte (argon) + una miscela di idrogeno e argon.
Applicazioni della Tecnologia ADAM
Sono svariate le applicazioni delle parti realizzate con la tecnologia con la stampante 3D per metallo a tecnologia ADAM. Innanzitutto, é bene tener presente che con la tecnologia menzionata, in quanto si tratta di una stampante 3D, si ragiona in termini di piccoli lotti. Le applicazioni più comuni sono le attrezzature di produzione e gli utensili speciali. I vantaggi più evidenti della tecnologia ADAM sono il costo d’acquisto, nettamente più contenuto rispetto alle macchine a tecnologia LPBF, e la semplicità di messa in opera.
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Additive Manufacturing: Un Nuovo Paradigma di Produzione
Additive Manufacturing (AM) sta per “Produzione Additiva”, e connota quel tipo di produzione che ha la peculiarità di aggiungere strato dopo strato del materiale fino a comporre un prodotto finito. Questa tecnica di produzione si contrappone totalmente al metodo tradizionale ancora in massiccio uso oggi, e cioè la produzione sottrattiva. Per definizione, questo tipo di tecnica invece di aggiungere materiale per creare un oggetto, lo sottrae, lo asporta. Le stampanti 3D usano la tecnica di produzione additiva per realizzare oggetti finiti partendo da un disegno realizzato con uno dei tanti programmi di disegno meccanico (disegno CAD).
Esistono decine e decine di case produttrici di stampanti 3D nel mondo, ma solo alcune di esse sono riuscite ad affermarsi per la stabilità delle parti stampate e per la loro qualità. Quelle per la prototipazione sono state le prime, in termini di tempo, ad affermarsi sul mercato. Con i tanti, anche se non così performanti, materiali a disposizione sono diventate a partire dagli anni ’90 un utilissimo strumento per realizzare prototipi o oggetti finiti rivolti al mondo del design, dell’architettura fino al modellismo. Sono entrati nel settore manifatturiero solo marginalmente a causa del fatto che i materiali delle stampanti 3D per prototipazione non superavano gli standard richiesti dall’industria.
A partire però dal 2013-2014, la stampante 3D ha bruscamente cambiato i suoi connotati scoprendosi come uno strumento rivolto anche alla produzione di parti finali in settori dell’industria manifatturiera come l’Automotive, il Packaging, l’Automazione, l’Aerospace, e tanti altri fino al settore militare. C’è da aggiungere, e specificare, che la stampa 3D, o AM, non si propone di sostituire la tradizionale tecnologia estrattiva e le sue macchine a controllo numerico (CNC). Queste sono, e saranno, sempre insostituibili per le produzioni in serie o di massa.
L'Inconel 625: Un Materiale Avanzato per la Stampa 3D
La stampa 3D del metallo fa un altro passo in avanti con l’Inconel 625, una superlega a base di nichel-cromo che ha come caratteristica principale la resistenza alla corrosione ed alle alte temperature. La forza di questo materiale, infatti, non è compromessa da più cicli di calore e può resistere a temperature fino a 1000 ° C. È un materiale piuttosto facile da stampare e permette di fabbricare prototipi funzionali e parti per uso finale progettate per ambienti difficili.
Tradizionalmente, l’Inconel 625 è un materiale estremamente costoso da utilizzare. Tuttavia, la lavorazione dell’Inconel 625 con il sistema di stampa 3D Metal X consente ai produttori di sfruttare questo materiale a una frazione del costo tipico. Il motivo? Poiché il materiale viene lavorato in produzione additiva invece che sottrattiva, non esiste spreco di materiale.
Questo eccellente materiale ha le sue più interessanti caratteristiche per l’alta resistenza a temperature elevate e per la resistenza alla corrosione. Le industrie chimiche ed energetiche necessitano di materiali in grado di gestire sia le alte temperature che un’ampia varietà di prodotti chimici. I sistemi di trattamento dei rifiuti richiedono materiali resistenti sia all’ossidazione che alle soluzioni acide. Anche le industrie aerospaziale e automobilistica hanno sfruttato le proprietà di Inconel. Gli ambienti marini sono altamente corrosivi e col tempo mettono a dura prova anche i materiali più forti. L’Inconel 625 in compenso mette in mostra una straordinaria resistenza al cloruro di sodio a varie temperature.
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