Metal replacement, i materiali plastici per stampanti 3D possono sostituire il metallo?
La manifattura additiva con materiali plastici permette alle aziende di ridurre tempi e costi di produzione, in special modo se si tratta di pezzi unici o in bassa tiratura. Nella produzione di parti in metallo può offrire alcuni vantaggi inaspettati in termini di metal replacement.
La realizzazione di parti in metallo per stampanti 3d è comune a molti settori, anche molto diversi tra loro. Ciò che determina l’uso del metallo è tipicamente la sua robustezza e resistenza alle sollecitazioni ma le lavorazioni necessarie per giungere al prodotto finale possono essere piuttosto lunghe e costose, soprattutto se la geometria dell’oggetto da costruire ha una complessità medio-alta. Inoltre, in alcuni campi di applicazione in cui si tende ad alleggerire il più possibile (come aerospace o automotive, ma non solo) il peso dell’oggetto metallico può limitare il raggiungimento del risultato ambito.
La manifattura additiva dà un aiuto significativo nella produzione di oggetti con geometrie complesse grazie alla possibilità di stampare in 3D il modello direttamente dal progetto CAD. Il mercato offre oggi diverse soluzioni che permettono di produrre in 3D gli oggetti con diversi materiali tra cui metallo e leghe più o meno performanti. In attesa che le stampanti 3D a metallo professionali siano acquistabili ad un prezzo più accessibile, anche alle aziende medio-piccole, di quanto non accada oggi, si può contare sui vantaggi della stampa 3D e quindi sulla fabbricazione additiva sfruttando le carattistiche elevate di alcuni materiali termoplastici o di alcune resine che possono essere impiegate con successo nelle stampanti 3D FDM o PolyJet.
Metal replacement: quali applicazioni?
Le applicazioni che maggiormente possono trarre beneficio da queste soluzioni riguardano il settore aeronautico e aerospaziale, l’industria automobilistica, la produzione di stampi rapidi per iniezione e di stampi per la formatura dei metalli, il settore medicale, la robotica. I vantaggi sono tanto più evidenti quanto più si presenta la necessità di produrre oggetti custom, pre serie o piccoli lotti.
Ecco alcuni esempi reali che aiuteranno a compredere meglio.
Settore Aeronautico ed Aerospaziale
Con una stampante 3D FDM in grado di stampare con un materiale dalle elevate proprietà come Ultem 9085 di Stratasys, è possibile produrre molte parti di aereo ed altri veicoli aeronautici con una significativa riduzione del peso dei componenti rispetto all’alluminio, riduzione che può arrivare fino al 50%.
L’Ultem9085 è un materiale termoplastico che combina leggerezza e resistenza meccanica; è autoestinguente, certificato FST (Flame-Smoke-Toxicity), con Classificazione di Resistenza al Fuoco V0 ed elevata resistenza agli agenti chimici.
L’americana UTC Aerospace Systems costruisce e assembla parti critiche di grandi dimensioni per velivoli commerciali e militari prodotti da leader mondiali tra cui Boeing e Airbus. Nel corso degli ultimi anni, ha ridotto sostanzialmente i costi e i tempi necessari per costruire parti di ricambio, utensili, dime e similari, producendoli con una stampante 3D Stratasys Fortus 900mc e materiale plastico Ultem 1010. Il processo che richiedeva 21 giorni con la lavorazione CNC ora viene completato in 1 giorno e con un riduzione dei costi del 63%.
Piper Aircraft usa la idroformatura per la produzione di centinaia di componenti strutturali in alluminio del suo PiperJet Altaire, come il telaio interno, staffe, pelli, ecc. La realizzazione dei tools per idroformatura con lavorazioni tradizionali è costosa a causa della quantità di tempo necessaria per la programmazione di ogni parte, l’elevato costo del tempo macchina e della manodopera specializzata per il CNC, e il notevole spreco di materiale coinvolto nella lavorazione. Migrando il processo verso la fabbricazione additiva con una stampante 3D FDM Stratasys, i tempi di costruzione degli stessi strumenti sono stati ridotti del 30%. Piper impiega il materiale di stampa 3D policarbonato FDM (PC) che può sopportare pressioni di idroformatura che vanno da 3.000 a 6.000 psi, adatti per formare tutte le parti strutturali prodotte, mentre per la realizzazione dei tools di idroformatura che debbono sopportare pressioni più elevate viene utilizzato ULTEM 9085, in grado di sopportare fino a 10.000 psi.
Stampaggio
La produzione di uno stampo pilota da impiegare, ad esempio, nello stampaggio a iniezione o nel blow molding, può avvenire con una significativa riduzione di tempi e costi rispetto al processo tradizionale, impiegando la stampa 3D con materiali plastici ad alta resistenza come il Digital ABS utilizzato dalle stampanti 3D Stratasys con tecnologia PolyJet.
Lo conferma l’esperienza di Diversified Plastics, Inc., azienda specializzata nello stampaggio ad iniezione su misura per i clienti nei mercati medicale, filtrazione, aerospaziale, aeronautico e della difesa. Per soddisfare un importante cliente che lavora nel settore medicale e che aveva urgenza di lanciare un nuovo prodotto, è stato realizzato lo stampo con una stampante 3D Objet260 Connex, stampo che è stato poi impiegato direttamente per produrre il primo prototipo campione con il materiale definitivo. Questo ha permesso al cliente di valutare rapidamente il risultato finale senza che Diversified Plastics si impegnasse nella produzione di un costoso stampo in alluminio o in acciaio che avrebbe richiesto circa 5 settimane, contro i solo cinque giorni di quello ottenuto con la stampa 3D.
Una esperienza simile è quella di Arad Group che produce mediante stampaggio a iniezione le protezioni impermeabili per alcuni componenti elettronici. La saldatura ad ultrasuoni richiesta per sigillare insieme le parti può essere testata solo su componenti reali nel materiale finale, tipicamente realizzati utilizzando uno stampo di prova di alluminio oppure lo stampo finale di acciaio. La produzione dello stampo in Digital ABS con una stampante 3D PolyJet ha ridotto drasticamente tempi e costi. Le due parti dello stampo, maschio e femmina, vengono montati direttamente sulla pressa a iniezione dove viene realizzato il prodotto finale.
Attrezzaggio linee di produzione
I costi derivanti dalla realizzazione di strumenti per le macchine di produzione o per il montaggio, conosciuti anche come jigs and fixtures, incidono in modo significativo sul costo complessivo del prodotto finale. La stampa 3D permette di produrre rapidamente questi strumenti con materiali plastici robusti e resistenti, riducendo drasticamente tempi e costi. Con una stampante 3D FDM è possibile realizzare mani di presa o maschere di montaggio, dime di foratura o guide, strumenti personalizzati che aiutano a migliorare il processo.
Ne è un esempio Volvo Trucks, che usa una stampante 3D Stratasys Fortus con materiale ABS per costruire gli strumenti necessari alle proprie linee di produzione, tra cui una serie di morsetti leggeri e resistenti, maschere e supporti, e portautensili dal design ergonomico che permettono di organizzare al meglio l’ambiente di lavoro. In pochi mesi hanno prodotto oltre 30 strumenti diversi che hanno sostituito quelli tradizionali in metallo, rivelandosi altrettanto affidabili e duraturi.
Infine, la canadese Solaxis che opera nel settore del automotive ha realizzato con la fabbricazione additiva maschere di montaggio in Ultem9085 e FDM Nylon 12, due materiali termoplastici FDM di Stratasys che possono essere impiegati sui sistemi di produzione 3D Fortus.
