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3D Systems: l’AM immette nuova vita nell’antico processo della fusione a cera persa

Nella copertura mediatica del settore dell’AM c’è spesso la tendenza a collocare la manifattura additiva quale una tecnologia di svolta che sostituirà i processi manifatturieri tradizionali. Ora che il settore si è consolidato, appare chiaro che la tecnologia (di fatto, rivoluzionaria) è stata adottata come processo complementare in alcuni casi chiave; mentre l’AM presenta le sue esclusive capacità di design e manifattura diretta, questa viene anche integrata in maniera estensiva al fianco di metodi di produzione tradizionali, come la fusione a cera persa e questa accoppiata si sta rivelando piuttosto proficua.

I pionieri dell’additive manufacturing di 3D Systems sono stati tra i primi a realizzare il potenziale di questa tecnologia nella fusione a cera persa e hanno ben pensato di adibire alcune tecnologie di 3D printing (nello specifico, Stereolitografia e MultiJet Printing) quali strumenti in grado di offrire enormi vantaggi nella produzione con fusione a cera persa, compresa la realizzazione di modelli sacrificali con maggior complessità di design, minor dispendio in termini di tempo e costi e in assenza di  tooling.

Rinvigorire un antico processo manifatturiero

La fusione a cera persa è uno dei processi più antichi per la lavorazione del metallo. La tecnica si serve di un modello/pattern (o master) in genere fatto di cera, con un rivestimento in ceramica che si solidifica su di esso. Agendo da struttura sacrificale, il modello originale viene fuso o bruciato dalla scocca di ceramica e a quel punto il metallo fuso può essere versato per produrre il pezzo a partire da qualsiasi tipo di materiale.

In passato, i modelli per la fusione a cera persa (o perduta) venivano realizzati tramite stampaggio a iniezione, il quale non solo richiedeva tempo e denaro ma limitava anche le possibilità di progettazione. Tuttavia, con il 3D printing, 3D Systems ha dimostrato la capacità di realizzare modelli complessi in un maniera efficace in termini di tempi e costi, snellendo significativamente anche questo processo di fusione. Per fare un esempio, la compagnia afferma che il modello di una turbina, che richiederebbe  in genere almeno cinque settimane di produzione con lo stampaggio a iniezione e comporterebbe costi superiori ai  $20.000 può essere stampato in 3D in una notte e con costi che ammontano al 10%.

Principali proposte di valore del 3D Printing per la fusione a cera persa

Tempi di esecuzione più rapidi
Ottimizzazione design geometrici
Economicamente vantaggioso
Flessibilità di design, iterazione rapida durante lo sviluppo del prodotto
Accesso a leghe metalliche illimitate

QuickCast: stampare modelli grandi e di alta precisione per la fusione a cera persa

Al centro delle applicazioni dell’AM nella fusione a cera persa ci sono due tecnologie targate 3D Systems: il suo metodo QuickCast basato su SLA e il suo MultiJet Printing. Lo stile di costruzione usato in QuickCast è perlopiù cavo e integra supporti esagonali interni che conferiscono solidità al modello e ne facilitano il collasso quando sottoposto a espansione termica, riducendo il rischio di spaccature della scocca in ceramica. Sviluppato appositamente per la fusione a cera persa, QuickCast è uno dei metodi più popolari per stampare modelli in 3D e ha trovato applicazioni nei settori aerospaziale, medico e della difesa.

Patrick Dunne, Vice Presidente di Advanced Application Development di 3D Systems, ci racconta in che modo il metodo QuickCast dell’azienda influisce sui workflow di questi settori. “La tecnologia viene impiegata nei workflow di produzione ma, in primo luogo, è utile per i workflow di certificazione,” afferma. “In altre parole, viene usata per parti in cui è necessario certificare la funzionalità della fusione ma per le quali si vuole evitare di investire nel tooling per produrre i modelli finché non si convalida e non si certifica il  design.”

“Per la maggior parte sono le agenzie di servizi di 3D printing dotate di macchinari SLA a fornire i modelli per la fusione alle fonderie,” continua. “Quello che facciamo noi è vendere i nostri macchinari ai produttori di apparecchiature originali, alle agenzie e anche noi abbiamo una nostra agenzia di servizi che fornisce modelli. Per ogni parte complessa di grandi dimensioni e ad alta precisione, la soluzione è SLA.”

La capacità di stampare in 3D modelli per fusione su grande scala, menzionata da Dunne, distingue 3D Systems dagli altri produttori di stampanti SLA. Ad esempio, la sua ProX 950 ha un volume di costruzione di 1500 x 750 x 550 mm (59 x 30 x 22 in). Ciò significa che le parti in metallo di grandi dimensioni (più grandi di quelle attualmente consentite da qualsiasi stampante 3D a metallo) possono essere prodotte usando modelli sacrificali stampati in 3D e fusione a cera persa, in cui i segmenti del modello vengono creati e poi assemblati.

Il Wax MultiJet Printing per una qualità ad alta risoluzione

L’altra tecnologia targata 3D Systems per la fusione a cera persa è il Wax MultiJet Printing, il quale sfrutta un processo a getto d’inchiostro per creare oggetti finemente dettagliati. Per via dei costi più elevati di materiali e processi rispetto a QuickCast e della sua capacità di produrre parti complesse e ad alta risoluzione, questa tecnica viene impiegata principalmente per la creazioni di piccole parti, come ad esempio nel settore odontoiatrico o per la creazione di gioielli.

Questo processo consente ai produttori di realizzare, su piccola scala, parti con dettagli minuziosi e complessi. Inoltre, i sistemi MJP a cera impiegano un materiale di supporto solubile che rende possibile la rimozione del supporto in maniera semplice e senza l’uso delle mani, consentendo così di poter preparare modelli per la fusione senza il rischio di danneggiarli.

Ad esempio, l’azienda canadese produttrice di gioielli Vowsmith—specializzata nella realizzazione di anelli personalizzati – è riuscita a ridurre del 50% i tempi di produzione e consegna, integrando al proprio workflow le stampanti 3D ProJet MJP wax di 3D Systems. L’azienda è riuscita a produrre tra i 35 e i 40 modelli di anelli personalizzati pronti per la fusione, in una singola stampa.

Principali hardware 3D Systems per fusione a cera persa
ProX 800 (SLA) Volume di produzione elevato con alta precisione e dettagli
ProX 950 (SLA) Grandi parti in un unico pezzo
ProJet 6000 HD (SLA) La più alta qualità in un footprint più piccolo
ProJet MJP 2500W Alta fedeltà delle parti, modelli robusti con footprint a misura di ufficio

Leghe illimitate

Quando gli viene chiesto in che modo l’emergenza delle tecnologie di stampa a metallo diretta eserciteranno un impatto sulla fusione a cera persa, Dunne risponde che entrambi i processi coesisteranno dal momento che ognuno presenta i suoi punti forza. Un vantaggio particolarmente interessante della fusione a cera persa rispetto alla stampa a metallo diretta è la varietà dei materiali. Nello specifico, mentre per l’AM a metallo sono adatti solo pochi materiali, la fusione offre ai produttori l’accesso a una serie di leghe quasi illimitata, tra cui alluminio, acciaio, rame, Inconel, titanio e altre.

Per fare spazio a questa gamma di metalli, 3D Systems offre due resine QuickCast dedicate: Accura® CastPro e Accura CastPro AF. La prima, si adatta bene alla produzione di modelli che saranno sostituiti con materiali non reattivi, come l’alluminio, l’acciaio e il rame. CastPro AF invece, non contiene antimonio ed è adatta all’uso con metalli reattivi come il titanio. “Se nel modello c’è presenza di antimonio, questo può alterare la lega di titanio e ridurne la duttilità,” ha aggiunto Dunne. “Per la fusione del titanio, il valore aggiunto è avere una versione di questo materiale in cui l’antimonio è stato rimosso.”

Per quanto riguarda il suo processo MJP, 3D Systems ha sviluppato un materiale a base di cera progettato per le applicazioni nella fusione. La cera funge da materiale tradizionale per questo tipo di fusione ma non richiede alcun tooling. Ad esempio, VisiJet M2 CAST e VisiJet M3 CAST, offrono prestazioni meccaniche affidabili e possono essere elaborate in maniera rapida ed efficiente su stampanti 3D MJP Wax di 3D Systems.

Perfezionare la tradizione

Insomma, mentre l’AM di metalli in se per sé è adatta alla produzione di parti con geometrie interne complesse e strutture con pareti sottili, 3D Systems ha dimostrato l’attuabilità del 3D printing per perfezionare persino i processi di manifattura più tradizionali. Dopo migliaia di anni di fusione a cera persa, 3D Systems ha lasciato intendere che il 3D printing potrebbe essere la chiave per ottimizzare il processo.

“Sono pochi i worflow produttivi in cui la stampante 3D rappresenta l’inizio e la fine della storia,” ha affermato Dunne. “In gran parte dei workflow, il front-end è fatto di passaggi tradizionali mentre nel back-end c’è tanto CNC, lucidatura e ancora tecniche tradizionali. Il 3D printing è un componente del workflow e, dal nostro punto di vista, rende possibili capacità molto significative. Il vantaggio primario è la velocità e il secondo è l’assenza di vincoli nell’ottimizzazione del design.”

 

Articolo originale: Tess Boissonneault

Traduzione a cura di: Martina Pelagallo

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