Cos’è il ColdMetalFusion e come potrebbe cambiare l’AM metal

Spinto da Headmade Materials, la società che per prima lo ha immaginato come un processo commercialmente fattibile, negli ultimi due anni l’idea di un processo di “sinterizzazione laser selettiva del metallo legato” ha ottenuto una rapida adozione, con diversi importanti attori che lo stanno esaminando. È noto come Cold Metal Fusion, o CMF, ed è promosso dalla ColdMetalFusion Alliance.

Infatti, oggi, tutte le attività di SLS metal a destinazione commerciale sono definite dall’acronimo CMF e sono raggruppate sotto la ColdMetalFusion Alliance o CMF Alliance. Per chi non la conoscesse del tutto, la ColdMetalFusion Alliance è un’iniziativa promossa da Headmade Materials dopo che la startup è emersa come parte del fondo AM Ventures VC (di proprietà dell’attuale leader del settore PBF EOS).

La società ha introdotto per la prima volta  un processo industrializzato per la stampa 3D di parti metalliche utilizzando la tecnologia polimerica SLS e polveri che combinano un componente metallico all’interno di un polimero esterno che funge da legante durante il processo di sinterizzazione laser. Producendo rapidamente parti verdi senza supporti, ColdMetalFusion potrebbe essere un potenziale concorrente del getto di leganti metallici nella produzione additiva di parti metalliche a produttività più elevata. Anche Headmade Materials fa parte della ColdMetalFusion Alliance.

Questo gruppo di società include ora produttori di hardware SLS polimerico, come Farsoon Technologies e Sintratec , nonché fornitori di servizi di stampaggio a iniezione di metalli (MIM), società di hardware di post-elaborazione, (debinding e sinterizzazione) come AM Solutions, ProX e Carbolite Gero e società di materiali come Element22 e la stessa Headmade Materials (che offrono anche servizi di produzione e post-elaborazione). Anche altre aziende specializzate nella produzione additiva di metalli legati, come MetShape, specialista di LMM (stereolitografia di metalli legati) , stanno considerando la tecnologia CMF come una soluzione disponibile da offrire ai propri clienti.

Ascolta l’intervista dell’episodio di VM Podcast con Christian Staudigel, CEO di Headmade Materials:

Come funziona ColdMetalFusion?

In ColdMetalFusion la parte viene costruita strato per strato e questo può essere fatto utilizzando la maggior parte dei sistemi di sinterizzazione laser attualmente disponibili per polveri termoplastiche (SLS). Queste macchine sono ampiamente disponibili in tutto il mondo, a prezzi generalmente ben al di sotto di quelli dei sistemi PBF metallici di dimensioni corrispondenti. Il processo CMF può essere eseguito anche su macchine industriali entry-level come quelle di Sintratec, rendendo il Capex iniziale ancora meno problematico.

Durante il processo, il legante plastico viene fuso a bassa temperatura (<80°C) e non sono necessarie strutture di supporto per il processo di costruzione stesso, il che consente anche di posizionare liberamente le parti nel lavoro di costruzione.

Il lavoro di costruzione finito viene quindi depolverizzato e pulito. Questo processo può essere automatizzato utilizzando la pressione dell’aria o un getto d’acqua grazie all’altissima stabilità della parte verde. Il resto della materia prima può essere completamente riutilizzato. L’elevata resistenza delle parti verdi non solo aiuta nella fase di depowering ma consente anche la post-lavorazione meccanica (tornitura, fresatura, foratura, rettifica), prima della sinterizzazione della parte metallica. Ciò offre vantaggi particolari per i materiali difficili da lavorare.

Inoltre, integrando la polvere metallica in un sistema legante altamente funzionale, tutti i metalli nella metallurgia delle polveri sono disponibili per la lavorazione additiva con bassi costi operativi e una produzione di pezzi significativamente più elevata, con una riduzione fino al 90% dei costi dei pezzi. Si prevede che i futuri sviluppi della tecnologia SLS, in particolare le capacità del laser a diodi come quelle offerte da 3DM, porteranno a ulteriori significativi aumenti di produttività.

Aspetti chiave da prendere in considerazione quando si progettano parti per CMF e tutte le tecnologie basate sulla sinterizzazione deve includere il fatto che le parti verdi si restringono durante il processo di sinterizzazione e che il restringimento può variare con i diversi approcci basati sulla sinterizzazione. Nella tecnologia Cold Metal Fusion, il legante polimerico all’interno del materiale di partenza viene fuso strato dopo strato per formare una parte verde che è in plastica riempita di polvere metallica. Durante la fusione selettiva del legante, le parti a verde raggiungono un’elevata densità di parti a verde che riduce il ritiro richiesto durante il processo di sinterizzazione. Le materie prime in acciaio inossidabile 316L e titanio Ti6Al4V, ad esempio, si restringono quasi uniformemente in tutte le direzioni (XYZ) a circa il 14 %. Il restringimento in direzione Z può differire per parti pesanti o molto alte e ciò può richiedere un ridimensionamento aggiuntivo della direzione Z fino allo 0,7%.

Quali sono le prospettive per ColdMetalFusion

La tecnologia, i materiali disponibili ei suoi potenziali utilizzatori stanno crescendo a passi da gigante. Headmade Materials ha già sviluppato una gamma di polveri plastiche caricate in metallo per CMF che include acciaio inossidabile 316L e 17/4PH, acciaio per utensili M2, titanio Ti6Al4V, titanio CP-Ti (grado 1) e persino tungsteno. Sono in arrivo altri materiali chiave, tra cui Tool Steel H13, Inconel 625 e Aluminium 6061.

Diverse aziende hanno aderito alla CMF Alliance negli ultimi due anni, inclusi diversi servizi di produzione MIM e fornitori di parti metalliche. Questi includono aziende come mimPlus ma anche innovatori come Element22 e Miba, uno specialista della produzione di parti per l’industria energetica.

Cold Metal Fusion è un’opportunità, soprattutto per le aziende di hardware SLS. Farsoon Technologies, che attualmente offre il più grande sistema SLS sul mercato, si è rapidamente mossa per entrare a far parte della CMF Alliance. L’azienda cerca di portare a termine la sua missione di industrializzare ulteriormente la produzione additiva con stampanti 3D industriali aperte. Con questa mossa, Farsoon ha anche ampliato il proprio portafoglio di soluzioni in metallo oltre il PBF in metallo, in AM basato su sinterizzazione, consentendo nuove applicazioni nella stampa 3D in metallo per integrare le sue soluzioni di produzione additiva diretta in metallo. La società prevede di rendere la stampa 3D di parti verdi più robusta e scalabile per i produttori. Per Farsoon, la nuova applicazione della sinterizzazione laser contribuirà a rendere possibile la produzione in serie di produzione additiva in modo economico tramite un Capex inferiore.

Questo Capex può essere ulteriormente ridotto poiché anche il produttore di stampanti 3D SLS entry-level Sintratec ha aderito alla CMF Alliance. Con questo passo, Sintratec ha deciso di fornire un accesso affidabile e facile alla stampa 3D in metallo per un vasto pubblico. L’azienda sta lavorando con 10 clienti beta per lanciare le prime applicazioni in acciaio sulla piattaforma S2. I clienti Sintratec potrebbero anche beneficiare delle ridondanze risultanti da intere aziende di stampa invece che da grandi macchine a campana.

Anche le aziende specializzate nella stampa 3D in metallo rilegato come MetShape – uno dei primissimi ad adottare la stereolitografia in metallo rilegato (LMM – Produzione di metallo basata sulla litografia) di Incus – stanno esaminando attentamente l’offerta della tecnologia sebbene non abbiano ancora aderito alla ColdMetalFusion Alliance. In particolare, Cold Metal Fusion potrebbe essere un’enorme opportunità futura per i grandi fornitori di servizi di stampa 3D SLS di polimeri, che stanno spostando sempre più la loro produzione di parti polimeriche ad alto rendimento verso le macchine MultiJet Fusion di HP e hanno un gran numero di sistemi SLS da riempire. Aziende come 3DPRINTUK o anche Materialise e molte altre potrebbero prendere in considerazione questa nuova opportunità.

Per le aziende di post-elaborazione come Linde, Carbolite Gero, PresX e AM Solutions, la ColdMetalFusion Alliance rappresenta un’opportunità per unire le forze per accelerare e semplificare lo sviluppo di trattamenti specifici per AM, tra cui, in particolare, la sinterizzazione in forno.

Ad esempio, un tipico JobShop costruito attorno a Cold Metal Fusion includerebbe una stampante 3D SLS da 20 litri come la Farsoon HT252P. Altri articoli di dimensioni maggiori supportati includono EOS FORMIGA P110 (volume di costruzione 16,5 l) XYZprinting (ora Nexa3D) MfgPro230 xS (volume di costruzione 12 l). Ciò richiederebbe una stazione di deceraggio automatizzata da 50 litri di LOMI con funzionalità integrate, asciugatura e riciclaggio del solvente e un forno di sinterizzazione batch da 25 litri come quello di Carbolite Gero con una dimensione dell’involucro di costruzione di 240 mm x 240 mm x 400 mm, e temperatura massima di esercizio di 1600°C. Un LabShop utilizzerebbe una Sintratec S2 8 litri SLS Printer Cell Laser Sinter Station (LSS) Material Core Unit (MCU) e Material Handling Station (MHS),

La visione di ColdMetalFusion Alliance è quella di industrializzare la produzione additiva attraverso standard comuni tra la sinterizzazione e la produzione additiva. I membri della Cold Metal Fusion Alliance condividono non solo gli standard, ma anche una cultura e un modo di pensare comuni. In quanto “industriali” con una lunga storia, i membri hanno la necessità di implementare processi affidabili in una fabbrica che possa operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7.

Casi applicativi per CMF

Sono emersi alcuni casi applicativi per la produzione in serie per Cold Metal Fusion. Uno dei primi (anche se sfortunatamente non ha mai superato una campagna di crowdfunding) è stato un ciclo di produzione di pedali clipless in titanio che doveva essere commercializzato da Titanum. I pedali sono stati sviluppati in sole 3 settimane utilizzando CMF e avevano lo scopo di risolvere i problemi di fattibilità tecnica e costi di produzione elevati. CMF consentirebbe la produzione in serie economica del corpo del pedale con il meccanismo a molla a balestra integrato, con un peso ottimizzato di 100 grammi per coppia di pedali (compreso l’asse in titanio), rendendolo il pedale automatico più leggero del suo genere.

Più recentemente, Sturdy Cycles ha trasferito la produzione di parti in titanio alla stampa 3D utilizzando la tecnologia ColdMetalFusion. Headmade Materials ed Element22, in qualità di specialista nella produzione di parti in titanio, hanno collaborato nuovamente per produrre in modo additivo diversi componenti in titanio per la bici da strada in titanio del costruttore di telai.

Headmade Materials ha mostrato anche una piccola serie di 400 maglie di catena in titanio per l’uso in una macchina per l’imballaggio. Le maglie della catena erano precedentemente realizzate in plastica, ma le proprietà meccaniche non erano sufficienti. Le maglie della catena, che consistono in due parti, sono state riprogettate in lega di titanio Ti6Al4V e per proprietà sia leggere che più robuste. Il processo ha richiesto solo 3 settimane dalla riprogettazione al primo test dal vivo.