Tutto quello che dovete sapere sulla stampa 3D dei metalli

La stampa 3D a metallo è ora la frontiera più “calda” e non solo perché la maggioranza delle tecnologie di stampa 3D a metallo ha bisogno di fondere i metalli lavorando a temperature di parecchie centinaia di gradi. La ragione per cui il metallo è così “caldo” è che, molto prima di quelle di plastica, le parti metalliche saranno stampate in 3D in modo seriale per produzioni di massa.
Questo perché il metallo stampato in 3D ha una qualità pari, se non migliore, di quello prodotto con i metodi tradizionali (CNC o stampaggio a iniezione).

eos-showcases-3d-printers--pa-1102-black-polymer-2Ci sono alcni settori industriali che usano già la stampa 3D a metallo per la produzione di oggetti che usate già nella vita di tutti i giorni (senza magari sapere che sono stampati in 3D). Due di questi sono i settori medicale e dentale, dove impianti personalizzati stampati 3D sono già considerati i migliori disponibili. Il terzo è la gioielleria, dove molte delle case più importanti stanno passando dalla stampa 3D e fusione a cera persa alla stampa 3D a metallo diretta.

Il metallo stampato in 3D prende il volo
C’è già un’altra industria che ha cominciato ad abbracciare e considerare seriamente l’implementazione della stampa 3D. Quando accadrà, questo significherà che nasceranno gigantesche fabbriche di manifattura additiva completamente automatizzate e piene di stampanti 3D a metallo: l’industria aerospaziale. Il prossimo potrebbe essere il settore automobilistico che lo sta già considerando seriamente, non per prototipi ma per parti reali. Prima che questo accada, si dovranno superare molti ostacoli, innanzitutto l’alto costo e la bassa velocità di produzione, ma tutto ciò sta già accadendo.

Ostacoli superabili

Ci sono molte cose da dire sulla stampa 3D a metallo, in ogni caso le questioni principali sono le stesse di qualunque stampa 3D: software, hardware, materiali e multi – materialità. Non parleremo molto di software se non per dire che i più grandi editori come Autodesk, SolidWorks e solidThinking stanno tutti lavorando per rendere i loro prodotti tali da permettere agli ingegneri di sfruttare il più possibile la libertà geometrica dei processi diretti di stampa 3D a metallo.

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Cominceremo, invece, con le tecnologie disponibili. Ce ne sono varie, anche se il processo che le aziende più grandi stanno considerando oggi è generalmente conosciuto come “fusione a letto di polvere”. Questo significa che una fonte di energia (come il laser o altri fasci di energia) fonde una polvere “atomizzata” (cioè polverizzata in minuscole particelle sferiche perfettamente rotonde) con lo scopo di creare gli strati degli oggetti. In altre parole si tratta della versione per metallo della SLS (sinterizzazione laser selettiva). Ci sono otto produttori principali al mondo che stanno già usando questa tecnologia nelle loro macchine (Sisma/Trumpf-Sisma, Renishaw, Arcam, 3D Systems/Phonenix, Concept Laser, EOS, SLM Solutions, Realizer), e molti altri ne stanno arrivando (come ad esempio l’olandese Additive Industries, che ha appena siglato un accordo con Airbus). La maggior parte di queste tecnologie sono conosciute con l’acronimo SLM (Selective Laser Melting cioè fusione laser selettiva) o DMLS (Direct Metal Laser Sintering cioè sinterizzazione laser diretta su metallo).

metalfab1-metal-3D-printer-from-additive-industries-1024x440Se oggi avete bisogno di un pezzo professionale in metallo stampato in 3D questa è la tecnologia che userete. Anche servizi come Shapeways e iMaterialise sono già in grado di offrire parti stampate in 3D a metallo diretto. Generalmente si rivolgono ad altri servizi che sono specializzati nella stampa 3D a metallo per completare il lavoro, in ogni caso il numero di “servizi di stampa 3D a metallo” sta crescendo rapidamente in tutto il mondo.

Fabbriche ottimizzate

La ragione questo approccio per cui piace molto alle grandi aziende è che potrebbe, in teoria, essere usata per costruire fabbriche interamente automatizzate che possono produrre parti “topologicamente ottimizzate”. Questo significa che con questa tecnologia è possibile distribuire perfettamente il materiale in un componente in modo da renderlo più spesso solo dove ce n’è più bisogno per resistere alle sollecitazioni, riducendo così drasticamente il peso di una parte senza sacrificare nulla della sua integrità strutturale. Comunque questa non è l’unica tecnologia esistente. Ce ne sono altre molto più economiche e anche accessibili a chiunque.

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Metal binding

Un altro approccio per la stampa 3D a metallo professionale, che usa sempre il letto di polvere, è il binder jetting. Questo è un processo usato anche nella stampa 3D dei non metalli, per esempio per produrre i Mini-me colorati attraverso il Color Jet Printing (CJP) di 3D Systems. In questo caso gli strati sono formati incollando le particelle metalliche e poi sinterizzandole (o fondendole) assieme in un forno ad alta temperatura, proprio come fareste per le ceramiche. Questo è l’approccio seguito da aziende quali ExOne e Digital Metals in primis. Permette di ottenere una precisione anche superiore ai processi direct metal ma in questo caso è il processo stesso a essere meno diretto, visto che richiede una fase separata di cottura (sinterizzazione) un una fornace dei pezzi “verdi”. Anche i costi, però, sono inferiori con il binder jetting e quindi, in generale, queste tecnologie vengono usare per realizzare pezzi di dimensioni maggiori.

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Metal Pasta

Un’altra possibilità, che è anche simile ai prodotti in ceramica, è quella di mescolare la polvere metallica in una pasta metallica, e usare una stampante 3D a estrusione pneumatica, come una biostampante a siringa o una stampante per cibo low-cost, per formare gli oggetti in 3D. Una volta che sono stati stampati in 3D nella forma desiderata, gli oggetti sono ancora una volta sinterizzati in un forno (come nei processi di binder jetting). Questo è il tipo di approccio usato da Mini Metal Maker, probabilmente l’unica a prezzi accessibili disponibile sul mercato per quanto riguarda i metalli stampati in 3D.

MiniMetalMaker

E i filamenti?

Potrebbe sembrare che l’unico processo di stampa 3D per la plastica mancante nella stampa 3D a metallo sia la deposizione a filamento fuso ma ciò non è interamente vero. Sicuramente non potete realmente fondere filamenti metallici sul vostro desktop. I grandi produttori industriali di metallo, però, possono. E lo fanno. Ci sono due modi per procedere con “la deposizione del metallo” in 3D

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Uno è chiamato DED (Directed Energy Deposition) o Laser Cladding: usa un laser per sciogliere la polvere che è lentamente rilasciata e depositata da un braccio robotico industriale per formare gli strati di un oggetto. Questo è fatto generalmente dentro una camera chiusa, anche se il recente progetto MX3D ne ha sviluppato uno simile per stampare in 3D un ponte a grandezza naturale.

L’altro è chiamato EBAM (Electron Beam Additive Manufacturing), un tipo di processo di saldatura, dove un fascio di elettroni molto potente è usato per fondere un filo di titanio spesso 3 mm e il metallo fuso è modellato in strutture metalliche molto grandi. A meno che non lavoriate per il dipartimento della Difesa americano è improbabile che vi imbattiate in questa tecnologia, sviluppata da un’azienda che si chiama Sciaky.

cop2Quello che realmente potete fare se volete tentare di stampare in 3D a metallo in casa è rivolgervi a colorFabb, ProtoPasta o TreeD e provare i loro filamenti composti a base di PLA e polveri di metallo. Questi sono filamenti che contengono una percentuale significativa di polveri metalliche, come bronzo, ottone o ferro. Contengono anche plastica sufficiente per essere stampati a basse temperature con praticamente qualunque stampante 3D. Nello stesso tempo contengono abbastanza metallo per sembrare alla vista, al tatto e anche pesare come un oggetto metallico. I filamenti a base ferrosa in certe condizioni possono perfino arrugginirsi.

colorfabb

Visto che la nanotecnologia continua a permettere agli scienziati di sviluppare nuove nano-particelle di materiali metallici, vedremo un incredibile numero di nuove applicazioni, dall’ argento conduttivo stampato in 3D al metallo che può essere stampato a getto con un sistema molto simile a quello della stampante 2D grafica che avete a casa. Sarà possibile a breve anche mescolare materiali diversi, come plastiche e metalli, all’ interno dello stesso oggetto.

I PRINCIPALI MATERIALI METALLICI DISPONIBILI PER LA STAMPA 3D

Titanio

Il titanio puro (Ti64 o TiAl4V) è uno dei metalli più comunemente usati nella stampa 3D ed è certamente uno dei più versatile poiché è sia forte sia leggero. È usato sia nei processi a fusione su letto di polvere sia binder jetting, soprattutto nell’ industria medicale (per fare protesi personalizzate) e nelle industrie aerospaziali, automobilistiche e dell’utensileria (per produrre parti e prototipi). L’unico problema? È molto reattivo, il che significa che può esplodere facilmente quando è sotto forma di polvere. Per questo motivo ha bisogno di essere stampato in 3D nel vuoto o in un’ atmosfera con gas argon.

Acciaio inossidabile

L’acciaio inossidabile è uno dei metalli meno costosi nella stampa 3D. Allo stesso tempo è molto forte e può essere usato in una grande varietà di applicazioni industriali e anche artistiche/di design.

Acciaio Maranging

Questo tipo di lega di acciaio, che contiene anche cobalto e nickel è particolarmente difficile da rompere mentre allo stesso tempo ha proprietà di alta elasticità. È usato quasi esclusivamente per applicazioni industriali.

Inconel

Inconel è una super lega prodotta da un’azienda chiamata Special Metals Corporation, che ne ha registrato il nome. È composta fondamentalmente da nickel e cromo e ha una resistenza notevole alle alte temperature. Per questo è usata principalmente per applicazioni nelle industrie petrolifere, chimiche e aerospaziali (per le scatole nere degli aerei).

Alluminio

A causa della sua leggerezza e versatilità, l’alluminio è ora un materiale molto popolare nelle applicazioni di stampa 3D. È usato principalmente per diverse leghe a base di alluminio.

Cromo cobalto

Questa lega metallica ha una resistenza specifica molto alta (cioè la forza divisa la densità, che indica la forza necessaria per la rottura dell’unità di superficie). È comunemente usata soprattutto per produrre turbine, impianti dentali e ortopedici, tutte aree dove la stampa 3D sta diventando il metodo di manifattura preferito.

Rame e bronzo

Tranne alcune eccezioni, rame e bronzo sono usati soprattutto nei processi di fusione a cera persa e non molto nei processi di fusione a letto di polvere. Questo perché non sono ideali per applicazioni industriali e sono più comunemente usati in artigianato. Colorfabb offre entrambi i metalli come base per I suoi speciali filamenti metallici.

Ferro

Il ferro – anche quello magnetico – è anch’ esso stampato in 3D soprattutto come aggiunta a filamenti PLA, come quelli prodotti da ProtoPasta e TreeD.

Oro, argento e metalli preziosi

La maggior parte delle aziende a fusione di letto in polvere sono in grado di stampare in 3D metalli preziosi come oro, argento e platino. La sfida qui, oltre a mantenere le proprietà estetiche dei materiali, è quella di ottimizzare la gestione della polvere preziosa. I metalli preziosi sono stampati in 3D sia per applicazioni per la gioielleria sia per applicazioni medicali ed elettroniche.

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