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I laser AM non saranno più gli stessi

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3DM è una startup israeliana, fondata nel 2016 e quotata alla borsa di Tel Aviv dal 2021. La società è appena emersa dallo stealth ed è ora pronta per scalare offrendo qualcosa di veramente unico nell’SLS – o polimero L-PBF, a essere precisi – panorama globale: una tecnologia laser a cascata quantica (QCL) in grado di fornire una qualità di stampa di livello industriale, con qualsiasi materiale termoplastico, a un costo di stampa significativamente inferiore rispetto alle tecnologie esistenti.

Sebbene una qualità superiore e costi inferiori possano sembrare qualcosa che molte aziende promettono nella stampa 3D, il 3DM può sfruttare una conoscenza unica delle proprietà del laser per offrire la capacità di adattare il laser al materiale modificando la frequenza del laser per adattarsi esattamente a uno specifico le proprietà di fusione del materiale (ecco perché l’azienda preferisce chiamare questo processo “fusione” piuttosto che “sinterizzazione”) piuttosto che molti altri parametri, molto meno influenti. La tecnologia è stata sviluppata da Daniel Majer, fondatore di 3DM e CTO, che ha conseguito un dottorato di ricerca. laurea in fisica presso il Weizmann Institute of Science in Israele. Daniel ha un’esperienza quasi onnicomprensiva con i laser – sia nella progettazione e nello sviluppo di laser, sia nei processi di produzione – e ha guidato le aziende del settore negli ultimi 30 anni.

La tecnologia brevettata che consente all’azienda di fare questo si trova all’interno delle testine di stampa SLS all’avanguardia sviluppate internamente, che si basano su un approccio a raggio laser parallelo che accelera la velocità di stampa e la produttività, aumentando al contempo la risoluzione di stampa e la meccanica forza (principalmente sull’asse Z). Vedere il design elegante e futuristico delle testine di stampa 3DM aiuta a trasmettere che questi non sono solo nuovi laser, ma rappresentano un approccio completamente nuovo alla stampa 3D polimerica basata su laser e hanno il potenziale per plasmare l’industria AM per gli anni a venire.

Poiché tutte le tecnologie PBF polimeriche basate su laser devono affrontare una maggiore concorrenza da parte delle tecnologie PBF termiche ad alto rendimento, la capacità di utilizzare con competenza una selezione molto più ampia di materiali diventerà il punto di forza della vendita. Questo è ciò che 3DM può offrire, adattandosi alle esigenze di macchine di qualsiasi costo e grado.

All’origine del laser

I laser di 3DM sono fabbricati in FAB dedicati, su wafer, basati su processi di produzione di semiconduttori. Una volta che i laser sono stati creati, ognuno viene suddiviso in molti componenti laser, dopodiché ogni componente viene accuratamente controllato e testato e assemblato su un apparecchio di raffreddamento insieme a una lente di collimazione e un driver. Una volta assemblati, questi componenti formano un “modulo laser”.

Quattro diversi moduli laser vengono quindi assemblati in una custodia, insieme ad altri elementi ottici che combinano tutti i laser in un raggio di alta qualità e ad alta potenza, ovvero la testa del raggio che genera un punto laser di fusione sulla polvere.

In termini di scalabilità, è possibile aggregare molte teste di fascio per formare una testina di stampa che è potenzialmente delle dimensioni di qualsiasi area di scansione.

Ci sono altri elementi ottici nella testa del raggio per mettere a fuoco, scansionare e unificare tutti i raggi laser. Quattro di loro insieme sono posizionati sulla lastra con telecamere utilizzate per il meccanismo di cucitura. 3DM può controllare dove ogni laser e ogni raggio iniziano e finiscono, tramite un algoritmo appositamente progettato. “È un laser a semiconduttore ad alta potenza, piccolo ed economico”, spiega Ido. “Ora usiamo da uno a quattro laser, ma non sarebbe così inverosimile integrare fino a 8 laser QCL nella testa del raggio per renderlo ancora più forte.

“Ci sono molti altri vantaggi tecnici in questo approccio”, continua Ido. “[Questi includono] la lunghezza d’onda ottimale del nostro raggio, che è più corta, così come la dimensione dello spot, che è circa la metà delle dimensioni di un laser SLS tradizionale. Altre caratteristiche chiave della tecnologia 3DM includono l’efficienza di fusione, il fatto che fondiamo e non solo sinterizziamo, la scalabilità, le dimensioni ridotte della testa del fascio rispetto ai laser CO2 e l’impatto che ha sulla nostra capacità di controllare il calore applicato al letto di polvere, tra molti altri”, dice Ido a 3dpbm. Tutte queste caratteristiche si traducono in una migliore finitura superficiale e dettagli più elevati, nonché nella capacità di produrre parti isotropiche, il che significa che hanno proprietà meccaniche migliori rispetto alle parti standard del settore. Infine, mentre i laser QCL sono meno potenti, possono essere più efficienti dei laser CO2,

Adattare un QCL al materiale

I laser di 3DM non hanno limiti intrinseci su quanti materiali diversi possono stampare. Una volta identificata e calibrata la lunghezza d’onda ideale, il QCL stamperà qualsiasi cosa, dal nylon al PEEK. Semmai, le limitazioni sono spesso dovute al sistema utilizzato, piuttosto che alla sorgente laser. Ad esempio, alcuni sistemi potrebbero essere in grado di resistere solo a determinate temperature e il laser è quindi limitato alla capacità del sistema stesso.

La capacità di adattare la lunghezza d’onda del laser apre nuove opportunità per i materiali e, allo stesso tempo, rende il processo di stampa molto più facile da impostare. Nella stampa 3D SLS standard, gli utenti possono solo modificare i parametri meccanici relativi allo spessore del materiale o alla velocità di movimento del rullo. Altri parametri possono includere la temperatura della lampada IR e il tempo necessario per raggiungere tale temperatura e riscaldare il letto di polvere in modo uniforme e quanto è uniforme nell’intera area costruita, eccetera.

Solo allora entrano in gioco i parametri meccanici relativi al laser stesso. Ad esempio, la potenza del laser, la velocità con cui varia per ciascuna sezione e i diversi parametri per il contorno, comprese le dimensioni e la velocità.

“Possiamo ottenere il laser su progetto a qualsiasi lunghezza d’onda compresa tra quattro e 15 micron, che, come direbbe chiunque provenga dall’industria chimica, è ciò di cui hanno bisogno i termoplastici. Inoltre, quando si utilizzano i laser a CO2, si potrebbe dover compensare la mancanza di efficienza con una maggiore potenza del laser, oppure applicando il laser per un tempo più lungo – continua Ido – ma poi si ottengono artefatti meno accurati. Ido ci mostra i grafici che dimostrano l’assorbimento di energia ideale di tre diversi materiali: polipropilene, TPU e PA ognuno ha una curva di assorbimento diversa a cui i laser 3DM possono essere adattati”.

“Sulla base dei dati possiamo decidere se vogliamo puntare ai picchi o possiamo mirare alle aree che funzioneranno meglio su quel materiale, mentre la CO2 è limitata solo alla stessa lunghezza d’onda specifica, e significa che devi usare la stessa frequenza per ogni materiale”, sottolinea Ido. “Questa maggiore precisione ci consente di produrre parti più resistenti, più isotrope, con una risoluzione più elevata, a costi comparabili o migliori”.

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