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Produzione additiva e stampa ibrida secondo Eplus3D

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Sebbene i processi di produzione additiva e sottrattiva sembrino essere su un terreno completamente opposto, in effetti, man mano che queste tecnologie si sviluppano, i vantaggi della produzione ibrida stanno diventando sempre più evidenti. I sistemi di produzione ibridi, dotati contemporaneamente di tecnologia additiva e sottrattiva, potrebbero rappresentare un grande progresso tecnologico per l’industria. Queste due tecnologie possono essere viste come complementari e in grado di sfruttare i vantaggi di ciascuna.

Produzione ibrida

L’uso congiunto di tecnologie additive e sottrattive non è un concetto nuovo. Ad esempio, la post-elaborazione di parti metalliche realizzate con la stampa 3D spesso comporta la lavorazione CNC per conferire loro precisione meccanica e una migliore finitura superficiale. Tuttavia, esiste un altro modo per combinare questi due processi, ottenendo ciò che chiamiamo produzione ibrida.

La produzione ibrida consiste nell’unire una tecnologia additiva e una sottrattiva nella stessa macchina con l’obiettivo di sfruttare i vantaggi di ciascuna di queste tecnologie: la complessità geometrica dei processi additivi con l’elevata precisione dei processi sottrattivi. In questo modo è possibile ottenere un additivo e un pezzo lavorato in un unico passaggio, velocizzando l’intero processo produttivo. Naturalmente, la progettazione di una parte ibrida deve tenere conto dei requisiti di ciascuna di queste tecnologie.

Le applicazioni dei sistemi ibridi possono essere varie come la produzione di piccole serie di parti metalliche o la riparazione di parti danneggiate o usurate.

Deposizione di energia diretta

La deposizione diretta di energia (DED) è uno dei processi additivi che possono essere utilizzati nelle tecnologie ibride. Questo processo consiste nel fondere il materiale con un raggio laser o elettronico mentre viene depositato attraverso un ugello sulla piattaforma di costruzione. Il materiale depositato può quindi essere lavorato per ottenere una migliore finitura superficiale e una maggiore precisione meccanica. In alternativa, è anche possibile aggiungere materiale su una parte lavorata per aumentare la complessità geometrica della parte.

Un altro dei vantaggi del processo additivo DED deve essere il fatto che è possibile utilizzare un sistema a 5 assi nella testina di stampa, consentendo la stampa di aree geometricamente complesse senza la necessità di posizionare strutture di supporto.

Il DED è adatto alla produzione di parti di grandi dimensioni e alla riparazione di componenti meccanici, e queste due caratteristiche sono piuttosto vantaggiose quando confrontiamo questo processo con la fusione laser di polveri metalliche. La fusione di polvere metallica, invece, permette di ottenere pezzi con una migliore finitura e precisione dimensionale.

Stampa ibrida

È stato con l’obiettivo di realizzare una parte ibrida che abbiamo iniziato questo progetto, utilizzando una parte lavorata a CNC a cui abbiamo aggiunto un castello mediante il processo di fusione laser di polvere di metallo. Non possiamo chiamarla produzione ibrida, ma stampa ibrida, poiché abbiamo utilizzato due diverse attrezzature, una fresatrice CNC e la stampante 3D Eplus3D EP-M150, per realizzare questa parte.

Un altro aspetto che abbiamo voluto studiare con questo esperimento è stata la capacità di legame tra due acciai di diversa composizione chimica. Abbiamo utilizzato una struttura in acciaio 1.1730 per la parte lavorata a CNC e il castello ibrido è stato stampato con polvere metallica di acciaio inossidabile 1.4404 (316L).

Il progetto è iniziato con la modellazione 3D della parte e lo studio del suo attacco alla fetta di costruzione della stampante 3D. Abbiamo optato per una semplice geometria di un parallelepipedo con una scatola interna, a cui è stato aggiunto un castello additivo, ovvero una parte che avrebbe dovuto essere realizzata mediante la stampa 3D. All’interno, questo castello è formato da una serie di lame sottili di 1 mm di spessore che, pur essendo una semplice geometria, sarebbero molto difficili da eseguire in altro modo.

Un altro aspetto importante di questo studio è stato come serrare le parti ibride al wafer di costruzione. Da un lato la stampante non dispone di un sistema di raddrizzatura delle parti, come accade nelle macchine a controllo numerico e, dall’altro, sarebbe difficile aggiungere un sistema di raddrizzatura che non interferisca con la dinamica di funzionamento della stampante. Inoltre, il wafer di costruzione è fissato alla stampante tramite quattro viti, il che non ne garantisce le prestazioni.

Si è deciso di praticare diversi fori nel wafer pensando alle varie possibilità di fissaggio nelle future stampe ibride.

Il wafer di costruzione (e tutti i suoi fori) è simmetrico rispetto al suo asse centrale. Per evitare errori di posizionamento durante il suo serraggio sulla stampante, è stata aggiunta una freccia indicante la sua posizione rispetto al recoater, ovvero esso, rispetto al meccanismo mobile che trasporta la polvere metallica dal cilindro di alimentazione sulla fetta di costruzione.

Una volta terminata la stampa, è necessario rimuovere la polvere metallica che non è stata colata. Solo dopo aver rimosso questa polvere possiamo rimuovere il wafer di costruzione dalla stampante. La polvere non fusa viene setacciata e riutilizzata per la stampa futura. Dopo aver rimosso tutta la polvere metallica, il wafer da costruzione viene rimosso dalla macchina.

Conclusione

Il primo progetto di stampa ibrida ha avuto successo. Possiamo dire che il progetto ha avuto circa il 70% di preparazione e il 30% di esecuzione, essendo la fase di studio di fissaggio dei pezzi alla cialda di stampa che ci ha dato più lavoro da definire.

Sebbene il processo di fusione laser delle polveri metalliche non sia versatile come il processo DED, possiamo dimostrare che è possibile combinare con successo la fresatura CNC e la fusione laser delle polveri metalliche.

Tuttavia, è importante notare che abbiamo alcune limitazioni di cui tenere conto. I cofani ibridi devono crescere da un piano perfettamente orizzontale e rettificato per garantire che i cofani siano saldati alla loro base. Non sarebbe possibile effettuare questo esperimento se il piano di stampa fosse una superficie con un certo profilo tridimensionale.

È inoltre fondamentale assicurarsi che non vi siano parti al di sopra del piano di stampa in modo che non interferiscano con il movimento del recoater. In altre parole, se vogliamo stampare in modo ibrido un pezzo con geometria più complessa, dobbiamo pensare a come garantire la connessione tra le parti senza interferire con la dinamica della stampante.

È stato anche possibile dimostrare che è possibile ottenere un’impronta ibrida utilizzando metalli simili, ma con composizioni chimiche diverse. 

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Andrea Gambini

Mi piace leggere e scrivere da sempre. Ho iniziato a lavorare in redazione come giornalista sportivo nel 2008, poi la passione per il giornalismo e per il mondo della comunicazione in generale, mi ha permesso di ampliare notevolmente i miei interessi, arrivando negli anni a collaborare con le più svariate testate giornalistiche online. Mi sono poi avvicinato alla stampa 3D, colpito dalle grandissime potenzialità di questa nuova tecnologia, che giorno dopo giorno mi hanno spinto a informarmi sempre più su quella che considero una vera rivoluzione che si farà presto sentire in tantissimi campi della nostra vita quotidiana.

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