Come funziona la stampa 3D a metallo?

Come funziona la stampa 3D a metallo?

La stampa 3D a metallo consente ai produttori industriali di risparmiare sui costi, aprendo al contempo nuove possibilità di progettazione.  
Tra i materiali per la stampa 3D vi sono le plastiche, le ceramiche e i compositi. Tuttavia, la stampa 3D a metallo o la manifattura additiva a metallo (metal AM) è quella che forse vanta le più grandi promesse per gli ingegneri dei settori ad alto valore aggiunto come l’aerospaziale, l’automotive, l’energia e la produzione industriale.

A differenza delle stampanti 3D per materiali termoplastici o resine, i sistemi di manifattura additiva a metallo sono spesso di grandi dimensioni, costosi e utilizzati esclusivamente in ambienti industriali a causa dei rigorosi requisiti di gestione dei materiali, operativi e di post-processo. Tuttavia, questi sistemi sono in grado di produrre parti geometricamente complesse e ad alta resistenza usando materiali quali titanio, acciaio, alluminio e superleghe.

In questo articolo viene illustrato il funzionamento della stampa 3D a metallo, approfondendo le quattro principali tecnologie, oltre alle applicazioni industriali chiave, ai vantaggi e ai limiti e alle tendenze future.

Panoramica delle tecnologie di stampa 3D a metallo

Sono diverse le modalità con cui i metalli possono essere stampati in 3D. Tutti i processi di stampa dei metalli sono considerati tecnologie di manifattura industriale, anche se l’estrusione dei materiali è la tecnologia più simile alla stampa 3D della plastica e quindi la più accessibile per le PMI e gli utenti di profilo non industriale.  

1. Fusione a letto di polvere

La fusione a letto di polvere (PBF) è la tecnologia di stampa 3D a metallo più comune e più consolidata: la prima stampante PBF commerciale (la EOS EOSINT M160) infatti, è stata lanciata nel 1994.Tale tecnologia può essere suddivisa in due distinte sottocategorie.

a. Fusione laser a letto di polvere

La fusione laser a letto di polvere (Laser PBF) include varie tecnologie di stampa 3D a metallo, come la sinterizzazione laser diretta di metalli e la fusione laser selettiva note principalmente con gli acronimi DMLS e SLM. Tra i fornitori di sistemi DMLS figura il leader di mercato EOS mentre la Nikon SLM Solutions usa il termine SLM. Si tratta però di processi sostanzialmente identici.

Durante il processo laser PBF, un laser ad alta precisione fonde particelle di polvere metallica su un letto di polvere, passando da un layer 2D al successivo per formare un pezzo 3D completo. Il processo può essere utilizzato per creare pezzi di piccole e medie dimensioni con un’alta densità di materiale e un’elevata complessità geometrica.

I vantaggi di questa tecnologia sono la resistenza, la densità e la complessità dei pezzi, nonché l’ampia compatibilità dei materiali. Tra le limitazioni vi sono, tuttavia, i costi elevati e i requisiti di post-processing, come la rimozione del pezzo dal piano di lavoro e delle strutture di supporto mediante una sega a nastro, che può generare imperfezioni superficiali.

b. Fusione a fascio di elettroni

La fusione a fascio di elettroni (EBM) impiega appunto un fascio di elettroni, anziché un laser, per fondere le particelle metalliche, rendendo il processo più rapido ma anche meno preciso. Per il resto, condivide caratteristiche e vantaggi con la PBF laser. Colibrium Additive (ex GE Additive) è al momento il principale fornitore di sistemi EBM. Questi ultimi, in precedenza, facevano capo al marchio Arcam, ora in pensione.

2. Deposizione diretta di energia

Come la laser PBF, la Deposizione Diretta di Energia (DED) si avvale di un laser per realizzare parti metalliche. In questo caso, però, il processo soffia polvere metallica (o deposita fili metallici) da una testina di stampa, su cui è montato anche il laser, invece di fondere le particelle su un letto di polvere. Il laser viene puntato su un punto da un sistema di lenti, creando un bacino di fusione in cui viene depositata la polvere. In generale, le proprietà dei materiali delle parti stampate sono simili a quelle della PBF.

Un vantaggio della DED rispetto alla PBF risiede nel fatto che la stampa 3D può avvenire su un substrato esistente. Può quindi essere utilizzata per la riparazione di parti metalliche, fuse o lavorate. Alcuni sistemi DED hanno una configurazione multiasse per consentire alla testina di stampa di accedere a diverse aree del substrato. Un altro vantaggio è rappresentato dalla maggiore produttività e dalle dimensioni dei pezzi: alcune macchine (tra cui quelle di Sciaky e DMG Mori, per esempio) offrono volumi di costruzione molto grandi. Altri noti produttori di sistemi DED sono Trumpf e AddUp. Un altro processo che appartiene alla famiglia DED è la Wire Arc Additive Manufacturing, che utilizza un filo metallico fuso da un arco elettrico, riducendo ulteriormente i costi.

3. Binder Jetting

Il binder jetting è una tipologia di stampa 3D a metallo che prevede l’utilizzo di un agente legante, anziché di una fonte di calore, per la formazione di parti metalliche. Questa tecnica è stata introdotta da aziende come ExOne, Desktop Metal (che oggi si sono fuse in un’unica azienda) e HP (Metal Jet). Il sistema binder jetting stende un layer di polvere sul letto di stampa, quindi deposita selettivamente il legante sulla polvere da una testina di stampa, unendo le particelle di metallo. Il processo di stampa è rapido e consente di stampare simultaneamente molti pezzi.

Attraverso il binder jetting si ottengono pezzi grezzi che vengono poi sottoposti a una fase di debinding e sinterizzazione in forno al fine di rimuovere il materiale adesivo e ridurre la porosità del metallo. Questo comporta un prolungamento del tempo totale del processo e in genere si ottengono pezzi con una densità inferiore rispetto a quelli realizzati con le tecniche sopra descritte. Al contempo, i pezzi prodotti mediante binder jetting non richiedono supporti durante il processo di stampa.

4. Estrusione di materiale

Come il binder jetting, l’estrusione di materiale metallico utilizza un legante per la formazione di polveri metalliche. In questo caso, però, il legante e la polvere di metallo vengono combinati in un filamento di tipo FFF prima della lavorazione. Una testina di stampa controllata da un computer estrude il filamento sul letto di stampa layer per layer, dando origine alla parte 3D grezza. Le fasi di post-processing comprendono poi il lavaggio e la sinterizzazione per rimuovere il legante polimerico e creare una parte completamente metallica.

Un vantaggio fondamentale dell’estrusione metallica è la gestione del materiale. I filamenti utilizzati sono più sicuri da conservare e trasportare rispetto alle polveri sfuse, il che può portare a una riduzione dei costi strutturali e di manodopera. Le macchine proposte da aziende dirompenti come Desktop Metal e Markforged hanno anche un prezzo inferiore a quello delle macchine a polvere.

5. Altre

Il getto di materiale, una delle principali tecnologie di stampa 3D per materiali plastici, viene raramente utilizzato per la stampa di metalli. Tuttavia, la tecnologia Nano Particle Jetting di XJet impiega un processo di getto di materiale simile per realizzare parti in metallo, in grado di supportare due tipi di acciaio inossidabile.

Altre tecnologie di nicchia per la stampa 3D a metallo includono processi ad alta velocità come il consolidamento cinetico (o spruzzo a freddo), il consolidamento a ultrasuoni e il friction consolidation (consolidamento per attrito).

Applicazioni industriali della stampa 3D a metallo

La stampa 3D a metallo viene impiegata nella produzione di parti finali per applicazioni industriali, spesso in piccoli lotti di produzione. Nella tabella sottostante sono descritte alcune applicazioni chiave.

Vantaggi della stampa 3D a metallo per la manifattura industriale

In confronto ai processi tradizionali di produzione in metallo, come la fusione, la lavorazione e la forgiatura, la stampa 3D a metallo comporta numerosi vantaggi. Tra questi:

• Tempi di realizzazione: la stampa 3D a metallo non richiede l’uso di tooling. Le parti possono essere stampate immediatamente a partire da un progetto digitale, consentendo tempi brevi per i prototipi e la produzione di piccoli lotti.

• Libertà geometrica: i processi additivi rendono possibile la realizzazione di parti complesse con poche limitazioni geometriche. Il processo non è ostacolato da fattori quali l’accesso all’utensile da taglio o lo spessore della parete della cavità dello stampo.

• Agilità della supply chain: le parti con più componenti provenienti da fornitori diversi possono essere consolidate in parti più semplici, con conseguente semplificazione della supply chain.

• Economicità dei piccoli lotti: grazie all’assenza di tooling, è possibile stampare prototipi unici, pezzi personalizzati e piccoli lotti con un costo per pezzo simile a quello dei grandi lotti.

• Riparazione dei pezzi: tecnologie specifiche come la DED, in grado di stampare su substrati, possono essere impiegate nella riparazione rapida di componenti metallici già esistenti.

Sfide e limiti

La stampa 3D a metallo presenta alcune sfide e limiti:

• Post-processing: tutte le parti stampate a metallo richiedono in genere un trattamento termico e alcune prevedono processi più lunghi come la rimozione dei supporti, il debinding e il lavaggio.

• Conformità: le autorità di regolamentazione industriale possono tardare a riconoscere le tecnologie e i materiali emergenti.

• Produzione di massa: l’aumento dei volumi di produzione, delle velocità di processo e dell’automazione (stazioni di identificazione e smistamento dei pezzi, per esempio) ha portato la stampa 3D a metallo su una traiettoria ascendente verso la produzione di massa, ma la tecnologia è ancora in ritardo rispetto ad alcuni processi tradizionali.  

Ultimi progressi e future tendenze nella stampa 3D a metallo

Le tecnologie di stampa 3D a metallo continuano ad evolversi. Una delle maggiori aree di interesse in questo ambito è lo sviluppo di soluzioni di post-processing in grado di agevolare la produzione in scala di pezzi senza soluzione di continuità. Si tratta di sviluppi in linea con le tendenze dell’Industria 4.0 e con la digitalizzazione generale della produzione.

Le soluzioni automatizzate e integrate per la gestione dei materiali, la rimozione dei supporti, il debinding e la sinterizzazione, l’identificazione e lo smistamento dei pezzi e il controllo qualità sono tanto importanti per il progresso della stampa 3D a metallo quanto lo è la tecnologia di produzione stessa, dal momento che garantiscono cicli di produzione più rapidi ed economici.

Inoltre, la scienza dei materiali guida alcune delle tendenze attuali e future della stampa 3D a metallo. Negli ultimi anni ad esempio, le capacità di stampa 3D del rame sono state incrementate praticamente in tutte le categorie tecnologiche, consentendo la produzione di parti di alto valore come gli scambiatori di calore. Anche lo sviluppo di nuove superleghe e di metalli refrattari stampabili rappresenta un’opportunità interessante per il settore.

Un’altra tendenza emergente nella stampa 3D a metallo è la maggiore accessibilità per gli utenti non industriali. Pionieri come Desktop Metal e Markforged hanno sviluppato stampanti 3D a metallo di alta qualità che non richiedono una gestione estesa dei materiali o considerazioni legate al controllo ambientale. Anche i costi delle macchine sono relativamente bassi.  

Conclusioni

La maggior parte delle tipologie di stampa 3D a metallo si basa sulla sinterizzazione o sul legame di particelle di polvere metallica per formare un layer 2D, procedendo poi alla formazione di layer successivi che vengono a loro volta sinterizzati o legati a ciascun layer precedente. Le fasi di post-processing, come il trattamento termico, vengono quindi applicate per finalizzare il pezzo e conferirgli le proprietà desiderate.

La stampa 3D a metallo costituisce un’importante opportunità in termini di creazione di valore per gli utenti industriali, in quanto può abbreviare significativamente i tempi di ciclo, ridurre la complessità della supply chain e migliorare le prestazioni dei pezzi.