STAMPA 3D IN METALLO
Additive manufacturing: stampa 3d in metallo
Cor.Sa 3D è una divisione di Slayer Blades, azienda leader nella produzione di lame per affettatrici e affettatori industriali,specializzata in additive manufacturing, si avvale oggi dell’innovativo sistema di stampa 3D in metallo grazie all’introduzione nel suo parco macchine di X1 25PRO, l’ultima innovativa stampante Binder Jetting 3D di ExOne, e di Innovent+.
Entrambi i macchinari sono stati appositamente studiati e progettati per la produzione additiva di metalli. La nuova X1 25PRO combina la capacità della polvere di stampaggio a iniezione di metalli fini (MIM) con la capacità di volume di produzione, rispondendo alle più recenti esigenze del settore metallurgico. Al contrario Innovent+, realizzando per volume una minore quantità di semilavorati e parti meccaniche, è il macchinario giusto per le attività di R&D, in particolar modo per la creazione di prodotti nuovi e l’analisi dei processi di produzione.
Tra i vantaggi principali del servizio di stampa 3D metallo la possibilità di produrre parti complesse riducendo costi e tempi di produzione.
Come funzionano i processi di additive manufacturing in metallo?
La stampa 3D con materiali metallici sfrutta la tecnologia Binder Jetting. Si tratta di un metodo di stampa 3D mediante il quale una testa a getto d’inchiostro, simile a quella utilizzata nelle comuni stampanti ink-jet, deposita minuscole gocce di un agente legante, detto binder, su un sottile strato di particelle in polvere di metallo. Partendo da un file di progettazione in formato CAD, tale processo viene ripetuto strato dopo strato fino alla realizzazione dell’oggetto finale. A completare la parte complessa un trattamento termico che conferisce le proprietà meccaniche tipiche dei prodotti sinterizzati. L’oggetto subisce infatti un processo di sinterizzazione finale in un forno ad alta temperatura, dove le particelle di metallo si fondono insieme. Si ottengono così pezzi meccanici sagomati, semplici e complessi, con un elevato grado di precisione.
La stampa Binder Jetting nel dettaglio
Il Binder Jetting è un metodo di stampa 3D, in cui una testina di stampa a getto deposita rapidamente un agente legante su un sottile strato di particelle in polvere, metallo, sabbia, ceramica o compositi. Questo processo viene ripetuto, strato per strato, utilizzando una mappa fornita da un file di progettazione in formato CAD, fino al completamento dell’oggetto.
Per i metalli, questo processo crea un pezzo dalla caratteristica tonalità “verde”, che viene poi polimerizzato o essiccato in un forno. Il pezzo viene quindi “depolverato” o rimosso dal letto di polvere e pulito prima della sinterizzazione finale in un forno ad alta temperatura, dove le particelle si fondono insieme.
Binder Jetting vs la fusione a letto di polvere: quali i vantaggi
La stampa 3D Binder Jetting sta ottenendo rinnovata attenzione per la sua capacità di stampare 3D il metallo a velocità di produzione, soprattutto quando si tratta di fornire unità precise e dense per applicazioni di alto valore. In particolare la stampa 3D Binder Jetting presenta dei vantaggi rispetto agli alternativi processi di fusione a letto di polvere, come la fusione laser selettiva (SLM), la sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) e la fusione a fascio di elettroni (EBM). Entrambe le tecnologie costruiscono il pezzo uno strato alla volta, ma nelle tecnologie di fusione a letto di polvere (PBF), l’energia termica viene utilizzata per fondere le particelle di polvere metallica in un letto, mentre nel Binder Jetting un agente legante liquido viene depositato selettivamente da una testina di stampa industriale in particelle di polvere in un letto.
Considerazioni termiche
La tecnologia PBF (SLM o DMLS) o EBM si basa sull’utilizzo di un laser, la parte stampata subisce un rapido riscaldamento e raffreddamento, causando agli oggetti stampati un forte stress termico. Il Binder jetting è l’unico processo in cui la formazione o la sagomatura del pezzo viene eseguita a una temperatura bassa e costante e solo dopo la sinterizzazione diventa un prodotto finale con proprietà meccaniche isotropiche. Questa differenza è sostanziale perché ha importanti conseguenze per la microstruttura del pezzo finale ed è fondamentale per fornire funzionalità e prestazioni affidabili, ma influisce anche su altri passaggi durante l’intero processo end-to-end.
Preparazione e supporto dei file
Per i metodi PBF sono necessari supporti per costruire alcune caratteristiche dei pezzi che non sono ancora solidificati. Questi supporti sono fissati a una piastra di costruzione e alla fine devono essere rimossi. Il Binder Jetting invece non richiede la progettazione di supporti per il processo di stampa 3D, poiché la costruzione è supportata da polvere non legata durante la costruzione a bassa temperatura. Tuttavia, analogamente alle parti prodotte utilizzando lo stampaggio a iniezione di metalli (MIM), i pezzi prodotti con la stampa Binder Jetting possono richiedere la progettazione e l’uso di supporti ceramici nel forno di sinterizzazione, che possono essere facilmente rimossi.
Considerazioni sulla velocità
Ci sono diversi modi per valutare la velocità: tempo per stampare in 3D un singolo strato, tempo per stampare in 3D uno o più pezzi completi e il tempo totale dall’inizio alla fine dell’intero processo. Le fasi di configurazione e post-stampa hanno il loro peso in termini di tempo e complessità, non solo il tempo di stampa, e si deve anche considerare il numero e il volume dei pezzi in costruzione.
Il Binder Jetting è considerata la strategia di stampa più veloce, EBM può, a volte, sovraperformare il Binder Jetting per la stampa di una singola unità quando si considerano le altre fasi necessarie del processo di Binder Jetting come la polimerizzazione e la sinterizzazione. Tuttavia, i metodi PBF basati su laser sono spesso i più lenti se si considera il tempo totale di processo end-to-end.
Più pezzi devono essere prodotti, più vantaggiosa diventa la tecnologia Binder Jetting, perché nei processi PBF e EBM basati su laser devono disegnare lo strato di ogni pezzo singolarmente con un unico punto, mentre il Binder Jetting esegue lo stesso numero di passaggi per elaborare più pezzi in un unico letto.
Nonostante alcuni sistemi di stampa 3D laser abbiano aumentato il numero dei laser che lavorano contemporaneamente, la velocità di costruzione è ancora significativamente più lenta del Binder Jetting e non è noto se l’uso di più laser possa causare più stress termico. Nel Binder Jetting il tempo di stampa dipende da quante unità possono stare nel volume di costruzione della stampante, in ogni caso il tempo aggiuntivo potrebbe essere al massimo del 5-10% in più rispetto al tempo necessario per costruirne una singola unità.
Fasi di elaborazione necessarie
I processi di Binder Jetting, così come quelli PBF, hanno fasi di elaborazione e attività necessarie da eseguire prima, durante e dopo il completamento della stampa 3D. Tutti questi passaggi variano in termini di tempo richiesto, complessità e requisiti di abilità dell’operatore.
Per il Binder Jetting, la depolverazione di un letto, la polimerizzazione e la sinterizzazione sono tutti elementi fondamentali del processo. Il ripristino della macchina richiede meno di un’ora. Sia il PBF che l’EBM basati su laser, invece, richiedono una preparazione della macchina, compresa la pulizia e la sostituzione dei componenti, che richiede circa 2-3 ore. Dopo la stampa, la fusione laser richiede inoltre che il pezzo venga sottoposto a distensione per diverse ore a 400-800 ° C per alleviare i problemi termici causati dal rapido riscaldamento e raffreddamento durante la stampa. La rimozione dei supporti è necessaria per entrambi i metodi anche se nel processo Binder Jetting non sono necessari durante la stampa 3D, ma solo in alcuni casi durante il processo di sinterizzazione e sono comunque facilmente rimovibili.
Microstruttura della parte finale
Nell’esaminare la microstruttura della parte finale, la ricerca condotta da ExOne mostra che sia EBM e SLM producono strutture a grani colonnari con grani relativamente grandi, mentre il processo di Binder Jetting genera una struttura a grani equiassici fini. La dimensione e la forma della granulometria finale è un fattore essenziale per determinare le proprietà meccaniche finali del componente. La microstruttura uniforme che il Binder Jetting produce si traduce in proprietà meccaniche isotropiche e una buona durata a fatica.
X1 25PRO di ExOne per la stampa 3D in metallo
Cor.Sa 3D utilizza X1 25PRO di ExOne per la produzione additiva di semilavorati di alta qualità o prodotti finiti. Si tratta di una macchina per la produzione additiva che permette la realizzazione di grandi particolari o piccoli lotti riducendo costi e tempi di produzione.
La risoluzione di stampa si basa sull’utilizzo di una testina da 10 picolitri e uno strato da 30 μm. Si ottengono così particolari meccanici che possono variare a seconda del sistema di configurazione e dei materiali utilizzati. X1 25PRO di ExOne consente la più ampia e diversificata gamma di materiali per la stampa in metallo: in particola Cor.Sa 3D è specializzata nei materiali 316L, 17-4PH.
Caratteristiche Tecniche di X1 25PRO di ExOne:
Stampa metallo, ceramica e altri materiali in polvere
Consente la stampa di polveri MIM grazie alla speciale tecnologia di erogazione ad ultrasuoni brevettata
Migliora la densità delle parti grazie all’esclusivo sistema di spandimento e compattazione della polvere
Innovent+ di ExOne
Cor.Sa 3D utilizza Innovent+ di ExOne per la produzione additiva di parti funzionali in metallo, ceramica e materiali compositi. Facile da usare Innovent+ utilizza una nuova tecnologia brevettata di erogazione, spargimento e compattazione delle polveri: fondamentale per ottenere una qualità costante nella realizzazione di semilavorati o prodotti finiti.
Caratteristiche Innovent+ di ExOne:
- Opzioni EH&S per una migliore pulizia
- Erogazione di polvere di precisione
- Velocità di stampa migliorata
- Erogazione della polvere ad ultrasuoni con cambio semplificato
- Compatibilità con una varietà di materiali, inclusi metallo, ceramica e compositi
- Testina di stampa in varie dimensioni tra cui: 80, 30 o 10 picolitri
Campi di applicazione per la stampa 3D in metallo
La stampa 3D in metallo combina la flessibilità del design offerta dalla stampa in 3D con le proprietà meccaniche del metallo. Utilizzata in diversi campi di applicazione, la stampa 3D in metallo permette ad esempio la realizzazione di parti funzionali e strutture leggere per il settore aerospaziale, la realizzazione di protesi e parti ortodontiche per il settore medicale e la creazione di inserti per attrezzi dotati di canali di raffreddamento per il settore industriale. Alla base tutti i settori che necessitano la realizzazione di parti complesse in metallo possono sfruttare i vantaggi offerti dalla stampa 3D in metallo.
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