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21/09/2016

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di Giancarlo Magnaghi

Metalli per la Stampa 3d

Molti sono i settori interessati in un contesto in cui la stampa 3D è uno strumento ideale per realizzare prototipi e nuovi oggetti più efficienti e performanti, spesso utilizzati per applicazioni di punta.

Mentre nel campo della prototipazione i materiali di gran lunga più utilizzati sono le materie plastiche, nella produzione di prodotti finiti tramite produzione additiva i metalli avranno un peso rilevante, poiché il metallo stampato in 3D ha una qualità pari o migliore di quello prodotto con i metodi tradizionali. In generale, la stampa 3D è uno strumento ideale per realizzare prototipi e nuovi oggetti più efficienti e performanti, spesso utilizzati per applicazioni di punta, e i più grandi produttori di software, come Autodesk, SolidWorks e solidThinking, stanno lavorando per permettere ai progettisti di sfruttare al meglio la libertà geometrica dei processi di stampa 3D diretta a metallo. Alcuni settori industriali usano già la stampa 3D a metallo, soprattutto per piccoli pezzi meccanici, come gli ingranaggi. Nell’industria aerospaziale vengono già prodotti alcuni componenti dei motori (come le palette e gli ugelli dei turboreattori), degli aerei e dei missili, mentre la NASA sta investendo molto nella stampa 3D dei metalli. Auto e moto da competizione utilizzano la stampa 3D per vari componenti dei motori e delle carrozzerie. I settori medicale e dentale realizzano protesi e impianti, mentre i gioiellieri utilizzano la stampa 3D sia per preparare i modelli sacrificali per la fusione a cera persa che per la stampa diretta dei gioielli.


Tecnologie di produzione
Esistono varie tecnologie di produzione additiva di metalli. Ecco le principali: Fusione/sinterizzazione di polveri metalliche. DMLS (Direct Metal Laser Sintering) SLM (Selective Laser Melting) e EBM (Electron Beam Melting) sono le tecnologie più diffuse. Si basano sulla fusione di polveri metalliche tramite laser o fasci di elettroni e sono proposte da una decina di produttori. Sisma è l’unico produttore italiano di stampanti per metalli. Anche molti centri servizi e servizi online come Shapeways e iMaterialise e Ponoko sono in grado di offrire parti stampate in 3D a metallo diretto. Metal binding (Metal binder jetting). É un processo bi-componente che usa un letto di polvere metallica e un legante (binder), e forma gli strati sono incollando le particelle metalliche. L’oggetto finito, poroso e piuttosto fragile, viene poi trattato in un forno ad alta temperatura che fonde insieme le parti metalliche. Viene sfruttato prevalentemente per realizzare pezzi di notevoli dimensioni. I principali produttori sono ExOne e Digital Metals. FFF con filamenti plastici ‘caricati con metalli’. Esistono in commercio filamenti in PLA e altre materie plastiche caricati con alte percentuali di polveri metalliche, come argento, bronzo, ottone e rame, che possono essere stampati con qualunque stampante a filamenti. La startup Virtual Foundry produce il filamento Filamet che permette a qualsiasi stampante FFF di stampare metallo puro. Metal Clay. In questa tecnologia, una stampante 3D a estrusione pneumatica dotata di siringa utilizza una pasta costituita da polvere metallica e leganti organici (Metal Clay) per formare gli oggetti, che poi sono cotti in un forno per sinterizzarli, come nel binder jetting. La startup Mini Metal Maker offre una stampante di questo tipo per meno di 2.000 dollari. DED (Directed Energy Deposition). Questo processo, utilizzato nell’industria dei macchinari, si basa su due tipi di materiale diversi: filo metallico e polvere metallica. Nel processo a polveri, un ugello si muove su 4 o 5 assi tramite un braccio robotico ed estrude gli strati di materiale metallico. Una volta costruita la struttura, un fascio laser fonde i livelli per creare un unico pezzo. EBAM (Electron Beam Additive Manufacturing). Utilizzato da Sciaky è una saldatura ad alta precisione, dove un fascio di elettroni molto potente è usato per fondere un filo di metallo fuso, utilizzato per riparare grandi componenti metallici (come le giranti delle turbine a gas) o per modellare strutture metalliche anche di grandi dimensioni.

Il futuro
Toshiba ha annunciato una stampante con la tecnologia proprietaria LMD (Laser Metal Deposition), disponibile dal 2017, che utilizza polveri metalliche come l’acciaio inossidabile, e sarà 10 volte più veloce rispetto alle attuali stampanti per metalli. Utilizzando le nanotecnologie, gli scienziati continuano a sviluppare nuove nano-particelle di materiali metallici: dall’argento conduttivo stampabile in 3D al getto di ‘inchiostro metallico’ contenente nano-particelle di metallo della stampante 3D a metallo NPJ (NanoParticle Jetting) sviluppata dalla società israeliana XJet. Molti sviluppatori stanno lavorando su progetti open source per creare stampanti 3D per metalli a basso costo. La startup giapponese Foto Electron Anima, ha messo a punto un dispositivo basato su un semiconduttore al nitruro di gallio, molto più piccolo ed economico dei dispositivi esistenti, che genera un fascio di elettroni di nuova generazione e può essere facilmente incorporato nelle stampanti 3D.

Metalli per la stampa 3D
Con le stampanti 3D si possono utilizzare vari materiali metallici. Titanio. Forte e leggero, è usato nei processi a fusione su letto di polvere e nel binder jetting, soprattutto nell’industria medicale (per le protesi) e nelle industrie aerospaziali, automobilistiche e dell’utensileria (per produrre parti e prototipi). Acciaio Inox. Utilizzato nelle applicazioni industriali, artistiche e di design. Acciaio Maranging. Lega di acciaio, cobalto e nickel usata per applicazioni industriali. Inconel. Super lega composta da nickel e cromo con una notevole resistenza alle alte temperature, prodotta da Special Metals Corporation. Alluminio. Grazie alla sua leggerezza e versatilità è un materiale molto popolare nelle applicazioni aerospaziali e automobilistiche. Cromo Cobalto. Lega metallica con resistenza specifica molto alta, usata soprattutto per produrre turbine, impianti dentali e ortopedici. Rame e bronzo. Usati nei processi di fusione a cera persa e come base per i filamenti plastici caricati in metallo. Ferro. Utilizzato soprattutto come aggiunta a filamenti plastici. Oro, argento, platino e altri metalli preziosi. Utilizzati nelle stampanti a letto di polvere sia per la gioielleria sia per applicazioni medicali ed elettroniche.

Applicazioni nell’industria italiana
Sul territorio nazionale esistono eccellenze a livello mondiale. In campo aerospaziale Avio Aero (acquisita da GE), è stata la prima fabbrica additiva al mondo dedicata a un particolare tipo di produzione. Nello stabilimento di Cameri sono presenti solo stampanti 3D a metallo, oltre a un impianto per la produzione delle polveri metalliche. Utilizzano la fusione a fascio di elettroni (EBM) e la fusione laser selettiva (SLM), per realizzare i componenti per i nuovi motori a reazione GE. Le stesse tecnologie a base di titanio vengono applicate in campo medicale da Lima Corporate, con sedi in Friuli e in Sicilia, per realizzare protesi per ginocchia, bacino, cranio e maxillo facciale. Lima ha inventato la struttura ‘trabecolare’, che oggi viene usata in tutto il mondo della stampa 3D e non solo in campo medicale, che replica quella dell’osso trabecolare e permette di creare oggetti ottimizzati, più leggeri fino al 90% di quelli prodotti con tecniche tradizionali. Aziende come Fca, Ferrari, Lamborghini e Ducati producono da anni i prototipi, e iniziano oggi a produrre alcuni componenti delle loro auto mediante processi di stampa 3D a metallo. Nel mondo del gioiello, la stampa 3D sta diventando il metodo più diffuso per la produzione seriale di prodotti personalizzati o ‘masscustomized’.

 

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