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27/08/2018

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di Giancarlo Magnaghi

Le nuove tecnologie low-cost per la stampa 3D dei metalli

Disponibile anche in Italia presso il distributore CFM Marelli la nuova Metal X realizzata da Markforged.

La linea di test delle Metal X presso il costruttore Markforged

La produzione additiva di oggetti metallici può creare parti più leggere, più resistenti e forme complesse che non sono possibili con i metodi convenzionali di fabbricazione dei metalli e può anche fornire un controllo più preciso della microstruttura dei metalli, consentendo di creare parti in acciaio anche due volte più robuste di quelle prodotte in maniera tradizionale. Il mercato delle stampanti 3D per metalli è in rapidissima ascesa e gli analisti prevedono che entro il 2020 dovrebbe superare il miliardo di dollari. È stato finora dominato da grandi aziende come GE (che ha assorbito Arcam e Concept Laser), 3D Systems, Eos e SLM, che producono macchine industriali in cui gli oggetti vengono ottenuti sinterizzando o fondendo polveri di metallo tramite laser ad alta potenza (DMLS, SLM) o da getti di elettroni (EBM). Le macchine tradizionali sono notevolmente costose e difficili da gestire a causa della gestione delle polveri e dei gas utilizzati nella produzione. Un altro problema è dovuto ai supporti: infatti, mentre nella sinterizzazione di materie plastiche la polvere stessa non sinterizzata funge da supporto, nella sinterizzazione dei metalli gli stress termici sono molto maggiori, a causa delle temperature più elevate in gioco, e quindi per evitare cedimenti nella parte in costruzione è necessario realizzare appositi supporti. La rimozione dei supporti metallici a fine processo è un’operazione critica e delicata, con il rischio di danneggiare il prodotto finito. Inoltre, quando il pezzo esce dalla stampante, deve subire una fase di stabilizzazione termica e poi di pulizia e finitura.

Nuovi processi produttivi in campo
Per tutte queste ragioni, tipicamente i prezzi delle macchine tradizionali variano tipicamente da mezzo milione a oltre un milione di euro, e il costo del prodotto finito è 10 volte superiore al costo del materiale impiegato. Di conseguenza, nonostante il grande interesse di tutta l’industria, finora la diffusione delle stampanti 3D per metalli è stata limitata a grandi centri servizi, centri di ricerca e grandi aziende nel campo aerospaziale, medicale/dentale, orafo e meccanico/automobilistico. Però negli ultimi mesi qualcosa si sta muovendo, grazie all’introduzione di nuovi processi produttivi che consentono di abbassare drasticamente i costi delle macchine. Una protagonista di questa nuova generazione di macchine è la startup bostoniana Markforged, fondata nel 2013 da Greg Mark del MIT con lo scopo di innovare, accelerare e rendere più economici i processi produttivi industriali. La società ha consegnato nel 2014 la prima stampante 3D in grado di stampare carbonio e materiali compositi e nel gennaio 2017 ha presentato al CES di quell’anno i suoi sistemi per metallo Metal X e, dopo 12 mesi messa a punto, ha spedito il primo lotto ai clienti di tutto il mondo, compresa l’Italia. È così che la prima Metal X funzionante in Italia è stata dimostrata dal distributore CMF Marelli poco tempo fa.

Metal X utilizza la tecnologia di Adam (Atomic Diffusion Additive Manufacturing), brevettata da Markforged, che si basa sul processo di produzione metallurgica MIM (Metal Injection Molding), utilizzato da 40 anni per produrre con basso costo e con notevole qualità componenti con geometrie complesse, per esempio i gusci dei telefoni cellulari. MIM utilizza polveri di metalli mescolate a leganti polimeri (binder) per formare un unico impasto chiamato feedstock, che viene iniettato in uno stampo per ottenere la forma voluta e successivamente, dopo un trattamento di separazione dei polimeri dal metallo (debinding), avviene la sinterizzazione in atmosfera controllata, a una temperatura inferiore a quella di fusione. Per costruire l’oggetto bisogna realizzare lo stampo negativo e poiché alla fine del processo c’è un ritiro importante della parte, in base alla geometria e al materiale utilizzato bisogna calcolare la sovra-stima, cioè di quanto deve essere più grande la cavità dello stampo rispetto alla parte finita. La stampante Metal X però utilizza il processo di produzione MIM senza bisogno di realizzare lo stampo.

Come funziona
La Metal X è infatti una stampante a estrusione in cui la polvere metallica viene gestita attraverso un vettore plastico, che permette di iniettare il materiale come se fosse un termoplastico tradizionale, producendo un oggetto sovra-dimensionato composto da un impasto di polvere di metallo e di plastica (green part), con una precisione di 50 micron. Il materiale che viene estruso dalla stampante è composto per il 60% da polvere metallica e dal 40% da un vettore plastica composto da una resina e da un collante in parti uguali. Un secondo ugello crea una pellicola di materiale ceramico, che facilita il distacco dell’oggetto finito dalla parte di materiale che funge da supporto. Questo oggetto transitorio subisce un processo di pulizia tramite un solvente chimico in un’apposita vasca (debinder o washing machine) che elimina la parte collosa del vettore plastico (20%), producendo una parte con una superficie ‘spugnosa’ a causa dell’asportazione della colla (brown part). Infine c’è un processo di sinterizzazione in un forno, con una temperatura attorno all’85% del punto di fusione del metallo, che fa sublimare la plastica residua, da cui esce il prodotto finito. Il software di stampa Eiger (disponibile in cloud o in versione locale) calcola tutte le sovra-stime, i tempi di stampa, di lavaggio e di sinterizzazione e consente di ottimizzare la resistenza, il peso e i tempi di stampa. La Metal X è in grado di ispezionare dinamicamente la parte durante la stampa grazie a un controllo laser che verifica le dimensioni con precisione fino a 1 micron, sotto il controllo del software Eiger, che confronta in continuazione le dimensioni del modello con quelle della parte in produzione (In-process Inspection).

Costi e altre caratteristiche
Metal X è una macchina versatile utilizzabile in ambienti di fabbrica ma anche nell’ufficio progettazione, non disperde polveri o altri residui di lavorazione e quindi non richiede alcuna installazione di tipo industriale. Il suo costo è di poco superiore ai 100.000 euro, cioè circa un quarto di quello di una stampante 3D tradizionale in grado di produrre pezzi in metallo con dimensioni equivalenti. Le bobine di plastica e metallo sono molto più maneggevoli e hanno bisogno di molte meno accortezze delle polveri atomizzate di metallo. Le parti stampate costano fino a venti volte in meno rispetto a un componente lavorato con una fresa CNC o prodotto per fusione e si può passare dal progetto digitale fino al prodotto finito in meno di 24 ore. Stanley Black & Decker è stata la prima azienda a installare un sistema Metal X completo e grazie allo sviluppo di questo processo per produrre parti di piccoli dimensioni, prevede di realizzare risparmi di oltre il 95% sui costi e fino al 50% sui pesi rispetto alle parti prodotte in modo tradizionale.

 

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