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I polimeri ABS e Onyx nella stampa 3D

ABS e Onyx sono due materiali usati nella stampa 3D e, perciò, molto diffusi nelle aziende che cavalcano l’onda dell’innovazione di Industria 4.0.

L’ABS è un polimero termoplastico che, nella stampa 3D, viene utilizzato per creare componenti leggeri e di dimensioni contenute. L’Onyx è un materiale composito, sviluppato da Markforged a partire dal 2016, utilizzato per realizzare parti finite e attrezzature di produzione.

ABS, le proprietà meccaniche

L’ABS ha proprietà meccaniche, come resistenza agli urti, tenacità e rigidità rispetto ad altri polimeri comuni, che ne fanno un materiale duttile. Con una serie di modifiche chimiche è possibile apportare dei miglioramenti alla resistenza di questo materiale agli urti, alla tenacità e alla resistenza al calore. La resistenza all’urto può essere amplificata aumentando le proporzioni del butadiene rispetto allo stirene e anche all’acrilonitrile, sebbene ciò provochi cambiamenti in altre proprietà.

L’aggiunta di fibre corte (fibre di vetro o carbonio) rendono le parti prodotte più resistenti a sforzi meccanici o termici. La temperatura d’esercizio non supera gli 80 °C.

La resistenza a trazione dell’ABS varia, perlopiù, in base al livello di concentrazione di fibra corta. Per dare dei riferimenti indicativi, si possono avere valori compresi tra i 40 Mpa fino ai 100 Mpa.

ABS, le applicazioni

L’ABS è un materiale che ha avuto largo uso e commercializzazione perché adatto alla creazione di giochi (vedi, a titolo meramente esemplificativo, il LEGO), di strumenti musicali, di parti di automobili (vedi i paraurti), custodie, valigie e tanti altri oggetti di uso comune.

Se caricato con la fibra corta può essere utilizzato anche negli stabilimenti produttivi per realizzare componentistica industriale come attrezzaggi e prototipi. Esistono anche versioni antistatiche (ESD) e ritardanti di fiamma (FR) che sono, generalmente, rivolte al settore dell’industria elettronica.

L’uso dell’ABS nel mondo dell’utensileria e delle officine meccaniche va incontro, però, a dei limiti sostanziali dovuti al fatto che questo polimero presenta delle criticità non ignorabili dagli addetti del settore.

Le criticità dell’ABS

L’ABS, in generale, è un materiale che si presta bene alla produzione di oggetti piccoli e leggeri in quanto ha una bassa stabilità dimensionale. Inoltre, le sue caratteristiche chimico-fisiche dipendono dalla concentrazione chimica degli additivi presenti al suo interno. Esso, infatti, patisce l’esposizione alla luce, tendendo a deteriorarsi nel tempo.

Altra criticità, non di minor importanza, è relativa a quegli ABS che hanno supporti solubili. È necessario il passaggio in una vasca di lavaggio riempita di acqua a una certa temperatura (70°-80°C) e soda caustica che, come noto, deve prevedere dei dispositivi di protezione individuale obbligatori. C’è poi da aggiungere che il liquido di risulta deve essere smaltito e il consumo della vasca arriva a 3600W @230V.

Inoltre, essendo l’ABS composto di Acrilonitrile, Butadiene e Stirene, deve esser posato in opera con adeguati sistemi di aerazione in quanto lo stirene è cancerogeno. Infatti, durante il processo di estrusione, che avviene a circa 260°C, i fumi rilasciati nell’aria dallo stirene, se inalati, possono essere pericolosi per la salute dell’uomo.

Onyx

Facendo riferimento al precedente paragrafo sull’ABS, è davvero difficile trovare delle criticità su questo materiale. L’Onyx è un tecnopolimero di base Nylon PA6 riempito con microparticelle di fibra di Carbonio. Queste caratteristiche di rinforzo lo rendono molto più resistente e rigido dell’ABS.

Grazie alle sue caratteristiche fisiche, l’Onyx ha una elevata stabilità dimensionale. I supporti, inoltre, sono rimovibili manualmente a strappo (o, per usare dei termini scientifici, sono supporti a struttura “Breakaway”), non necessitano di alcun lavoro di post processing come abbiamo visto sopra e non emettono polveri rischiose per la salute. Per quanto riguarda i consumi, la stampante 3D che tratta l’Onyx non supera i 150W.

Diverse tipologie di Onyx

Ci sono diversi tipi di questo tecnopolimero su base PA6. Ognuno di loro è un materiale composito base sviluppato per specifiche applicazioni di diversi settori industriali. Vediamoli nel dettaglio:

• Onyx: é il materiale base (matrice), composto da Nylon PA6 + microparticelle di fibra di Carbonio. È il materiale base di tutte le stampanti 3D Markforged. Ha resistenza a trazione pari a 71 Mpa -> Scarica la scheda tecnica
• Onyx FR: è una variante ignifuga dell’Onyx. Ha ottenuto la Carta Blu in quanto materiale autoestinguente V-0 secondo UL-94. Ha una resistenza a trazione uguale all’Onyx -> Scarica la scheda tecnica
• Onyx ESD: è il polimero più avanzato sviluppato da Markforged. Oltre a essere antistatico (ESD, Electro Static Discharge), ha anche una resistenza a trazione superiore, pari a 83 Mpa. Ha una resistività superficiale di 10⁵ – 10⁷ Ω -> Scarica la scheda tecnica

Applicazioni dell’Onyx nell’officina meccanica

L’Onyx, essendo di per sé un materiale polimerico più resistente dell’ABS, trova applicazione in tutti quei campi dove si ha bisogno di materiali resistenti a frattura, trazione, calore e a tutte quelle forze e sollecitazioni che vengono esercitate sugli attrezzaggi durante i cicli di lavoro.

Le attrezzature di produzione e gli utensili speciali sono, infatti, le realizzazioni più comuni. Generalmente, il materiale tradizionale che viene impiegato in questi ambiti è il metallo (l’alluminio il più comune) perché di vasta diffusione e perché adatto a sopportare certi carichi di lavoro.

Onyx, il primo polimero di Metal Replacement

Tutto ciò che prima veniva realizzato in metallo ha buone possibilità che ora si possa produrre in Onyx. Ad una condizione: che questi componenti superino le soglie minime di resistenza a cui vengono sottoposti. Conosciamo tutti, infatti, quanto l’industria manifatturiera italiana faccia della meticolosità e della qualità il suo fiore all’occhiello. Se i test vengono superati, non ci sono ragioni logiche per non utilizzare l’Onyx.

Vediamo, ora, in quali settori e applicazioni è consigliato l’uso del tecnopolimero base di Markforged.

Settori di applicazione

Aerospaziale
Automotive
Packaging
Ricerca e Sviluppo
Produzione elettronica
Energia
Difesa
Equipaggiamento industriale
Medico
Sviluppo del prodotto

Applicazioni

Clicca sulla voce che ti interessa per vedere il caso di utilizzo:

Posaggi
Calibri di controllo
Dime
Pinze per robot
Sistemi di presa a vuoto
Valvole
Maschere di saldatura
Ganasce portapezzo
Fixture
Stampi
Griffe
Portautensili

…e tantissimi altri casi di successo.

Differenza tra ABS e Onyx

Abbiamo visto che l’Onyx è il primo materiale di base per la realizzazione di tante applicazioni. Non possiamo, però, non notare che rispetto agli altri materiali di base, l’Onyx sia l’unico a garantire stabilità dimensionale e resistenza meccanica anche in situazioni estreme. Proviamo ad elencare, in maniera più esaustiva possibile, le qualità che ha questo tecnopolimero di Markforged rispetto all’ABS:

• maggiore stabilità dimensionale
• maggiore resistività chimica
• maggiore resistenza a liquidi industriali
• maggiore resistenza ad alte temperature
• maggiore resistenza meccanica
• maggiore tenacità a frattura
• minore porosità
• è rinforzabile con la fibra continua di Carbonio, Vetro e Kevlar, non con la fibra corta
• caratteristiche meccaniche migliorabili di un ordine di grandezza grazie all’utilizzo della fibra continua
• FR: alle proprietà elencate sopra si aggiunge l’autoestinguenza
• ESD: alle proprietà elencate sopra si aggiunge l’antistaticità

Qui il link per scaricare la scheda tecnica.

Per ogni informazione aggiuntiva potete contattare i nostri uffici al numero 011 019 5846 o compilando il form di richiesta info qui.

La storia di Markforged ha qualcosa di romantico oltre che di molto simile alla storia di alcune realtà aziendali famose in tutto il mondo come Apple, la nota casa di Cupertino (CA), e HP, Palo Alto (CA).

Tanto per cominciare, Markforged, a differenza dei due colossi appena citati, non nacque in California, bensì in Massachusetts, sulla costa est dove risiede l’Istituto di Tecnologia di Boston, il noto MIT.

Come nasce la prima stampante 3D Markforged

L’idea di creare una stampante 3D per realizzare parti in materiale polimerico ma resistenti come l’alluminio nacque da due studenti del MIT, Greg Mark e David Benhaim. I due amici progettarono la prima stampante 3D all’interno di una cantina, così come fecero, prima di loro, celebrità del calibro di Steve Jobs, Bill Hewlett, ‎David Packard, per citarne solo alcuni.

Fu, infatti, nel 2013 che Greg e David svilupparono la loro prima stampante 3D che prese il nome di Mark One. I due, resisi conto delle potenzialità della macchina, riuscirono a ottenere il pass per esporla durante il Solidworks World, la conference annuale organizzata dalla Solidworks, la nota casa dell’omonimo software di progettazione meccanica, nel gennaio del 2014.

La prima stampante 3D di Markforged fu, dunque, la Mark One, che stampava il nylon puro rinforzato da ciò che si sarebbe rivelato il punto di forza della casa di Boston: la fibra lunga di Carbonio.

Markforged to go public…

La storia di Markforged accelera. Dal 2014, si assiste a una veloce crescita sia sul mercato americano, sia su quello mondiale. Forbes inserisce la casa di Boston al decimo posto tra le prime 500 aziende americane (Forbes 2018 Next Billion Dollar Startups List) che ebbero la crescita più veloce tra il 2014 e il 2017 (+12687%) e la insignisce come la prossima startup miliardaria. Nel 2020, Markforged diventa il secondo produttore mondiale di stampanti 3D industriali per numero di unità vendute.

Forbes ci vedeva bene, anzi benissimo. Il 24 febbraio 2021, Markforged annuncia che la società entrerà in borsa alla New York Stock Exchange con una capitalizzazione di 2,1 miliardi di dollari. Un risultato sorprendente per un’azienda che nel 2020 ha fatturato poco più di 80 milioni di dollari.

Un focus sulla stampante 3D metallo, i prezzi in circolazione delle diverse tecnologie e un confronto con le macchine CNC.

Avrai sicuramente sentito parlare delle stampanti 3D, ma, scommetto, mai di prezzi accessibili per la piccola media impresa, vero? E che le stampanti 3D potessero stampare i metalli, lo sapevi?

Se la tua prima reazione è di rimanere spiazzato a una notizia del genere, continua a leggere questo articolo, scoprirai tante altre cose che non conosci. Lo sai che ci sono stampanti 3D che realizzano parti in Acciaio Inox, o in Rame Puro al 99,8% o, addirittura, in Inconel 625? No? Allora, buona lettura.

Quanto costa una CNC?

Una volta assodato che esistono stampanti 3D che stampano vari tipi di metallo, vorrai sapere quanto costano. Se, inoltre, sei già un esperto del campo, cioè del mondo dell’industria manifatturiera, conoscerai le macchine a controllo numerico (CNC) che popolano questi ambienti e quanto queste possano facilmente raggiungere prezzi a sei zeri.

Le macchine CNC, che realizzano manufatti in metallo da ormai più di 70 anni, hanno costi di acquisto e di gestione che gli operatori del settore conoscono molto bene. Si tratta, infatti, di macchinari che possono arrivare a costare moltissimo, tutto dipende da vari parametri tecnici che qui non ha senso trattare. Diciamo che il range di prezzo è molto ampio: si parte dai 100-150.000 euro per macchinari molto piccoli, fino ad arrivare anche a qualche milione per macchine CNC più complesse.

Diventa difficile, dunque, parlare di macchine per metallo economiche quando si parla di macchine CNC.

Stampante 3D metallo, prezzi in base alla tecnologia

Un discorso diverso si può fare per le stampanti 3D metallo. Anche qui la fascia di prezzo è molto ampia ma, a differenza delle macchine CNC, il costo di accesso dipende sostanzialmente dalla tecnologia di queste. Se si vuole approfondire il discorso per farsi un’idea più chiara sulle varie tecnologie esistenti nel mercato delle stampanti 3D per il metallo, potete visionare un articolo che ho scritto di recente.

Senza entrare nel dettaglio delle tecnologie di stampa 3D metallo disponibili sul mercato, possiamo riassumere l’argomento dividendolo in due macrocategorie: le stampanti 3D a fusione su letto di polvere (SLM, DMLS), e quelle figlie dell’FDM, la tecnologia ADAM di Markforged.

La differenza maggiore è nel fatto che la prima sinterizza col laser la polvere metallica, mentre la seconda estrude un filamento al cui interno c’è polvere di metallo (Acciaio, Rame puro, Inconel 625, ecc) tenuta insieme da un legante polimerico-ceroso.

Il costo di una stampante 3D metallo a tecnologia ADAM parte dai circa 150K e può arrivare fino ai 250K. Questo range di prezzo è dovuto al fatto che Markforged ha due sistemi di stampa 3D per metallo: il Sinter-1 e il Sinter-2. La differenza tra i due è che il secondo, il Sinter-2, ha un volume 4 volte superiore al primo oltre a essere tecnologicamente più recente del Sinter-1 che è uscito sul mercato nel 2018.

Perché le stampanti 3D SLM/DMLS costano di più di quelle a tecnologia ADAM

Le ragioni per cui le stampanti 3D metallo a tecnologia ADAM hanno costi minori sono plurime:

• Non è necessaria l’elettroerosione a filo per la rimozione dei supporti
• Basso assorbimento energetico
• Non è necessario il lavoro di post trattamento termico
• Non è possibile avere problemi di cross contamination
• Il sistema non lavora sottovuoto
• Non si hanno sprechi di materiale

La facilità dell’uso di questa tecnologia è dovuta anche al fatto che i parametri di processo non devono essere settati ad ogni ciclo di lavorazione. Il sistema ADAM ha dei parametri preimpostati per ogni materiale. Ciò evita grosse perdite di tempo, abbassando in maniera importante i costi di produzione. Per un approfondimento sulla tecnologia ADAM, consiglio di guardare il video sulla stampa 3D dei materiali metallici.

Come accennato poco più sopra, la tecnologia ADAM, sviluppata dalla casa produttrice Markforged, è l’unica disponibile, al momento, che permette di portarsi in “casa” una stampante 3D per metallo a prezzi contenuti e per varie tipologie di materiali metallici.

Se vuoi avere un preventivo personalizzato sulle stampanti 3D metallo della casa di Boston e sulla base delle tue esigenze, basta che tu ti metta in contatto con il team di 3D Company – Markforged, la nuova realtà torinese che sta conquistando la fiducia del mercato grazie alla professionalità e lealtà dimostrata rispetto ai propri partner e clienti.

Una curiosità che hanno in comune le macchine CNC con le stampanti 3D a tecnologia ADAM

Prima di concludere l’articolo, condivido con voi una curiosità. Tra le tante diversità che queste due macchine hanno, c’è un aspetto che hanno in comune. Infatti, sia le macchine a controllo numerico, sia le stampanti 3D Markforged, hanno visto la loro nascita e sviluppo in un istituto tecnologico celebre per aver vinto più volte la classifica di miglior università al mondo, il MIT di Boston (Massachusetts Institute of Technology). E’, infatti, nello stesso istituto di tecnologia che hanno visto la luce queste due strategiche invenzioni per l’industria manifatturiera. Con una piccola differenza: la prima nacque durante la fase di ripresa industriale successiva alla Seconda guerra mondiale, mentre la seconda è molto recente, correva l’anno 2013.

Lo sapevi che i fondatori di Markforged sono stati studenti del MIT? Se vuoi conoscere la storia di Markforged leggi l’articolo dedicato.

Mi sento chiedere spesso, durante i colloqui con chi è interessato alla stampante 3D industriale, se le nostre sono stampanti 3D professionali o industriali. Vorrei, quindi, fare chiarezza sull’argomento per poi farvi un esempio di una stampante 3D che, come da scopo dell’articolo, può essere definita una stampante 3D industriale.

Stampante 3D industriale o professionale

Fermo restando che siamo in grado tutti di capire la differenza tra professionale, per i professionisti, e industriale, per l’industria, è bene non perderci in artifizi semantici e non abusare di retorica: una stampante 3D può essere allo stesso tempo professionale e industriale, adatta per i professionisti dell’industria e, aiuto, ideale per l’industria dei professionisti.

Per evitare che la mia maestra di italiano non mi rivolga più la parola, torno serio: una stampante 3D può essere allo stesso tempo professionale e industriale, ma c’è da dire che se non è industriale non può essere così professionale, e che se non è professionale, allora, figurati se può andar bene per l’industria.

Intanto, possiamo cominciare col chiarire una volta per tutte che la stampante 3D industriale ha delle caratteristiche che le permettono di definirsi tale:

• garanzia di ore di lavorazione senza interruzioni, o ridotte al minimo;
• realizzazione di parti durevoli e non soggette all’incuria del tempo;
• funzionalità specifiche della macchina a garanzia del rispetto di certe soglie di qualità.

Detto in parole povere, una stampante 3D industriale appartiene a una categoria di stampanti 3D che va incontro alle esigenze, sempre molto stringenti, di chi produce.

I materiali di una stampante 3D industriale

La qualità dei prodotti si è sempre misurata con i livelli di finitura, di accuratezza e di resistenza che questi hanno una volta usciti dalla produzione. Se un materiale utilizzato dalla stampante 3D si deturpa col passare del tempo a causa dell’esposizione alla luce (vedi l’ABS), questo materiale sarà super adatto per fare un prototipo di ciò che verrà prodotto, non certo per essere inserito, come parte funzionale, come mano di presa robot costretta a continue e cicliche sollecitazioni.

Le stampanti 3D che fanno prototipi o parti finali con livelli di resistenza meccanica al di sotto di una certa soglia, non potranno essere definite prettamente “industriali” perché nel settore dell’industria manifatturiera, dove le lavorazioni meccaniche sono continue e le parti utilizzate devono resistere a certi carichi, si è poco “tolleranti” con le parti poco resistenti.

Alluminio, il materiale più usato

Un esempio ci può correre in aiuto. Dovete sapere che prima dell’avvento delle stampanti 3D industriali, il materiale che veniva utilizzato di più per realizzare parti funzionali o attrezzature di produzione era (ed è ancor oggi) l’alluminio.

L’alluminio, nell’industria manifatturiera, viene utilizzato per realizzare posaggi, ganasce, calibri di controllo, dime, griffe, ruote dentate, mani di presa, sistemi di presa a vuoto. E ancora, valvole, maschere di saldatura, alloggiamenti, flange, fixture, ecc… Potrei andare avanti ancora un paragrafo, ma sono sicuro di aver espresso il concetto: possono essere tantissimi gli usi dell’alluminio in un’industria.

Bene. Capite, quindi, che se un pezzo stampato in 3D varca le soglie di uno stabilimento produttivo per sostituirsi all’alluminio è perché questo pezzo ha superato varie prove di resistenza meccanica allo stress a cui verrebbe sottoposto durante i cicli di lavorazione. Ogni stabilimento produttivo può avere la necessità di fare alcuni o, magari, tutti i test di resistenza meccanica.

Test di resistenza a:

• Trazione
• Compressione
• Torsione
• Flessione
• Taglio
• Prova di durezza

Come vedete, solo parlando di prove di resistenza meccanica i criteri per la validazione di un componente sono tanti. Non sto qui a elencare tutti i test che un’azienda può mettere a disposizione (da quelli chimici, termici, ecc…). Possiamo, però, trarre una prima conclusione: una parte stampata in 3D può essere utilizzata come parte funzionale in uno stabilimento produttivo solo se questa si avvicina o, ancor meglio, supera la duttilità e le proprietà di resistenza meccanica che ha l’alluminio.

Tecnopolimeri: i polimeri rinforzati nella stampa 3D

Se, quindi, i criteri per definire una stampante 3D come industriale sono molto severi e stringenti, non è facile trovare sul mercato tante stampanti 3D che li rispettino. Le stampanti 3D che possono definirsi industriali sono poche: in questo gruppo rientrano tutte quelle stampanti che producono tecnopolimeri. Cosa sono i tecnopolimeri? Sono polimeri che hanno caratteristiche di resistenza tali da consentire il loro impiego in sostituzione dei metalli. Le parti in composito rinforzate con la fibra (meglio se fibra continua) sono dei tecnopolimeri.

Sul mercato, si trovano ormai tante case produttrici che stampano tecnopolimeri, che non sono altro che parti di materiale plastico con, annegata all’interno, della fibra sotto forma di microparticelle di fibra di carbonio (materiale composito). La Stratasys, per esempio, ha un composito formato da PA, cioè Nylon, con frammenti di fibra di carbonio. Il materiale prodotto, quindi, in questo caso rientra tra quelli adatti all’industria manifatturiera perché realizza parti più resistenti dell’ABS e del PLA.

Nonostante questo, le aziende che fanno produzione, come dicevo, hanno criteri molto stringenti e severi per i materiali con cui lavorano. E se vuoi convincere un’azienda a non usare l’alluminio, allora devi dimostrargli che il materiale composito rinforzato con la fibra di carbonio si comporta come e addirittura meglio. Ci sono varie tipologie, però, di composito rinforzato. Scopriremo che Stratasys non è la casa produttrice che crea quelli più resistenti e adatti alle aziende che fanno produzione.

Differenza tra fibra continua (o lunga) e fibra corta

I tecnopolimeri prodotti dalla casa produttrice citata più sopra hanno il rinforzo in fibra corta. Per capirci meglio, i tecnopolimeri Stratasys hanno piccoli frammenti di fibra di carbonio annegati nella matrice in nylon.

Sapete che differenza c’è tra un materiale composito rinforzato con fibra lunga (o continua) e uno con fibra corta? C’è una netta differenza, che si rivela fondamentale quando si parla di parti per le officine meccaniche o reparti di utensileria di un’industria. Per venirci in aiuto, ricorrerò a un esempio che rubo a un caro collega, Fabio Bertoldo: pensate a un wafer, composto da più cialde una sopra l’altra, molto friabili e leggere, e dal cioccolato spalmato su ognuna di esse. Se prendete il wafer tutto insieme, questo sarà stabile e si romperà solo se viene esercitata una certa forza. Se la cialda, però, invece che per intero, fosse messa a frammenti, il wafer risulterebbe molto più fragile e la forza da esercitare per spezzarlo sarebbe molto più piccola.

La fibra continua è come il wafer disposto per l’intera lunghezza a disposizione senza interruzioni e, quindi, in maniera continua.

La stampante 3D industriale per eccellenza

Tornando alla stampa 3D, l’unica stampante 3D industriale esistente nel mercato che ha il brevetto per stampare parti in polimero rinforzate in fibra continua è Markforged. La stampante 3D industriale per eccellenza si chiama X7.

Questa stampante 3D realizza parti in Onyx (PA6 + microparticelle di carbonio, un composito di per sé già più resistente dell’ABS) rinforzate con fibra lunga di Carbonio, Vetro, Vetro HSHT e Kevlar. Le altre case produttrici, non potendo usare i brevetti sulla fibra continua hanno cercato di correre ai ripari inserendo, appunto, dei frammenti di fibra di carbonio (vedi quanto si diceva sopra riguardo a Stratasys).

Come abbiamo visto in precedenza, però, il materiale composito delle stampanti Markforged è già di per sé un materiale rinforzato. E’, infatti, costituito da PA + microparticelle di fibra di carbonio. Immaginate da soli, quindi, quanto possa aumentare la resistenza a trazione di questo materiale dopo che viene ulteriormente rinforzato con la fibra continua di Carbonio, Vetro o Kevlar.

Per maggiori informazioni sui materiali compositi di Markforged e su tutte le applicazioni rivolte all’industria manifatturiera vi lascio il link dell’unico distributore dedicato al 100% a Markforged, la 3D Company di Torino.

Stampante 3D per il metallo: tecnologia, produttori e vantaggi

La stampante 3D a metallo è un sogno che si concretizza a metà anni ’90 sull’onda dell’invenzione della stampa 3D per i materiali polimerici.

Storia dell’Additive Manufacturing tradizionale con tecnologia LPBF (SLM, DMLS, DMP)

Ci sono diverse tecnologie di stampa 3D per metallo. Vediamone alcune per capire, oltre al loro funzionamento, anche i vantaggi dell’utilizzo di una piuttosto che dell’altra.

LPBF (Laser Powder Bed Fusion)

Quando nel 1995 la SLM Solution e la EOS inventarono le stampanti 3D a fusione laser a letto di polvere (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) fu una vera e propria rivoluzione. Finalmente, sarebbe stato possibile realizzare parti complesse e di piccoli lotti senza dover impiegare macchine a controllo numerico che, come noto, oltre ad avere alti costi di accesso, sono costruite e ottimizzate per un numero molto elevato di parti.

Per quanto ogni produttore utilizzi il proprio acronimo per identificare il proprio sistema di Additive Manufacturing per metallo, la tecnologia è uguale per tutti*. Il ripiano, detto “elevatore”, si muove sull’asse z abbassandosi ogni volta che viene fuso uno strato di polvere dal laser attraverso un sistema di specchi. Con questo procedimento viene realizzato il primo layer e così di seguito fino alla realizzazione completa della parte. Ciò che si distingue in ogni tecnologia LPBF sono alcuni aspetti processuali oltre ai vari e numerosi brevetti registrati dai diversi produttori (la direzione del gas inerte, la racla, o rullo, sono solo alcuni di questi).

*SLM é un acronimo che sta per Selective Laser Melting, della SLM Solution; DMLS sta, invece, per Direct Metal Laser Sintering ed é della EOS.

Problematiche tecnologia LPBF

La complessità del processo di fusione laser a letto di polvere comporta, però, alcune problematiche di non facile gestione. Oltre alla definizione dei parametri di produzione, all’incirca 130, ogni volta costruita la parte, questa viene messa con i supporti dentro un forno per un trattamento termico che ha il fine di rilasciare gli stress residui creati al proprio interno.

L’eliminazione della polvere non solo dalla camera di lavoro ma anche dalla parte stampata, inoltre, richiede un lavoro di post processing che richiede personale specializzato. Anche la porosità della parte, i layer disgiunti e la diffusione di fumi possono essere delle problematiche per la qualità del prodotto ma anche, se inalati, per la salute degli operatori.

Produttori macchine tecnologia LPBF

Sono tanti i produttori di stampanti 3D che, come detto, utilizzano la tecnologia LPBF.

Senza voler far torti a nessuno, elenchiamo qui di seguito i principali produttori (in ordine alfabetico):

• 3D Systems
• Concept Laser
• EOS
• Prima Industrie
• Realizer
• Renishaw
• SISMA
• SLM Solution

Tecnologia ADAM della Metal X, le tre unità e le tre fasi della stampante 3D per metallo unica nel suo genere

La tecnologia ADAM (Atomic Diffusion Additive Manufacturing) prevede tre unità di lavorazione.

La prima, la stampante 3D ha, come prima grossa differenza rispetto alla tecnologia LPBF, una tecnica di lavorazione che prevede il filamento invece che il letto di polvere. Infatti, questa tecnologia additiva figlia dell’FDM (Fused Deposition Modeling), estrude un filamento formato da metallo + legante polimerico misto a cera. Questa tecnologia prevede due ugelli: uno per l’estrusione del filamento metallico mischiato al legante polimerico, ed uno per il materiale ceramico. Se il primo serve a costruire layer dopo layer la parte da stampare, il secondo ha lo scopo di depositare il layer di giunzione tra il piano di lavoro e il supporto, e tra il supporto e la parte. La rimozione del supporto diventa, grazie al materiale ceramico, un’operazione molto semplice da eseguire. Al termine del processo di stampa 3D del componente otteniamo quella che viene definita la “green part”.

La seconda unità si chiama Wash e ha il compito di rimuovere il legante polimerico ceroso dalle parti stampate. Dopo la stampa della parte, questa viene immersa in un solvente per un tempo stabilito dal software che dipende dal volume e dalla geometria della parte. Quando viene a termine il processo di debinding, il componente viene messo in un vano dedicato del Wash ad asciugare. Si ottiene così quella che viene chiamata la “brown part”.

L’ultima fase del processo è la sinterizzazione. La “brown part” viene inserita nel Sinter per un tempo fisso pari a circa 27 ore. Poiché il tempo dell’infornata è lo stesso anche se si tratta di più parti contemporaneamente, è buona pratica inserirne quante più possibile per ottimizzare tempi e costi di sinterizzazione. Il sinterizzatore, che ha una precisione di 125 µm, lavora con gas inerte (argon) + una miscela di idrogeno e argon. I parametri di processo, che non sono modificabili dall’utente, sono preimpostati dal produttore e variano in base al materiale scelto.

I materiali disponibili con la tecnologia ADAM

• Acciaio Inox 17-4 PH
• Acciaio Inox 316L
• Acciai per utensili A2, D2, H13
• Inconel 625
• Rame puro al 99,8%
• Ti64

Le applicazioni della stampante 3D per metallo Metal X

Sono svariate le applicazioni delle parti realizzate con la tecnologia con la stampante 3D per metallo a tecnologia ADAM. Innanzitutto, é bene tener presente che con la tecnologia menzionata, in quanto si tratta di una stampante 3D, si ragiona in termini di piccoli lotti. Realizzarli con la tecnologia LPBF, visto l’alto costo di acquisto, le attività di post processing e i DPI necessari per il pericolo di polveri metalliche nell’aria, non risulterebbe altrettanto competitivo.

Le applicazioni più comuni sono le attrezzature di produzione e gli utensili speciali. Per avere, però, una panoramica dettagliata sulle numerose applicazioni della Metal X, rimandiamo l’utente alla ricca sezione dedicata sul sito 3D Company, il partner più rinomato di Markforged: le applicazioni delle stampanti 3D Markforged.

Vantaggi tecnologia ADAM

I vantaggi più evidenti della tecnologia ADAM sono il costo d’acquisto, nettamente più contenuto rispetto alle macchine a tecnologia LPBF, e la semplicità di messa in opera. I parametri di processo, infatti, sono più semplici da gestire perchè già impostati dal produttore e ciò è, indubbiamente, un altro vantaggio del sistema in questione.

L’Additive Manufacturing spiegato ai non addetti ai lavori

Mi capita spesso di parlare di Additive Manufacturing fuori dal mio luogo di lavoro e, ogni volta che viene nominata questa combinazione di parole, l’espressione che fa il mio interlocutore non è certo di una (o uno) che ha capito di cosa stiamo parlando.

Questo breve articolo, infatti, vuole cercare di venire incontro a chi non conosce l’Additive Manufacturing o a chi ne ha un’idea molto vaga.

Che cos’è l’Additive Manufacturing

Quando mi hanno spiegato per la prima volta che cos’è l’Additive Manufacturing la mia espressione doveva essere del tutto simile a quella degli interlocutori a cui mi riferivo più sopra. Cosa sta dicendo questo? Ecco, un altro che usa termini inglesi! Ma parla come mangi che ti capiamo tutti! Additive che? Per le pulizie?

Additive Manufacturing (AM) sta per “Produzione Additiva”, e connota quel tipo di produzione che ha la peculiarità di aggiungere (“add”, dall’inglese, vuole dire “aggiungere”) strato dopo strato del materiale fino a comporre un prodotto finito. Questa tecnica di produzione si contrappone totalmente al metodo tradizionale ancora in massiccio uso oggi, e cioè la produzione sottrattiva. Per definizione, questo tipo di tecnica invece di aggiungere materiale per creare un oggetto, lo sottrae, lo asporta. Mentre la prima, quindi, poiché aggiunge del materiale, parte da una quantità di questo pari a zero, la seconda parte da una massa di materiale da cui asportarne pezzi fino ad ottenere la forma desiderata.

Se vogliamo fare un paragone efficace, pensate allo scultore che vuole realizzare una statua. Questi parte da una forma di materiale molto grossa (poniamo, a puro titolo esemplificativo, un cubo di granito) da cui incidere e intagliare il materiale fino a ottenere la forma desiderata che, ovviamente, avrà un peso minore a causa del materiale asportato.

Chiarito il significato del termine Additive Manufacturing, è necessario spiegare quali sono i macchinari che fanno produzione additiva.

Le stampanti 3D: è rivoluzione 4.0

Le stampanti 3D usano la tecnica di produzione additiva per realizzare oggetti finiti partendo da un disegno realizzato con uno dei tanti programmi di disegno meccanico (per i neofiti si chiama disegno CAD). Questo disegno viene caricato nella stampante 3D che, dopo aver settato alcuni parametri, inizia a depositare il materiale, strato su strato, fino ad ottenere la forma disegnata con il programma CAD.  Molto semplice fin qui, vero?

La complessità dell’argomento stampanti 3D, però, risiede nelle varie tecnologie a disposizione, nel settaggio dei parametri di processo, nella scelta dei materiali e, ahimè, dalle barriere culturali che ogni nuova tecnologia si porta dietro.

Esistono decine e decine di case produttrici di stampanti 3D nel mondo, ma solo alcune di esse sono riuscite ad affermarsi per la stabilità delle parti stampate e per la loro qualità. Dividerei le stampanti 3D in due grossi insiemi: le stampanti 3D per la produzione e quelle per la prototipazione.

Additive Manufacturing: dalla prototipazione alla produzione

Quelle per la prototipazione sono state le prime, in termini di tempo, ad affermarsi sul mercato. Con i tanti, anche se non così performanti, materiali a disposizione sono diventate a partire dagli anni ’90 un utilissimo strumento per realizzare prototipi o oggetti finiti rivolti al mondo del design, dell’architettura fino al modellismo. Sono entrati nel settore manifatturiero solo marginalmente a causa del fatto che i materiali delle stampanti 3D per prototipazione non superavano gli standard richiesti dall’industria. Infatti, criteri come la stabilità fisica del materiale e la resistenza meccanica sono delle prerogative essenziali per le esigenze qualitative di chi fa produzione.

A partire però dal 2013-2014, la stampante 3D ha bruscamente cambiato i suoi connotati scoprendosi come uno strumento rivolto anche alla produzione di parti finali in settori dell’industria manifatturiera come l’Automotive, il Packaging, l’Automazione, l’Aerospace, e tanti altri fino al settore militare. Infatti, ciò che prima veniva realizzato solo in materiale polimerico, con scarse prestazioni in termini di durezza e resistenza a trazione, a partire da quegli anni si affacciano sul mercato delle stampanti 3D che realizzano parti in polimero ma che hanno livelli di resistenza meccanica pari al metallo (nello specifico, all’alluminio).

Tutto ciò scatenò un effetto sorpresa quando si scoprì che ciò che veniva fatto in alluminio si poteva fare in “plastica rinforzata” con la stessa garanzia di funzionamento ma in tempi e costi decisamente inferiori e, quindi, più competitivi.

C’è da aggiungere, e specificare, che la stampa 3D, o AM, non si propone di sostituire la tradizionale tecnologia estrattiva e le sue macchine a controllo numerico (CNC). Queste sono, e saranno, sempre insostituibili per le produzioni in serie o di massa. Se, però, si ha bisogno di piccoli lotti di produzione e di produrre parti molto complesse impossibili da realizzare con le CNC, allora qui diventano indispensabili le stampanti 3D industriali che fanno di queste esigenze la loro forza e specialità.

I produttori di stampanti 3D più noti divisi per tipo di materiale:

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*per plastica rinforzata si intendono quei materiali polimerici rinforzati con fibra lunga (o fibra continua) di Carbonio, Vetro e Kevlar.