The Amazing Technology of Metal 3D Printing

La tecnologia di stampa 3D in metallo sta cambiando il modo in cui realizziamo gli oggetti, dalle parti di motori a reazione alle parti mediche per il corpo. Se vi siete mai chiesti come sia possibile stampare un oggetto solido in metallo, questo è il posto giusto per voi. In questo articolo vi darò una semplice occhiata a questa modernissima tecnologia e vi spiegherò come funziona.

Che cos'è esattamente questa tecnologia di stampa 3D in metallo?

Quando si parla di "stampa 3D", spesso si pensa a piccoli giocattoli di plastica. Ma la stampa 3D in metallo è qualcosa di completamente diverso. È un modo di fare manifattura additiva. Pensate a questo: i vecchi metodi di produzione di parti in metallo sono spesso chiamati "sottrattivi". Si parte da un grosso blocco di metallo. Poi si taglia o si fora il metallo che non serve. In questo modo si può sprecare molto metallo.

La produzione additiva funziona al contrario. Costruisce un pezzo dal basso verso l'alto, un piccolo strato alla volta. La macchina legge un file di progettazione digitale. Questo file è come una mappa per la stampante. La macchina aggiunge strati di polvere metallica solo dove è necessario. Quindi utilizza il calore o un altro metodo per incollare la polvere. Questa operazione viene ripetuta più volte, forse centinaia o migliaia di volte. Alla fine si ottiene un oggetto metallico solido e resistente. Questa tecnologia ci permette di produrre parti difficili da realizzare in altro modo.

Questa tecnologia di stampa 3D è un grande passo avanti. Non serve più solo per realizzare modelli veloci (prototipazione rapida). Ora viene utilizzata per produrre parti metalliche finite e molto resistenti per l'industria aerospaziale e per molti altri settori. La capacità di questa tecnologia di realizzare forme metalliche complesse è davvero sorprendente.

In che modo la fusione a letto di polvere produce effettivamente parti metalliche?

Uno dei metodi più diffusi per la stampa 3d dei metalli si chiama Powder Bed Fusion. Vi spiego come funziona questa tecnologia. All'interno della macchina, c'è una piastra piatta all'interno di una scatola o camera sigillata. Questa camera è spesso riempita con uno speciale gas inerte. Questo gas impedisce al metallo caldo di mescolarsi con l'aria. Per iniziare a produrre un pezzo di metallo, la macchina stende uno strato molto sottile e piatto di polvere di metallo sulla piastra.

Successivamente, un forte laser o un fascio di elettroni punta la polvere. Si muove con molta, molta attenzione. Segue il progetto di un file CAD. Ovunque il raggio tocchi la polvere, si scalda a tal punto che i pezzetti di polvere di metallo (particelle di polvere di metallo) si fondono e si uniscono. In questo modo si ottiene uno strato solido della parte metallica.

Una volta terminato uno strato, la piastra si sposta leggermente verso il basso. Viene quindi steso un nuovo strato di polvere metallica. L'intero ciclo si ripete più volte. Il laser fonde la nuova polvere. Inoltre, la fa aderire allo strato sottostante. È così che le stampanti 3D producono pezzi, strato per strato. Questo processo di produzione continua fino a quando l'intera parte metallica è stata costruita. Questa straordinaria tecnologia è in grado di produrre parti metalliche molto resistenti.

DMLS e SLM sono la stessa cosa per la stampa dei metalli?

Spesso si sentono due nomi utilizzati per la fusione a letto di polvere: DMLS e SLM. DMLS è l'acronimo di Direct Metal Laser Sintering. SLM sta per Selective Laser Melting (fusione laser selettiva). Hanno un suono molto simile. Molte persone che lavorano con questa tecnologia usano entrambi i nomi per la stessa cosa. Anche io ero confuso da questo. Ma il loro funzionamento è leggermente diverso.

Con la tecnologia SLM, il nome dice già cosa fa. Fonde completamente la polvere di metallo. Per un secondo, il metallo diventa liquido. Poi si raffredda e diventa duro. In questo modo si ottiene un pezzo molto solido e resistente. Il DMLS, invece, riscalda la polvere di metallo. I pezzi di polvere si uniscono molto strettamente, ma non si fondono completamente in un liquido. È come premere insieme dei fiocchi di neve per ottenere una palla di neve dura. Aziende come EOS sono state le prime a creare la tecnologia DMLS.

In definitiva, sia la DMLS che la SLM sono ottime tecnologie di produzione additiva. Entrambe producono parti metalliche molto resistenti e affidabili a partire da polveri metalliche. Sia la DMLS che la SLM fanno parte della famiglia della fusione a letto di polvere. Oggi, molte nuove macchine DMLS fondono completamente il metallo, quindi è difficile notare la differenza. La cosa importante da sapere è che sia la DMLS che la SLM utilizzano un laser per costruire parti metalliche strato per strato. La SLM è una tecnologia molto importante nel mondo della stampa dei metalli.

Che cos'è il Binder Jetting e come si differenzia?

Le tecnologie DMLS e SLM sono molto diffuse, ma esiste un altro metodo fondamentale per la produzione additiva di metalli. Si chiama Binder Jetting. Questa tecnologia funziona in modo molto diverso. Invece di utilizzare un laser per fondere la polvere di metallo, il binder jetting utilizza un legante liquido. Questo agente è come una colla speciale. La macchina funziona un po' come una stampante a getto d'inchiostro su carta.

Una parte speciale della stampante si muove sulla polvere metallica. Con cautela, lascia cadere piccoli frammenti di liquido legante dove sono necessari. Questo getto di legante fa aderire le particelle di polvere metallica. In questo modo si crea uno strato del pezzo. La piastra di costruzione si sposta quindi verso il basso, viene applicato un nuovo strato di polvere metallica e il processo si ripete. Questa parte del processo di produzione è spesso molto più veloce di quella DMLS o SLM.

Una volta terminata la stampa, il pezzo viene chiamato "verde". Non è ancora molto resistente. Si può pensare che sia come un castello di sabbia. È necessaria un'altra fase per renderlo un pezzo metallico forte. Il pezzo viene estratto dalla polvere di metallo extra. Poi viene messo in un forno molto caldo, chiamato fornace. All'interno del forno, la colla legante brucia. I pezzi di metallo si uniscono (si fondono) per formare un pezzo solido e denso. Questa tecnologia è ideale per produrre molte parti metalliche contemporaneamente. Il getto di materiale è una tecnologia molto simile a questa. Anch'essa utilizza un getto per depositare il materiale.

Che tipo di metallo possono utilizzare queste stampanti in metallo?

Uno degli aspetti positivi di questa tecnologia di stampa è la possibilità di utilizzare diversi materiali. Non si è bloccati da un solo tipo di metallo. Sono disponibili molte polveri metalliche diverse. Ognuna di esse ha le sue caratteristiche speciali (caratteristiche) e i suoi punti di forza (proprietà meccaniche). Questo permette all'ingegnere di scegliere il metallo perfetto per il lavoro.

Ecco alcuni dei metalli più comuni utilizzati nella stampa 3d in metallo:

La polvere metallica in sé è sorprendente. È costituita da sfere molto piccole e perfettamente rotonde. Grazie alla loro forma, la polvere si distribuisce in modo molto uniforme all'interno della macchina. Questo è molto importante per realizzare buone parti metalliche. La scelta della lega giusta è una fase molto importante del processo di fabbricazione additiva. In questo modo si assicura che il pezzo finale abbia il tipo di resistenza e le caratteristiche giuste. L'uso del metallo in questo modo rende possibili molte cose nuove.

Perché sono necessarie strutture di supporto nella stampa 3D dei metalli?

Quando ho imparato a conoscere la stampa 3d in metallo, mi chiedevo perché alcuni pezzi uscissero dalla macchina con una struttura metallica intorno. Queste sono chiamate strutture di supporto e sono molto importanti. La stampa 3d in metallo costruisce i pezzi dal basso verso l'alto. Se un progetto ha un pezzo che sporge, come un tetto, ha bisogno di qualcosa su cui poggiare mentre viene stampato.

Se non ci fossero strutture di supporto, i pezzi che sporgono si piegherebbero o cadrebbero nella polvere di metallo sciolta. I supporti funzionano come una base. Mantengono la forma (geometria) del pezzo durante il processo di stampa. Le strutture di supporto sono molto importanti anche per un altro motivo: il calore. Il laser crea molto calore. Questo calore può far piegare il metallo. È come se il legno si piegasse quando viene bagnato. Le strutture di supporto aiutano a mantenere il pezzo sulla piastra di costruzione. Inoltre, aiutano ad allontanare il calore dal pezzo. In questo modo si evita che il metallo si pieghi.

Questi supporti vengono progettati nel software CAD contemporaneamente al pezzo stesso. Al termine della stampa, le strutture di supporto devono essere rimosse con cura. Si tratta di una fase importante per la finitura del pezzo metallico. Un ingegnere cercherà di migliorare (ottimizzare) un progetto in modo che abbia bisogno di meno strutture di supporto.

Quali sono i principali metodi di post-trattamento delle parti metalliche?

Una parte in metallo non è quasi mai pronta per essere utilizzata appena uscita dalla stampante 3D. Ha quasi sempre bisogno di un lavoro di finitura. Queste fasi sono chiamate metodi di post-elaborazione. Sono molto importanti per assicurarsi che il pezzo abbia le dimensioni corrette (accuratezza dimensionale) e una sensazione di scorrevolezza. Il primo passo consiste solitamente nel togliere il pezzo dalla piastra di costruzione e liberarlo dalle strutture di supporto.

Dopo aver tolto le strutture di supporto, spesso il pezzo deve essere trattato con il calore. Ciò può significare riscaldare la parte metallica in un forno. Questo processo si chiama ricottura. Questo processo elimina le tensioni all'interno del metallo che si sono create durante la stampa. Inoltre, migliora la resistenza del metallo e lo fa durare più a lungo. Si tratta di una fase molto importante per garantire che il pezzo abbia buone proprietà meccaniche.

Infine, potrebbe essere necessario rendere liscia la superficie del pezzo metallico. Poiché il pezzo è costruito a strati, può risultare un po' ruvido. Questo fenomeno si chiama rugosità superficiale. Per ottenere una superficie liscia e finita, si possono utilizzare fasi come la lavorazione, la lucidatura o la burattatura. Queste varie fasi di post-elaborazione aumentano il costo totale e richiedono più tempo. Ma sono necessarie per ottenere un pezzo finale davvero buono. Questo è uno dei limiti della stampa dei metalli.

Un ingegnere può davvero progettare qualcosa con il CAD per la stampa di metalli?

È qui che la produzione additiva di metallo è davvero eccezionale. Con i vecchi metodi di produzione, un ingegnere deve seguire molte regole. Ad esempio, si possono praticare solo fori diritti. Inoltre, non è possibile realizzare facilmente forme complesse all'interno di un pezzo. Ma con la stampa 3d del metallo le regole cambiano. Questa tecnologia ci dà molta libertà nel progettare le cose (flessibilità di progettazione). Un ingegnere può utilizzare il software CAD (Computer-Aided Design) per realizzare pezzi dalle forme complesse. Queste forme erano impossibili da realizzare prima.

Ad esempio, si possono progettare pezzi con piccoli tunnel al loro interno (canali interni) per favorire il raffreddamento. È anche possibile creare pezzi leggeri utilizzando una struttura speciale all'interno, chiamata reticolo. Il reticolo è come un nido d'ape all'interno del pezzo. Rende il pezzo molto resistente, ma utilizza molto meno metallo. In questo modo si risparmia peso e materiale. Questo tipo di miglioramento (ottimizzazione) è perfetto per l'industria aerospaziale. In questo settore, anche una piccola quantità di peso è molto importante.

Questa capacità di produrre pezzi con forme molto complesse (complessità) cambia tutto. Ci permette di realizzare pezzi speciali per la medicina che si adattano perfettamente al corpo di una persona o ottimi ugelli di carburante per i motori a reazione. Si tratta di uno strumento potente per qualsiasi ingegnere.

Quali sono i grandi vantaggi della produzione additiva per il metallo?

Ho visto come questa tecnologia possa cambiare completamente il modo in cui si producono le cose. Gli aspetti positivi vanno ben oltre la realizzazione di forme fantastiche. La produzione additiva di metallo ha dei vantaggi reali. Questi vantaggi possono aiutare a realizzare prodotti migliori e a risparmiare molto denaro (risparmio). È una tecnologia molto forte e affidabile (robusta).

Ecco alcuni dei principali vantaggi:

• Geometria complessa: Come ho detto, è possibile produrre pezzi di metallo con forme molto complesse. Ciò consente di migliorare il funzionamento del pezzo. Una staffa può essere resa più leggera e più resistente.
• Consolidamento delle parti: È possibile prendere molte parti metalliche che di solito dovrebbero essere messe insieme (assemblaggio) e stamparle come un unico pezzo. Ad esempio, un pezzo composto da dieci pezzi può diventare un unico pezzo. Questo pezzo unico è spesso più resistente e affidabile.
• Riduzione dei rifiuti di materiale: Nella produzione tradizionale, si può partire da un blocco di metallo di 10 kg per realizzare un pezzo di 1 kg. Ciò significa che 9 kg di metallo vengono sprecati. Con la produzione additiva, si utilizza solo la polvere di metallo necessaria per il pezzo e le sue strutture di supporto. Questo è molto meglio per non sprecare materiale.
• Prototipazione rapida e attrezzaggio: Le aziende possono progettare e stampare una parte metallica campione o un utensile o un dispositivo speciale in pochi giorni. Prima potevano essere necessarie settimane. In questo modo la creazione e il miglioramento di nuovi prodotti sono più rapidi.

Esistono limitazioni alla fabbricazione additiva dei metalli?

Come ogni tecnologia, la stampa 3d in metallo non è perfetta. È importante conoscerne gli aspetti negativi per capire quando è la scelta giusta. Dico sempre alle persone che è un ottimo strumento. Ma non è la risposta giusta per ogni lavoro. Questa tecnologia presenta alcune sfide.

Uno dei problemi principali è il costo. Le stampanti di metallo di aziende come 3D Systems o EOS sono costose. Anche la polvere di metallo speciale costa molto. Ciò significa che i costi di produzione per ogni pezzo possono essere elevati. Ciò è particolarmente vero se si deve realizzare un gran numero di pezzi (volume di pezzi). Spesso non è la scelta migliore per realizzare migliaia di semplici parti in metallo.

Anche le dimensioni dei pezzi che si possono realizzare sono limitate. È possibile realizzare solo pezzi che si adattano alla camera di costruzione della macchina. Ad esempio, non è possibile stampare una portiera d'auto in un unico pezzo. Inoltre, il processo può richiedere più tempo rispetto ai metodi di produzione tradizionali, come lo stampaggio, soprattutto quando si realizzano molti pezzi contemporaneamente. Infine, la necessità di eseguire lavori di finitura aggiunge altro tempo e lavoro. C'è anche una piccola possibilità di problemi come la porosità, ovvero la presenza di piccoli fori nel metallo. Questo può accadere se il processo di stampa non è ben controllato. Queste sono le principali limitazioni della tecnologia di fabbricazione additiva dei metalli.

Key Takeaways to Remember

La stampa 3D in metallo è una tecnologia forte che sta cambiando il modo in cui produciamo gli oggetti. Non serve più solo per realizzare modelli di prova. Oggi viene utilizzata per realizzare parti metalliche robuste e finite per i lavori più difficili nelle applicazioni industriali.

Here are the most important things to remember:

• La stampa 3D in metallo è un processo di fabbricazione additiva che costruisce parti metalliche strato per strato a partire da polvere metallica.
• Le tecnologie più comuni sono la Powder Bed Fusion (come DMLS e SLM), che utilizza un laser per fondere la polvere, e il Binder Jetting, che utilizza un legante simile a una colla.
• Offre una grande libertà di progettazione. Permette agli ingegneri di realizzare parti metalliche complesse, leggere ma anche resistenti.
• Spesso sono necessarie strutture di supporto. Esse sostengono la parte metallica durante la stampa e aiutano a controllare il calore.
• Quasi tutte le parti metalliche stampate necessitano di un lavoro di finitura. Questo include aspetti come il trattamento termico e la lisciatura della superficie prima di essere pronti per l'uso.
• Anche se ha degli svantaggi, come il costo e le dimensioni, questa tecnologia è molto importante per aziende come quelle aerospaziali, mediche e automobilistiche.