La produzione additiva basata su estrusione di una pasta metallica o ceramica è ben conosciuta nell’ambito dell’accademia e della ricerca. E da poco ha cominciato ad affacciarsi anche nel mondo industriale.
Il mercato delle macchine e dei sistemi per la stampa additiva di metallo continua ad espandersi e a generare sempre più attenzione in molteplici settori industriali. Questa volta è il turno di Desktop Metal (www.desktopmetal.com), casa americana con sede vicino a Boston, Massachusetts, che è riuscita a introdurre sul mercato un sistema innovativo a misura di ufficio in grado di produrre componenti stampati 3D tramite l’estrusione di feedstock metallico.
Un concetto di produzione additiva, quello basato su estrusione di una pasta metallica o ceramica, ben conosciuto nel mondo dell’accademia e della ricerca ma che tuttavia arriva solo recentemente nei processi industriali con il tag di uno dei processi più innovativi e con elevato potenziale nel panorama attuale.
Lo comunica il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, punto di riferimento in Italia nel settore della ricerca “additiva”, in occasione del workshop intitolato “Nuove soluzioni per la stampa 3D in metallo: la tecnologia Bound Metal Deposition di Desktop Metal”, organizzato lo scorso 13 novembre presso la sede milanese di via La Masa.
Il Politecnico, che è stato tra i primi in Europa ad installare il sistema Desktop Metal Studio System+, ha messo a disposizione la sua esperienza ad un centinaio di partecipanti industriali accorsi per l’occasione.
L’evento ha avuto un carattere principalmente industriale, privo quindi di approfondimenti puramente scientifici, ed è stato capace di fornire informazioni pronte per l’uso che hanno suscitato un vasto interesse.
Presenti all’evento il rivenditore italiano Selltek/DEDEM fornitore della macchina per il Politecnico, e Alyssa Hopcus, brand manager di Desktop Metal, occorsa direttamente dagli States per l’occasione.
Un’eccellenza fra i dipartimenti
L’arrivo di Desktop Metal, e più in generale il progetto di espansione delle tecnologie additive all’interno del Dipartimento di Meccanica del Politecnico, è stato possibile grazie al suo posizionamento tra i 180 Dipartimenti di Eccellenza sul territorio italiano che gli ha concesso di beneficiare dei finanziamenti stanziati nella Legge di Bilancio del 2017 da parte del Ministero dell’Istruzione dell’Università e della Ricerca.
L’obbiettivo generale dichiarato dalla Prof.ssa Bianca Maria Colosimo, vicedirettore deputato alla Ricerca del Dipartimento, nonché docente di riferimento nell’ambito del monitoraggio di processo delle tecnologie additive, è quello di stare al passo con l’innovazione coprendo il più ampio spettro di processi e competenze in questo specifico settore. Il Dipartimento sta crescendo non solo in termini di competenze, macchinari e sistemi di stampa 3D capaci di coprire la più vasta gamma di materiali metallici e ceramici. Nel complesso si sta dotando di tutti gli strumenti di caratterizzazione, monitoraggio e misura dell’intera catena di processo, includendo i materiali di partenza come le polveri metalliche, fino ad arrivare alla caratterizzazione geometrica, metallurgica e funzionale dei pezzi stampati.
Una panoramica sulle tecniche
Le tecnologie per la stampa 3D di metallo, tipicamente basate su fasci di potenza (laser/elettroni) hanno mostrato negli ultimi anni un incremento assoluto in termini di qualità e produttività raggiungibili con conseguente incremento della diffusione di tali sistemi nell’industria. Tuttavia, tali tecnologie additive mostrano ancora una barriera all’ingresso in termini di costi e complessità nella gestione degli impianti che è legata principalmente all’utilizzo e alla gestione delle polveri metalliche che hanno dimensioni micrometriche, dunque potenzialmente pericolose. Dall’altro lato, i metodi di stampa basati su estrusione FDM (Fused Deposition Modelling) sono invece molto semplici e intuitivi e sono disponibili a bassissimi costi perciò diffusi a macchia d’olio anche tra gli utilizzatori e appassionati privati. Tuttavia, le tecniche FDM tradizionali mostrano i loro limiti di applicabilità industriali in funzione dei materiali processabili, principalmente polimeri e polimeri caricati che difficilmente incontrano le specifiche di applicazioni funzionali reali richiedenti parti con elevata resistenza.
È in questo panorama che si inserisce la tecnologia Bound Metal Deposition della Studio System+, come introdotto durante il suo discorso di Alyssa Hopcus. La tecnologia di questo sistema viene definita binder-based e si basa sull’estrusione FDM di una pasta metallica composta per circa la metà del suo volume da leganti polimerici che poi vengono rimossi per ottenere il pezzo finito tramite un post-processamento fluido e termico. La presenza del legante consente una più facile gestione e con minori rischi del materiale di partenza ossia la polvere metallica, conferma la Hopcus. Tuttavia, le parti verdi ottenute necessitano di alcuni passaggi di post-processing che vanno opportunamente gestiti per ottenere componenti conformi. Il lavaggio di deceratura, debinding, viene effettuato nel sistema Desktop Metal in un apposito sistema che attraverso l’uso di un solvente non infiammabile e riutilizzabile discioglie gran parte del legante ottenendo il cosiddetto pezzo brown. Le parti devono essere quindi sinterizzate nella fornace provvista di gas d’apporto e capace di raggiungere una temperatura (attorno ai 1350 °C) prossima alla temperatura di fusione dell’acciaio. Molte sono le similarità con la catena di processo del MIM (Metal Injection Molding), presente sul mercato da diversi decenni, con cui vengono condivisi praticamente tutti i passaggi fatta eccezione la fase di formatura (che non è quindi fatta tramite iniezione bensì è fatta dalla stampante ad estrusione).
Una catena di processo lunga ma che all’interno del sistema Desktop Metal viene gestita interamente dal software Fabricate, alleggerendo quasi completamente l’utente da scelta critiche nel setup di tutti i passaggi. “Un modo di stampare metallo completamente nuovo e semplice – conclude la Hopcus –, che può trovare spazio nell’industria per ciò che riguarda le attrezzature, gli stampi e i componenti di prototipazione che necessitano una certa resistenza meccanica“.
Installazione e prime parti stampate milanesi
Sono molte le competenze che servono per gestire un processo cosi lungo e complicato in modo robusto e user friendly. Non è un caso che questa società a stelle e strisce sappia gestire tale complessità in quanto stretti sono i legami di Desktop Metal con la prima università mondiale nell’ambito del manufacturing ossia il Massachusetts Institute of Technology (MIT), al punto che da essa provengono alcuni dei suoi fondatori. Durante gli interventi in aula sono stati riportati i primi casi applicativi ed esempi di stampa effettuati sul sistema Desktop Metal appena installato. La complessità ottenibile sulle parti è elevata ed i primi componenti mostrati in acciaio 17-4PH lo dimostrano. Sottosquadri, superfici free-form, canali conformali e persino strutture lattice possono essere ottenute con questa tecnologia, ma sempre rispettando i vincoli imposti dagli step di post-processing. Pareti spesse che difficilmente posso essere decerate, pezzi massivi con parti estremamente snelle soggetti a sbilanciamenti termici o pezzi piani ad ampia superficie soggetti a sviluppare difetti di warpage, tuttavia risultano al momento fuori dalla portata. Una buona base di partenza da cui partire, che viene estesa facilmente considerando gli ulteriori materiali processabili sulla Desktop Metal come l’acciaio 316L oppure i gradi H13 e 4140.
Visite ai laboratori
Dopo la consueta parte in aula dove i relatori hanno presentato gran parte delle informazioni è stato quindi il turno della visita ai laboratori dove è installato il sistema Studio System+. Tale visita ha concesso agli invitati di toccare con mano i pezzi demo prodotti appositamente per l’evento e di vedere la macchina di stampa in azione. È stata anche l’occasione per dar modo ai partecipanti di prendere visione delle altre tecnologie additive presenti in via La Masa, prime su tutte le tecnologie basate su fascio di potenza laser (SLM e DED) ed elettroni (EBM).
Da notare in questa fase è stato il coinvolgimento diretto di Selltek/DEDEM con le figure di Marco Zappia e Riccardo Cafiso, rispettivamente responsabili area di vendita e assistenza tecnica, che hanno intrattenuto i gruppi partecipanti con una stazione dedicata alla spiegazione del software Fabricate di Desktop Metal, sottolineandone le caratteristiche e le peculiarità come l’installazione cloud e la completa gestione integrata dei job di stampa, di debinding e di sinterizzazione.
Nuovi materiali e approcci ibridi per l’additive manufacturing basato sull’estrusione
Durante la mattinata non poteva mancare uno sguardo sulle attività di ricerca che il Dipartimento porta avanti nel campo delle soluzioni additive basate sull’estrusione di feedstock metallico e ceramico. Sono stati i Prof. Matteo Strano e Massimiliano Annoni a raccontare l’esperienza scientifica maturata sul tema all’interno della sezione “Tecnologie e Sistemi di Produzione“. Una storia lunga ormai più di tre anni partita prima dell’acquisizione della stampante Desktop Metal, con il design e la costruzione di un prototipo di una macchina additiva di feedstock dal nome Efesto, fabbro degli dei nella mitologia greca.
Il Prof. Strano ha spiegato che tale sistema è stato brevettato grazie alla sua innovativa struttura a cinematica parallela che sfrutta un estrusore dall’elevata potenza di derivazione MIM (Metal Injection Molding). “Una soluzione di stampa 3D che mostra infinite possibilità dal punto di vista dei materiali processabili – ha commentato Strano –, grazie al disaccoppiamento tra la fase di deposizione e quella di sinterizzazione“.
Acciai, ceramiche ma anche rame, magnesio e materiali magnetici: non vi è un potenziale limite alle capacità di estrusione del macchinario, come mostrato con alcuni esempi concreti. Ciò certifica il fatto che questa tecnologia ha elevate potenzialità nell’intercettare e risolvere bisogni industriali concreti. Ma su questi materiali di ultima generazione vi è bisogno di ulteriori studi che riguardano soprattutto l’intera catena di processo, i parametri di processo, nonchè i legami interconnessi tra i vari step produttivi. In pratica, servono ancora sviluppi per riuscire a fare quanto Desktop Metal è riuscita a fare con l’acciaio fino ad ora.
A rafforzare il concetto legato all’innovatività e al potenziale industriale della soluzione basata su estrusione di feedstock ci ha pensato il Prof. Annoni, che ha presentato all’audience il concetto di ibridizzazione sottrattiva/additiva portando l’esempio della stampante prototipo Efesto. Non è sufficiente aggiungere un mandrino di fresatura ad una stampante con estrusore per sviluppare una macchina ibrida, dichiara il professore. Si tratta di un’integrazione che necessita di una completa e nuova gestione della logica di controllo di processo ma il risultato, se si è capaci, è assicurato. Ogni quanto alternare deposizione e fresatura, con che parametri fresare, come mantenere in posizione il pezzo evitandone danneggiamenti, sono tutti aspetti che vanno tenuti in considerazione. Se correttamente gestiti si genera un miglioramento delle qualità superficiale e delle tolleranze dei pezzi al verde nonché si abilita l’ottenimento di feature accurate dalle piccole dimensioni (fori, pareti sottili…).
Conclusioni
Sebbene la produzione additiva copra solo un’esigua parte dell’intera produzione di manufatti metallici attualmente prodotti nel pianeta, il mercato dei sistemi di stampa 3D per metalli è in continua crescita e va certamente monitorato perché da esso è possibile che fuoriescano tecnologie rivoluzionarie con un alto potenziale di diffusione capace di sconvolgere il modo di progettare e costruire i componenti richiesti dall’ industria. Non è ancora chiaro se la tecnologia basata su estrusione di metallo sia una di queste, ma le premesse raccolte durante la mattinata al Politecnico la indicano come sicuramente una di quelle da tenere monitorata soprattutto quando si parla di materiali innovativi difficilmente trattabili con le tecnologie tradizionali di stampa 3D basate su raggi di potenza. Per dirla all’americana… stay tuned!
di Paolo Parenti, Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano
