La stampa 3D per metallo, per tutti!

Figura 1 - Sistema di fabbricazione additiva Adam: a sinistra la macchina di stampa 3D, al centro il Wash e a destra il Sinter.

In questo articolo verrà analizzata una delle tecniche di additive manufacturing per i materiali metallici più semplici e alla portata di tutti, con pochi limiti nell’utilizzo e molti materiali interessanti disponibili.

La tecnologia Adam è una particolare tecnica di stampa 3D che lavora il metallo, partendo da un filamento e utilizzando una testa di lavorazione con un principio di funzionamento equivalente alle stampanti 3D FDM ed è stata messa a punto dalla casa americana Markforged. L’acronico sta per Atomic Diffusion Additive Manufacturing. In Figura 1 viene riportata un’immagine in cui è presente il sistema di fabbricazione additiva così composto:

1. La macchina di stampa 3D, che viene chiamata Metal X. Si tratta di una stampante 3D FDM a tutti gli effetti, poiché estrude un filamento che è formato da metallo più un legante polimerico (misto a della “cera“). Lavora a camera e piano riscaldati (circa 80 gradi). Le parti vengono stampate su un foglio (uguale per tutti i materiali) posizionato sul piano di lavoro e tenuto ancorato a esso tramite un sistema di pressa a vuoto. La Metal X ha una piattaforma di costruzione di 300x220x180 mm e ha due ugelli, uno per il materiale metallico (ovvero, metallo più legante) e uno per il materiale ceramico. Il primo serve a realizzare le parti e i supporti, mentre il secondo viene utilizzato per eseguire l’ultimo layer di separazione tra supporto (realizzato, quindi, nello stesso materiale del componente) e superficie aggettante. Ciò garantisce la possibilità di rimuovere i supporti facilmente dopo la fase di sinterizzazione (punto 3). In definitiva, la parte realizzata con la Metal X prenderà il nome di “green part”. Un’immagine che mostra la macchina in funzione è riportata in Figura 2.
2. Il Wash è una stazione di debinding del solvente, usata per rimuovere il legante di cera dalle parti stampate con la stampante 3D Markforged Metal X. Le parti “verdi” stampate sono collocate in un cestello che viene abbassato in una camera di immersione. Il solvente viene riscaldato nella camera di ebollizione e raffreddato mediante bobine di condensazione per il recupero dello stesso in un separatore d’acqua. Il solvente viene, poi, riportato nella camera di immersione. Dopo un periodo di tempo prestabilito dal software e funzione della geometria del componente, la parte sottoposta a debinding chimico viene rimossa, asciugata in aria (in un’apposita sezione presente nella parte destra del Wash) e pesata per determinare la perdita di massa. Se il solvente ha sciolto una quantità sufficiente di legante di cera, la parte sottoposta a debinding è pronta per il ciclo di sinterizzazione nel forno (Sinter-1 o Sinter-2). In questo stadio, quella che prima era la “green part” diventa adesso “brown part”. Nel Wash è possibile inserire componenti di materiale diverso, in quanto il processo di attacco chimico (debinding) viene svolto sul legante (cera) alla stessa maniera per tutti i materiali.
3. Il sinterizzatore che ultima il processo dando alla parte le proprietà geometriche e meccaniche finali. Questo sistema utilizza il processo di sinterizzazione puro (pressione e temperatura) per dare la geometria definitiva alle parti con una precisione dimensionale di più o meno 125 micron. Il tempo di sinterizzazione è fisso e pari a circa 27 ore, qualsiasi sia il numero di componenti inseriti al suo interno. È evidente, dunque, che per ottimizzare l’infornata è necessario inserire il maggior numero di componenti possibili per ridurre tempi e costi di produzione. I sinter lavorano con gas inerte (argon) e una miscela (idrogeno più argon), adeguatamente aspirati da un pacco bombole dedicato. I valori di pressione e temperatura cambiano da materiale a materiale e sono parametri di processo di proprietà del produttore e non modificabili dall’utente che, infatti, deve solo scegliere il tipo di materiale che si sta inserendo tramite un apposito display. È evidente, dunque, che non è possibile “infornare” componenti di materiale diverso.

Figura 2 – Markforged Metal X in funzione mentre stampa 17-4 PH, acciaio martensitico posabile in opera con strutture reticolari interne cave generate automaticamente dal software di slicing Eiger.

Riassumendo, dunque, nella macchina di stampa 3D viene realizzata quella che si chiama “green part”, ovvero un manufatto con delle dimensioni superiori rispetto a quelle nominali, in quanto tale parte è costituita da una miscela metallica più un legante. Una volta terminato il processo di “stampa”, la “green part” viene immersa in un particolare liquido contenuto nel Wash, che andrà a formare la “brown part”: quest’ultima avrà le caratteristiche necessarie (a livello fisico e chimico) per essere sottoposta al processo finale di sinterizzazione. In quest’ultima fase, sarà possibile ottenere la parte con le dimensioni nominali del CAD. Il processo ha una tolleranza dell’ordine del decimo. Le parti così realizzate hanno una finitura superficiale abbastanza buona (chiaramente, per una finitura superficiale migliore o a specchio sarà necessario prevedere un sovrametallo e una successiva lavorazione). Tale processo richiede l’uso di supporti, che vengono realizzati nello stesso materiale della “green part” e vengono tolti appena dopo il processo di sinterizzazione. Alla fine di tale fase, essi sono costituiti da metallo più un materiale friabile, secondo lo schema che segue:
1. Primo strato di materiale ceramico tra la piattaforma ed il resto del supporto;
2. Secondo strato di materiale ceramico tra il supporto ed il pezzo.

Questo schema è stato pensato per garantire una veloce rimozione dei supporti stessi. Chiaramente, però, la finitura superficiale, laddove c’erano le strutture di supporto, sarà un po’ più grossolana.

Figura 3 – Componenti realizzati in rame puro (99,8%) con la tecnologia Adam di Markforged.

Materiali disponibili

Il sistema Adam può vantare diversi materiali, tutti contenuti in bobine e forniti dal produttore. Come detto sopra, ogni filamento non è “puro”, ma è costituito da materiale più legante. Di seguito vengono elencati i principali materiali posabili in opera da questo sistema, di cui alcuni ancora in fase di sviluppo:
1. acciai inossidabili (17-4 PH e 316L);
2. acciai per utensili (A2, H13 e D2);
3. Inconel 625;
4. rame puro (99,8 %);
5. Ti64.

Le principali applicazioni riguardano attrezzature e utensili speciali, e componenti per i quali sono richiesti piccoli lotti di produzione e una loro realizzazione con i sistemi a controllo numerico non risulta competitiva. Questi ultimi, solitamente, vengono realizzati in acciaio (o Inconel 625 nel caso di ambienti difficili). Tuttavia, questo processo è molto famoso per la possibilità di posare in opera in modo molto semplice ed efficiente il rame puro, con il quale vengono realizzati sistemi per applicazioni elettroniche (scambiatori di calore e dissipatori), punzoni di saldatura, elettrodi e molto altro (vedi Figura 3).

Esiste, inoltre, un altro produttore (americano) che realizza un sistema di stampa 3D molto simile, Desktop Metal. Quest’ultima, però, connota il processo con il nome di “Bound Metal Deposition”, in quanto viene estruso un materiale che si trova sottoforma di bacchetta, anziché filamento. In questa, sezione è stata presa in esame la soluzione Markforged, ma gli step produttivi possono considerarsi analoghi a quelli di Desktop Metal, a meno di alcuni accorgimenti tecnologici.

 

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