Che cos'è la produzione additiva?
La fabbricazione additiva è un processo in cui i materiali vengono costruiti, strato per strato, per creare parti tridimensionali a partire da dati di modelli 3D. Il processo di produzione, noto anche come stampa 3D, ha le sue origini industriali nella metà degli anni '80. Brevettato dal fisico statunitense Chuck Hall, il processo di stereolitografia utilizzava un raggio laser per indurire la plastica liquida strato per strato. Ciò ha permesso all'industria di produrre materiale in modo meccanico. Qualsiasi componente con forme e strutture interne complesse poteva essere prodotto da un modello CAD 3D.
Da allora, la libertà di progettazione illimitata della produzione additiva ha ispirato i ricercatori di tutto il mondo e continua a ispirare lo sviluppo di nuovi processi e applicazioni di materiali. La plastica non è più l'unico materiale utilizzato. Vengono utilizzati anche ceramica, tessuti organici e una varietà di metalli. Le possibilità della produzione additiva sono tutt'altro che esaurite e c'è motivo di credere che l'uso dei processi additivi sarà in aumento in tutti i settori della produzione industriale.
Processi additivi: I sette gloriosi
In linea di principio, le stampanti 3D in metallo sono simili ai processi di una stampante a getto d'inchiostro. Per questo motivo il termine stampa 3D è più comunemente utilizzato. ISO/ASTM 52900 classifica i sistemi di produzione additiva disponibili in commercio in sette diversi processi. I loro principi di base differiscono in modo significativo, in particolare per quanto riguarda i materiali utilizzati e le modalità di costruzione degli strati di materiale. Ad esempio, il materiale di base per la stampa 3D può essere liquido, in polvere, viscoso o solido. A seconda della tecnologia, il materiale viene solidificato e costruito per fusione, sinterizzazione, laminazione, incollaggio o polimerizzazione.
Fusione in letto di polvere (PBF)
La fusione a letto di polvere (DIN: powder bed-based fusion) è il processo dominante nell'industria dei metalli. I componenti vengono prodotti accumulando il materiale strato per strato. I singoli strati corrispondono a "fette" orizzontali di un'immagine CAD tridimensionale del pezzo da produrre. Questi strati vengono poi utilizzati per calcolare un programma di controllo che dirige un raggio laser o elettronico attraverso questi tagli con alta precisione per fondere il materiale su tutta la loro superficie. L'area aderisce allo strato precedente e si solidifica quando il materiale si raffredda. Una volta fuso lo strato, viene applicato un nuovo strato di polvere. DMG MORI è rappresentata con successo sul mercato con la serie LASERTEC SLM.
Estrusione di materiale (MEX)
Nel processo di estrusione, il materiale viene erogato selettivamente attraverso un ugello o un orifizio. L'ugello mobile, noto anche come estrusore, applica uno strato di materiale, dopodiché l'estrusore o la piattaforma di costruzione vengono sollevati o abbassati e il processo viene ripetuto. Con il MEX si possono stampare diversi materiali. Si tratta per lo più di materiali termoplastici (ad esempio ABS, Nylon, PEEK, PLA). In generale, l'estrusione di materiali può lavorare materiali in pasta. Questi includono cemento o ceramica, ma anche prodotti alimentari come cioccolato o pasta.
Fotopolimerizzazione in vasca (VPP)
Nel processo VPP (DIN: fotopolimerizzazione a bagno), la resina polimerica liquida viene polimerizzata selettivamente in un serbatoio mediante polimerizzazione attivata dalla luce. I due tipi più comuni di VPP utilizzano un laser o diodi ad emissione luminosa (LED) in combinazione con l'elaborazione digitale della luce (DLP) come fonte di energia per polimerizzare la resina. I sistemi VPP basati sul laser polimerizzano in genere uno strato prima di abbassare il volume di costruzione e applicare un nuovo strato di fotopolimero liquido all'area di costruzione.
Bagnatura del legante (BJT)
Nel binder jetting (DIN: applicazione di legante a getto libero), una testina di stampa applica gocce di legante al materiale e fonde le particelle in un modello predeterminato. Si possono lavorare polimeri, metalli, ceramiche o sabbia. Una volta completato uno strato, la piattaforma di stampa si sposta verso il basso e un nuovo strato di polvere viene applicato alla piattaforma di costruzione. Le parti prodotte con il processo di getto di legante richiedono in genere una post-elaborazione per migliorarne le proprietà meccaniche. Ciò può comportare l'aggiunta di un ulteriore adesivo o il posizionamento del pezzo in un forno per sinterizzare le particelle.
Taglio del materiale (MJT)
Nel processo MJT (DIN: applicazione di materiale a getto libero), gocce di un fotopolimero o di un altro materiale simile alla cera vengono applicate selettivamente attraverso le testine degli ugelli. La luce UV viene utilizzata per polimerizzare e solidificare il materiale. Una volta polimerizzato uno strato, gli ugelli della testina di stampa applicano nuovo materiale strato per strato. Questo processo può essere utilizzato per stampare diverse combinazioni di materiali per creare proprietà o colori diversi all'interno del pezzo.
Deposizione diretta di energia (DED)
Nel processo di Deposizione Diretta di Energia (DIN: applicazione di materiale con immissione di energia diretta), un materiale viene fuso mediante l'applicazione di energia termica diretta. Il materiale di partenza è una polvere metallica o un filo. Il processo produce pezzi di forma quasi netta e in genere richiede una lavorazione per ottenere le tolleranze richieste. Per questo motivo, il processo DED è spesso combinato con una fresatrice (commercializzata da DMG MORI come LASERTEC DED hybridseries). Il processo DED può anche lavorare più di un materiale. Una caratteristica particolare è che può essere utilizzato anche per riparare parti danneggiate applicando il materiale direttamente sulle aree danneggiate.
Laminazione in fogli (SHL)
La laminazione in fogli (DIN: laminazione a strati) è l'unione di componenti mediante l'impilamento e la laminazione di strati sottili di materiale con un processo adesivo o di saldatura. I materiali che possono essere laminati includono metallo, carta, polimeri o materiali compositi. I contorni degli strati sono solitamente creati in un processo di lavorazione prima o dopo l'applicazione di uno strato o di un materiale. Le possibili varianti del processo sono Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM), Selective Deposition Lamination (SDL) o Laminated Object Manufacturing (LOM). Rispetto ad altre tecniche additive, questi processi sono relativamente economici e veloci, ma offrono anche una progettazione meno precisa.
Produzione additiva: una tecnologia promettente
L'enorme versatilità della produzione additiva è evidente nella varietà di forme e materiali che possono essere lavorati. Di conseguenza, la produzione additiva si è già affermata in molte aree applicative, come l'ingegneria meccanica, la costruzione di utensili e stampi, la tecnologia medica e l'aerospaziale. Per quanto riguarda il notevole potenziale della tecnologia di stampa 3D, essa è ancora all'inizio delle sue possibilità. In generale, si dice che abbia il potere di cambiare profondamente e in modo sostenibile la produzione industriale, sempre guidata dalla visione di poter produrre prodotti personalizzati e individualizzati in modo rapido ed economico. Materiali, dimensioni dei componenti, precisione, affidabilità e ripetibilità sono al centro del processo di sviluppo. Altre sfide riguardano la post-elaborazione automatizzata, la standardizzazione delle procedure di produzione e collaudo additivo e la formazione di operatori e ingegneri responsabili della progettazione e della costruzione di parti additive, macchine CNC e centri di lavoro.
Versatilità oltre l'uso industriale
La storia della fabbricazione additiva non si limita all'industria. In medicina, ad esempio, le potenziali applicazioni spaziano dall'istruzione e dalla diagnostica alla preparazione di procedure chirurgiche e alla fabbricazione di impianti e protesi mediche individuali. Grandi speranze sono riposte anche nella visione del "bioprinting", la "stampa" delle cellule del corpo stesso. Tuttavia, la stampa 3D con materiali organici è ancora in fase di ricerca di base.
Nel campo dell'edilizia e dell'architettura, le possibilità della produzione additiva sono più tangibili e quindi più facili da immaginare. La produzione di modelli di progettazione in 3D per la pianificazione delle costruzioni è già una prassi comune. Anche la stampa dell'involucro di una casa non è più un'utopia. La produttività, l'automazione cnc e i vantaggi ambientali della produzione additiva stanno spingendo l'implementazione di queste applicazioni.
I processi di fabbricazione additiva suscitano interesse per la tecnologia e l'innovazione
La stampa 3D e la produzione additiva stanno diventando sempre più popolari anche nel settore privato. Lo dimostrano non solo la popolarità delle autoimmagini materializzate, ma anche le stampanti offerte dai discount e le numerose comunità 3D in cui gli inventori condividono trucchi e dati. L'atmosfera che circonda i processi di fabbricazione additiva è generalmente positiva, con il prezioso effetto collaterale di aumentare l'interesse per la tecnologia e l'innovazione nella società. Gli innumerevoli piccoli esempi del settore privato mostrano chiaramente come la stampa 3D possa ridurre significativamente l'impatto ambientale grazie al basso consumo di energia e di materiali e alla riduzione dei rifiuti nella produzione personalizzata.
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