Conoscenza di base

La produzione additiva sta diventando sempre più importante. Anche le fonderie possono beneficiare della stampa 3D. Ma come funziona e dove viene utilizzata?

I processi di fabbricazione additiva aprono possibilità di progettazione completamente nuove.

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La fabbricazione additiva sta giocando un ruolo sempre più importante nell’industria manifatturiera ed è usata principalmente nella costruzione di utensili e prototipi.

Additive Manufacturing: Definizione e spiegazione

Questo processo di fabbricazione è usato soprattutto nella costruzione di utensili (rapid tooling), nella fabbricazione di prodotti finali (rapid manufacturing) e nella produzione di prototipi (rapid prototyping). Come si può classificare la fabbricazione additiva in termini di tecnologie di fabbricazione? Le tecnologie di fabbricazione si basano generalmente su tre pilastri:

• Processi sottrattivi (qualcosa viene rimosso): Fresatura, tornitura, ecc.

• Processi formativi (si ridisegna un materiale): Colata, forgiatura, ecc.

• Processi additivi (si aggiunge qualcosa): stampa 3D, ecc.

La fabbricazione additiva descrive i processi in cui la parte da produrre è costruita mediante l’aggiunta di materiale. La costruzione avviene a strati. Questo comporta i seguenti due aspetti:

1. Il componente è costituito da diversi strati. Di solito il processo si svolge dal basso verso l’alto. In parole povere, si usa lo stesso principio della costruzione dei castelli di sabbia: Un nuovo strato viene applicato ad una piattaforma di costruzione per costruire una torre.

2. Diversi processi avvengono ripetutamente a strati (cioè uno dopo l’altro). Questo comporta l’alimentazione del materiale, la fusione (formatura), e infine l’incollaggio con gli strati precedenti. Questi passi, chiamati la catena del processo, sono gli stessi indipendentemente dalla macchina utilizzata per la fabbricazione additiva. L’unica differenza è il modo in cui vengono creati i singoli strati.

La fabbricazione additiva permette quindi la creazione di oggetti 3D. Affinché ciò sia possibile, la macchina richiede innanzitutto le specifiche di progettazione 3D (“CAD tridimensionale”) della parte da produrre. Il rispettivo set di dati consiste nei dati di contorno (lunghezza x, altezza y), il numero di strati (z) e lo spessore dello strato (dz). Il compito del programma informatico corrispondente è quello di dividere il modello in strati adeguati. Il software trasmette poi il set di dati alla macchina sotto forma di istruzioni di produzione, ad esempio la stampante per la stampa 3D di metalli.

Come funziona?

In quasi tutti i casi, la fabbricazione additiva utilizza un letto di polvere. Questo significa che un materiale in polvere viene alimentato in un letto dove viene ulteriormente elaborato. Nella stampa 3D dei metalli, per esempio, un metallo (o diversi metalli) viene ridotto in polvere prima di essere alimentato nella camera e ricostruito. Ci sono quattro metodi comuni per produrre gli strati dalla polvere:

• Sinterizzazione laser selettiva (SLS)

• Fusione laser selettiva (SLM)

• Fusione a fascio elettronico (EMD/ EBM)

• Binder Jetting

SLS: La sinterizzazione comporta il riscaldamento di materiali sotto pressione, ma non al punto di fonderli. La tecnologia laser permette di creare geometrie tridimensionali utilizzando i sottosquadri. Di solito si usano laser a CO2 o a fibra per fare questo.

SLM: La polvere viene riscaldata da un laser a fibra ad alta energia e poi raffreddata. La forma dei componenti è creata dalla deviazione mirata dei raggi laser. La SLM viene usata sempre più spesso della SLS. Poiché non viene applicata alcuna pressione, gli oggetti mostrano una maggiore resistenza e sono quindi più durevoli. Questo processo è frequentemente usato per la stampa 3D di metalli.

EMD/ EBM: In linea di principio, questo metodo è simile alla SLM. Tuttavia, questa applicazione utilizza un fascio di elettroni e non un raggio laser. L’intero processo avviene nel vuoto. EMD è più veloce di SLM, ma meno preciso e ha un volume massimo di stampa inferiore. Le macchine EMD hanno un diametro medio di 350 mm e un’altezza di 380 mm. Le macchine SLM sono due volte più grandi. L’EMD è particolarmente una tecnologia di produzione additiva ideale quando si devono produrre piccole parti in grandi quantità. Questo processo è spesso utilizzato anche per la stampa 3D di metalli.

Binder Jetting: La polvere viene depositata selettivamente con un legante liquido per formare gli strati. Questo processo ha il vantaggio di permettere una costruzione molto semplice in diversi colori.

Altri processi di fabbricazione

Questi quattro tipi di fabbricazione additiva possono essere integrati o sostituiti da altri processi. Questo vale, per esempio, per:

• Stereolitografia: Questo è un caso classico di fabbricazione additiva. Il processo era già stato sviluppato da Chuck Hull nel 1983. L’oggetto viene gradualmente abbassato in un bagno di fotopolimero liquido. Viene elaborato da un laser.

• Fused Layer Modelling (FLM): Questa è la procedura abituale per la stampa 3D (con la plastica). Si tratta di un processo speciale di estrusione in cui il materiale viene “pressato” fuori da un ugello per formare dopo il raffreddamento. Come al solito, l’estrusione avviene a strati. Nell’industria automobilistica o elettronica, per esempio, FLM spesso completa gli oggetti SLM. La stampa 3D in metallo può essere integrata da FLM, per esempio.

Aree di applicazione

Le aree di applicazione dei processi di produzione additiva possono essere divise in tre categorie. Queste applicazioni sono spesso erroneamente equiparate alle tecnologie:

• Prototipazione rapida: La fabbricazione additiva è usata per permettere la costruzione rapida di un modello. Ci dovrebbero essere modelli fisici disponibili in una fase iniziale dello sviluppo di un prodotto. La prototipazione rapida permette di produrre questi modelli in modo particolarmente affidabile.

• Rapid Tooling: In Germania, gli strumenti di piccole serie per lo stampaggio a iniezione e la fusione di metalli sono solitamente prodotti per mezzo della stampa 3D dei metalli.

• Rapid Manufacturing: Si tratta della produzione rapida di oggetti che vengono utilizzati come prodotti finali o componenti. A differenza della prototipazione rapida, non vengono generati modelli, ma parti pronte all’uso.

Pro e contro dell’Additive Manufacturing

Quali sono i vantaggi della produzione additiva?

• Individualizzazione

• Maggiore libertà di design

• Velocità

• Nessuno strumento o stampo richiesto

Uno dei vantaggi più importanti è che gli oggetti possono essere personalizzati a piacere. Per esempio, è possibile produrre pareti con spessori variabili, strutture molto fini o dimensioni molto piccole. Inoltre è possibile realizzare geometrie complesse con la stampa 3D dei metalli, che non sarebbero possibili con altri processi di fabbricazione. Questo include, per esempio, cavità, sottosquadri, canali con archi o sporgenze. Una volta il design di un oggetto doveva seguire i limiti delle possibilità di fabbricazione. Questo vincolo è in gran parte eliminato con la fabbricazione additiva e quindi è un grande vantaggio, soprattutto nella stampa 3D dei metalli. Inoltre, la fabbricazione additiva di un oggetto di solito richiede solo poche ore, mentre altri processi di fabbricazione richiedono giorni o settimane.

La fabbricazione additiva ha anche i seguenti svantaggi:

• Finitura inevitabile

• Adattabilità limitata alla produzione industriale di massa

Se un oggetto richiede una certa qualità di superficie, la post-elaborazione è inevitabile. Lo stesso vale se si devono mantenere certe tolleranze. Non esiste ancora uno standard per questo (ISO/ASTM 52195 potrebbe, tuttavia, essere ulteriormente elaborato in modo corrispondente). Specialmente nel caso della stampa metallica 3D, la finitura può essere estremamente dispendiosa in termini di tempo.

Per esempio, la stampa metallica 3D di solito permette di produrre al massimo due oggetti contemporaneamente in una macchina. I metodi di produzione convenzionali, invece, permettono di produrre quantità molto maggiori. Per la produzione industriale di massa, la fabbricazione additiva è quindi adatta solo in misura limitata. Il miglior esempio di questo è la produzione automobilistica: Teoricamente, un intero veicolo potrebbe essere prodotto con la fabbricazione additiva. A causa del gran numero di componenti, tuttavia, questo sarebbe troppo costoso. Per questo motivo, la maggior parte dei componenti continua ad essere prodotta con metodi convenzionali.

Dualità dei costi

La questione dell’investimento è un argomento controverso, secondo gli esperti. Perché il range di prezzo dei costi di acquisizione di una macchina va da 15 euro a oltre 100.000 euro. Rispetto ad altre macchine, questo non è particolarmente costoso. Questo è ancora il caso se si includono i costi di manutenzione. Soprattutto nella tecnologia medica, la fabbricazione additiva offre quindi un significativo vantaggio di costo. Le cose sono diverse nelle applicazioni industriali. In questo settore, ad esempio, la stampa 3D dei metalli integra i sistemi di produzione convenzionali. Tuttavia, non può sostituirli completamente. Qui, la fabbricazione additiva causa costi aggiuntivi.

La produzione additiva nel futuro

La produzione additiva ha un grande futuro davanti a sé. SAMG lo riassume così: Lo sviluppo attuale della fabbricazione additiva ha già superato le previsioni fatte negli studi effettuati negli anni precedenti. Rinomati istituti di ricerca come l’ETH di Zurigo sono convinti che la stampa 3D dei metalli diventerà sempre più importante nell’ingegneria meccanica e nella costruzione di utensili. L’obiettivo è che la produzione additiva diventi abbastanza veloce e precisa da essere adatta alla produzione in serie. Al momento, le possibilità della produzione additiva competono ancora con le macchine controllate da CNC, che sono ancora più adatte per la produzione in serie. L’obiettivo a lungo termine è che la stampa 3D in metallo di oggetti complessi superi il CNC in futuro.

L’industria spaziale e aeronautica è responsabile del successo dell’uso della stampa 3D. Nel settore automobilistico, i pezzi di ricambio in particolare sono prodotti utilizzando additivi. Qui troverete ulteriori informazioni sull’uso della produzione additiva in una panoramica dell’articolo.

Questo articolo è stato pubblicato per la prima volta da MM International.