Materiali per l’additive manufacturing, a che punto siamo

Ospitiamo una corposa riflessione di Stephen D. Hanna, Ph.D, Director of Product Management Materials di 3D Systems, sullo stato attuale dei materiali per la produzione additiva.

Mentre molti materiali per la produzione additiva sono simili alle alternative tradizionali, alcuni hanno proprietà molto diverse rispetto alle aspettative. Sotto alcuni aspetti, ciò potrebbe essere positivo. Inoltre, solo perché un materiale di stampa 3D ha una composizione chimica uguale o simile a un materiale stampato ad iniezione, non vi è alcuna garanzia che le sue prestazioni siano equivalenti.

Fare un confronto individuale, ad esempio, tra materiali in nylon/poliammide per la produzione additiva rispetto allo stesso per lo stampaggio ad iniezione potrebbe portare ad una conclusione errata.

Ci sono molte occasioni in cui il materiale utilizzato nello stampaggio ad iniezione è eccessivo per il pezzo che viene prodotto, a causa della disponibilità o semplicemente per le abitudini del team di officina.

Conoscere il design del componente è quindi fondamentale e a volte può indicare che un materiale per la fabbricazione additiva potrebbe essere più adatto rispetto ad un’alternativa tradizionale.

Ridurre la confusione sui materiali

Così come le proprietà dei materiali tradizionali sono espresse nelle norme di misura ASTM, la stessa cosa dovrebbe valere per i materiali dedicati alla produzione additiva. In 3D Systems tutti i materiali forniti hanno a disposizione schede tecniche che mostrano le principali performance in relazione a un numero di metriche misurate secondo gli standard ASTM.

Ciò aiuta i produttori a comprendere le reali proprietà che possono ottenere da una parte stampata in 3D. Gli esperti in azienda sono anche a disposizione per aiutare gli ingegneri di produzione a scegliere la piattaforma additiva ed il materiale più corretto per soddisfare l'applicazione di cui hanno bisogno ed i parametri di riferimento delle prestazioni.

Certificazione dei materiali e dei processi

Per molti settori, soprattutto in campo medico e aerospaziale, la certificazione dei materiali e/o di una macchina può essere fondamentale. Ciò richiede molto tempo ed esperienza e comprende inoltre test continui durante la produzione per garantire che le proprietà del materiale e le impostazioni della macchina rimangano valide.

Tuttavia, centinaia di macchine e materiali sono stati certificati con successo, i ricercatori di 3D Systems che lavorano con i produttori sono stati in grado di ridurre costantemente i tempi di certificazione, passando da anni a mesi nella maggior parte dei casi.

Nuovo approccio alla progettazione

Piuttosto che limitarsi ad utilizzare un disegno CAD per un componente che sarebbe stato stampato ad iniezione e realizzarlo tramite tecniche additive, uno dei veri valori di questa tecnologia è che consente la produzione di parti senza i limiti delle metodologie di produzione tradizionali.

Ciò consente un nuovo approccio alla progettazione del prodotto che può portare, ad esempio, ad una significativa riduzione del numero di componenti e a processi di assemblaggio ridotti. Il modo in cui funziona la tecnologia e l'accesso a molteplici materiali plastici e metallici influenza la realizzazione di parti metalliche realizzate con un peso molto più leggero rispetto alla norma.

Ad esempio: basta pensare a una testa di pistone altamente lavorata da un blocco di metallo. A causa del processo di lavorazione, si ha a che fare con parti metalliche pesanti e compatte, anche se il design non necessita di un blocco solido.

La progettazione per la produzione additiva consente agli ingegneri di alleggerire questo blocco in modo che mantenga la resistenza richiesta, ma ad una frazione del peso, aumentando così il rapporto resistenza-peso e riducendo al contempo i costi operativi e di produzione. Immaginate così di aver dimezzato il peso di tutti i pistoni del vostro motore mantenendo e forse migliorando le prestazioni. Come influirebbe sul consumo di carburante e sull'usura del motore?

Reticolo di una testa di pistone

Parti che richiedono resistenza chimica

Molti materiali plastici per la produzione additiva sono in grado di soddisfare i requisiti delle certificazioni ISO 10993-01, USP Classe VI, manipolazione degli alimenti e ritardanza di fiamma per il settore aerospaziale. I materiali plastici per la fabbricazione additiva possono essere resistenti ai comuni fluidi industriali come diesel, etanolo, freon, olio per macchine, oli motore, benzina e altro. Ciò significa che questi materiali possono essere utilizzati in relazione a sostanze chimiche, ad esempio, impugnature in macchine robotizzate dove sono presenti idrocarburi.

materiali Duraform ProX
Pezzo realizzato in DuraformProX

Migliore disinfezione delle parti

Diversi materiali di 3D Systems soddisfano i requisiti USP Classe VI e possono essere facilmente sterilizzati, rendendoli potenzialmente adatti all'uso in alcune applicazioni mediche dove è richiesta un'esposizione limitata alla pelle, come le guide chirurgiche. Grazie al modo in cui opera la produzione additiva, i dispositivi medici personalizzati diventano una realtà, e questo può ridurre i tempi di trattamento e migliorarne i risultati.

materiali 3DSystems
Guida chirurgica per ricostruzione mandibolare

Quasi tutte le applicazioni sono valide per la produzione mediante fabbricazione additiva, ma alcune hanno un valore superiore ad altre. La semplice riproduzione di un componente esattamente come sarebbe stato prodotto nello stampaggio ad iniezione rappresenta un'opzione, ma non fornisce il miglior rapporto qualità-prezzo per la tecnologia. Ecco alcuni esempi importanti:

Materiali per prototipazione rapida

L'applicazione originale della produzione additiva era rappresentata dalla prototipazione rapida, ma i materiali e le tecnologie si sono evoluti nel corso degli anni per offrire un valore ancora più rilevante. Praticamente tutte le tecniche additive possono e vengono utilizzate per la prototipazione, dai modelli fisici, fino a modelli funzionali per forma e vestibilità, così come i modelli di microfusione e i prototipi metallici.

Un importante esempio è l'uso di materiali Clear nelle stampanti 3D in stereolitografia (SLA) per parti trasparenti. La produzione può coinvolgere qualisiasi componente, da lenti molto dettagliate fino a blocchi motore trasparenti per convalidare il flusso d'olio su un banco prova.

materiali lenti

Anche le parti elastomeriche di alta qualità sono utili per realizzare importanti prototipi, consentendo la produzione molto rapida di parti simili alla gomma per poter testare il sovrastampaggio di parti, impugnature manuali e altri prodotti.

Materiali come Figure 4 FLEX-BLK 10 nella stampante 3D ultraveloce Figure 4 fornisce parti che hanno durata e flessibilità eccezionali per componenti simili al polipropilene, e VisiJet® Armor per le stampanti 3D MulitJet (MJP) può essere utilizzato inoltre per fornire e testare parti a scatto.

Produzione di strumentazioni

Molti produttori, in particolare nel settore automobilistico, utilizzano materiali per la sinterizzazione laser selettiva (SLS) come DuraForm ProX HST Composite per aumentare la produzione iniziale di componenti fino al completamento della strumentazione e all'avvio della produzione di massa. Si tratta di un nylon fibrorinforzato con eccellente rigidità e resistenza alle alte temperature. Inoltre, è non conduttivo e trasparente alle radiofrequenze (RF). Le sue proprietà sono adatte per molte parti e involucri, o per prove e uso in ambienti difficili.

Pezzo realizzato in Duraform HTS sls

Produzione di maschere e attrezzature personalizzate

La produzione additiva fornisce componenti true-to-CAD direttamente dal file di progettazione che consente progettazione e produzione molto rapida di maschere e attrezzature personalizzate per l'assemblaggio, il collaudo e la riparazione dei pezzi. Un materiale come Accura BlueStone è sufficientemente adatto e robusto da poter essere utilizzato per gli impianti di saldatura. La produzione di maschere e attrezzature attraverso questa metodologia elimina il tempo necessario per costruire a mano attrezzature personalizzate, aumenta la precisione e riduce gli errori di assemblaggio.

Utilizzati sia per prototipi sia per utensili di produzione a basso volume, le componenti stampate in 3D sono ideali per gli utensili da stampa.

Poiché queste attrezzature tendono ad essere abbastanza semplici, sono veloci da produrre e possono essere utilizzate per la produzione diretta di pezzi in volumi di diverse centinaia di pezzi. Le stampanti 3D SLA, Figure 4 e MJP (MultiJet) dispongono di una gamma di materiali robusti che possono essere utilizzati, inoltre, per gli utensili da stampa per l'idroformatura e la formatura sotto vuoto.

Pressa per idroformatura con lamiera

Modelli di microfusione

La produzione additiva consente la produzione sia di prototipi sia di modelli di microfusione. Dato il funzionamento della tecnologia, i modelli di fusione prodotti in questo modo possono fornire componenti fuse che in precedenza erano considerate ‘non modellabili’, con una maggiore complessità, nonché nuove e insolite forme. La metodologia SLA QuickCast® consente la produzione di modelli di colata molto grandi in tempi relativamente brevi e sono spesso utilizzati nella produzione di turbine e nel settore aerospaziale. La stampante 3D MJP 2500 IC con il materiale VisiJet M2 ICast garantisce una produzione molto rapida di modelli di microfusione in cera che si integrano perfettamente nel processo di microfusione.

Per progetti di fusione complessi come la microfusione di gioielli e strumenti medici, la stampante 3D ProJet MJP 2500W, con il materiale VisiJet M2 Cast rende la creazione dei calchi semplice e diretta, consentendo un nuovo livello di creatività e velocità di produzione per i progettisti.

Questi sono solo alcuni esempi della gamma di applicazioni che le tecnologie e i materiali per la fabbricazione additiva possono aiutare a semplificare. Questi materiali apportano nuovi processi produttivi e migliorano le prestazioni delle componenti in produzione.

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