Cosa è la stampa 3D in metallo.
Come vengono realizzate parti completamente in metallo con la stampa 3D FFF
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Matteo Ingrosso
Autore articolo.
Cosa è la stampa 3D in metallo.
Normalmente la stampa 3D FDM, tratta polimeri generalmente, ma da alcuni anni, le tecnologie di stampa e i materiali sono notevolmente migliorati. Ad oggi è possibile realizzare parti più o meno complesse con moltissimi tipi di materiali con altrettante specifiche tecniche.
Tra questi materiali c’è anche il metallo. Infatti è possibile creare delle parti stampate con tecnologia FDM, che risultano essere al cento per cento metallo, avendo tutte quelle caratteristiche tecniche e meccaniche che ne seguono.
Tutta la nostra produzione di parti in metallo è realizzata con il sistema di RAISE 3D Metalfuse costituita da un processo di stampa 3D indiretto in metallo.
Con questa soluzione, i vantaggi di Metalfuse includono bassi costi generali e la possibilità di eseguire la produzione di piccoli lotti. Metalfuse consente di risparmiare più energia e rispetta maggiormente l’ambiente rispetto a processi come CNC e SLM (Selective Laser Melting)
COME FUNZIONA
Il processo di stampa delle parti in metallo è molto simile a quello tradizionale per le parti in plastica. Gli oggetti vengono creati tramite la deposizione di un sottile cordone di materiale fuso, che strato dopo strato crea l’oggetto desiderato. Questo tipo di materiale è a base polimerica, con all’interno delle particelle di metallo. La base polimerica funge da legante permettendo alle fibre di metallo de essere estruse e tenute insieme tra di loro, altrimenti sarebbe impossibile stampare un oggetto solamente in metallo con questa tecnologia.
Successivamente le parti stampate dovranno essere sottoposte ad ulteriori processi, di deceraggio e sinterizzazione, in forni appositi ad alta temperatura e pressione controllata. Solo alla fine di questi processi si otterranno parti in metallo piene al cento per cento. Nei prossimi paragrafi vedremo nel dettaglio queste fasi
IL TIPO DI ACCIAIO
Attualmente la azienda leader che produce filamenti metalli di alta qualità è la BASF, la quale in questi ultimi anni ha prodotto delle linee di materiali specifici per la stampa 3D, e la manifattura additiva in generale.
Il filamento che utilizziamo è il Ultrafuse® 17-4PH per la produzione di parti completamente in metallo. Questo speciale filamento garantisce la produzione di parti metalliche ad altissime prestazioni, con un’ottima stabilità ed accuratezza dimensionale, utilizzabili in molteplici ambiti come automotive aerospaziale e medicale.
PROCESSO DI STAMPA
Come ti accennavo precedentemente la stampa FFF in metallo, è molto simile a quella tradizionale per parti in plastica, con la differenza che questi pezzi dopo essere stampati vanno trattati in due fasi distinte di cui ti illustrerò a breve.
FASE DI STAMPA
Una volta creato il modello 3D dell’oggetto da realizzare, esso dovrà essere scalato in fase di slicing, di circa il venti percento in più delle dimensioni originali in tuti gli assi, questo perché il filamento metallico contiene all’interno una base polimerica che ne permette lo stampaggio tramite estrusione in stampanti FDM, che andrà successivamente rimossa in fase di deceraggio, così da avere un oggetto completamente in metallo. L’aggiunta di questa plastica crea un oggetto che è dimensionalmente più grande rispetto alle dimensioni definite in progettazione. Questa prima fase di stampa porta alla realizzazione della così detta “Green-Part”, ovvero la parte grezza del componente stampato.
DECERAGGIO / DEBINDING:
Il debinding è la rimozione dei leganti necessari per consentire il processo di stampa. I filamenti metallici Ultrafuse® utilizzano più sistemi leganti per garantire una rimozione rapida e controllata del materiale legante. Il deceraggio catalitico è un processo termochimico in cui le parti verdi vengono esposte ad acido nitrico gassoso (HNO3). La sinterizzazione in atmosfera controllata consente la produzione di un componente metallico finito, quasi completamente denso. Quanto più spessa è la parte, tanto più lungo è il tempo necessario per il debinding.
Questa fase è molto delicata, perché una volta terminata, l’oggetto molto fragile, se osservassimo l’oggetto al microscopio, noteremmo come all’interno vi siano dei piccoli spazi tra una particella di metallo e altra, dovuta al fatto che la parte legante in plastica e stata completamente asportata; quindi, l’oggetto non ha ancora quella resistenza tale che gli permette di essere robusto. Inoltre, questi piccoli spazi rendono l’oggetto ancora sovradimensionato rispetto alle dimensioni con cui è stato progettato.
Una volta rimosso il legante a base di polimerica, la Green Part è pronta per essere solidificata in una parte completamente metallica mediante sinterizzazione.
SINTERIZZAZIONE:
Al termine di queste due fasi resta quest’ultima: la sinterizzazione.
Le Green Part, come dicevo prima, sono relativamente porose e richiedono la sinterizzazione per produrre un materiale densificato e solido. La sinterizzazione combina le particelle metalliche della Green-Part in una massa solida e viene eseguita a pressioni e temperature inferiori al punto di fusione del materiale per mantenere la forma della parte.
Questa fase prevede l’introduzione dell’oggetto in un altro forno che raggiunge una temperatura di circa 1200°C, in questa fase le particelle di metallo vengono avvicinate l’una all’altra creando un legame stabile e fondendosi tra di loro.
Avvicinando le particelle di metallo dell’oggetto, si eliminano quei piccoli spazi e porosità che erano presenti precedentemente, l’oggetto subirà un ritiro dimensionale che gli darà le dimensioni effettive definite in progettazione.
POST-PRODUZIONE:
Tolleranze molto elevate e requisiti di qualità della superficie possono richiedere ulteriori metodi di post-lavorazione, come lucidatura, fresatura, trattamento termico e rivestimento. Tutti i possibili metodi di post-elaborazione e miglioramento della superficie applicabili alle parti in acciaio inossidabile sono validi anche per le parti metalliche stampate con questo tipo di filamento.
Infatti, è possibile ottenere dei pezzi completamente lisci e lucidi come se fossero stati realizzati con fresatura o tornitura, sono verniciabili e possono essere lavorati con macchine a controllo numerico l’laddove si ha la necessità di rettificare delle aree, come: fori, tasche o altro.
Conclusioni:
La stampa 3D in metallo è molto vantaggiosa quando si devono produrre piccoli lotti di componenti in metallo, altamente personalizzabili e modificabili nel tempo. Questa tecnologia permette di risparmiare più del cinquanta percento dei costi rispetto alle tecniche di produzione tradizionale CNC, taglio laser e tornitura, inoltre i tempi di realizzazione sono molto rapidi, parliamo di circa qualche giorno per un pezzo stampato in 3D, contro alcune settimane se non mesi con CNC.
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