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- INTRODUZIONE ALLA STAMPA 3D - PROCESSI ADDITIVE MANUFACTURING - MATERIALI PER ADDITIVE MANUFACTURING METALLICO
Tipologia: Appunti
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“Additive Manufacturing (AM) refers to a family of manufacturing technologies that sequentially add units of standard input materials to enable the fabrication of discrete physical products. This process is analogous to a printing process but is applied in three dimensions, and results in the commonly applied terminology, 3D printing.”
La stampa 3D ha richiesto lo sviluppo di una serie di tecnologie come:
“A key enabling principle of AM part manufacture is the use of layers as finite 2D crosssections of the 3D model. Almost every AM technology builds parts using layers of material added together; and certainly all commercial systems work that way, primarily due to the simplification of building 3D objects.”
Costi di produzione ridotti: i materiali unitari comuni e i processi di progettazione digitale inerenti all'AM consentono vantaggi economici per la produzione, in particolare per la produzione a basso volume, inclusa la produzione di prodotti su misura personalizzati in massa Maggiore complessità: l'aggiunta sequenziale di materiali intrinseca all'AM consente un approccio esterno-interno alla produzione; questo approccio consente la fabbricazione di componenti ad alta complessità che sono impegnativi o addirittura impossibili da produrre con la fabbricazione tradizionale, comprese strutture topologicamente ottimizzate e strutture cellulari ad alta efficienza. Materiali personalizzati: AM elabora i materiali delle unità in un modo unico. Questo attributo consente l'innovazione nella scienza dei materiali, comprese nuove chimiche dei polimeri, la produzione di complessi costrutti biologici e proprietà metallurgiche non realizzabili con la produzione tradizionale Progettazione generativa: la natura digitale dell'AM consente un approccio automatizzato alla progettazione, documentazione e produzione di sistemi ingegnerizzati complessi; questa opportunità può potenzialmente ridurre i costi di progettazione al punto in cui il prodotto AM può essere personalizzato in massa in base ai requisiti specifici di un particolare scenario di progettazione. Scarto ridotto: grazie all'utilizzo efficiente dei materiali di input unitari, la produzione additiva consente di ridurre gli sprechi e i costi dei materiali per geometrie complesse; e paradossalmente consente la fabbricazione di prodotti ad alta complessità con un costo unitario ridotto.
Il gruppo dell'American Society for Testing and Materials (ASTM) "ASTM F42 - Additive Manufacturing", ha formulato una serie di standard che classificano la gamma di processi di produzione additiva in 7 categorie:
I processi di fotopolimerizzazione fanno uso di liquidi, resine induribili con radiazioni o fotopolimeri, come materiali primari. La maggior parte dei fotopolimeri reagisce alle radiazioni nella gamma di lunghezze delle onde ultraviolette (UV), ma vengono utilizzati anche alcuni sistemi di luce visibile. Dopo l'irradiazione, questi materiali subiscono una reazione chimica per diventare solidi. Questa reazione è chiamata fotopolimerizzazione ed è tipicamente complessa, coinvolgendo molti partecipanti chimici. A metà degli anni '80, Charles (Chuck) Hull stava sperimentando materiali polimerizzabili ai raggi UV esponendoli a un laser di scansione, simile al sistema trovato nelle stampanti laser. Ha scoperto che si potevano produrre modelli polimerici solidi. Polimerizzando uno strato su uno precedente, poteva fabbricare una parte 3D solida. Radiazione utilizzata per la polimerizzazione: Raggi gamma X-rays Electron beams (Fascio di elettroni) UV Visible light Tecniche di polimerizzazione (stereolitografia): Vector scan, o point-wise, tipici delle macchine SL commerciali: è costituita da una vasca con del liquido, vincolata ad una piattaforma che può muoversi in altezza, il laser attraverso delle ottiche va a focalizzarsi in un punto ben preciso, lo scanning è un dispositivo in grado di orientare e focalizzare il raggio in punto ben preciso del piano di stampa. Mask projection, o layer-wise, che irradiano interi strati contemporaneamente: il laser attraversando un’ ottica, va ad impattare su un DMD che è in grado di indirizzare la luce su tutto il piano di stampa. Approccio a due fotoni, che è essenzialmente un approccio punto per punto ad alta risoluzione, la resina polimerizza quando attraversata dal laser.
I processi di fusione a letto di polvere (PBF) sono stati tra i primi processi AM commercializzati. Sviluppato presso l'Università del Texas ad Austin, USA, la sinterizzazione laser selettiva (SLS) è stato il primo processo PBF commercializzato. Tutti i processi PBF condividono un insieme di caratteristiche di base. Questi includono una o più sorgenti termiche per indurre la fusione tra particelle di polvere, un metodo per controllare la fusione della polvere in una regione prescritta di ciascuno strato e meccanismi per aggiungere e levigare strati di polvere. Le sorgenti termiche più comuni per PBF sono i laser. I processi LS sono stati originariamente sviluppati per produrre prototipi di plastica utilizzando una tecnica di scansione laser puntiforme. Questo approccio è stato successivamente esteso alle polveri metalliche e ceramiche; vengono ora utilizzate ulteriori sorgenti termiche; e varianti per la fusione a strati di materiali in polvere vengono introdotte in commercio. Di conseguenza, i processi PBF sono ampiamente utilizzati in tutto il mondo, hanno una vasta gamma di materiali (inclusi polimeri, metalli, ceramiche e compositi) MATERIALI POLIMERICI Termoindurenti vs Termoplastici I polimeri termoindurenti in genere non vengono elaborati utilizzando PBF in parti, poiché essi si degradano, quindi non si sciolgono, quando la loro temperatura aumenta. Amorphous vs Semi-crystalline I polimeri amorfi fondono in un intervallo di temperature abbastanza ampio. All'aumentare della cristallinità di un polimero, tuttavia, le sue caratteristiche di fusione tendono a concentrarsi maggiormente attorno a un punto di fusione ben definito. Attualmente, il materiale più comune utilizzato nel PBF è la poliammide, un polimero termoplastico, comunemente noto negli Stati Uniti come nylon. METALLICI Una vasta gamma di metalli è stata lavorata utilizzando PBF. In generale, qualsiasi metallo che può essere saldato è considerato un buon candidato per la lavorazione PBF. Diversi tipi di acciai, tipicamente inossidabili e per utensili, titanio e sue leghe, leghe a base di nichel, alcune leghe di alluminio e cromo-cobalto sono stati lavorati e sono disponibili in commercio in qualche forma. Inoltre, alcune società ora offrono PBF di metalli preziosi, come argento e oro. CERAMICI I materiali ceramici sono generalmente descritti come composti costituiti da metal-ossidi, carburi e nitruri e dalle loro combinazioni. Diversi materiali ceramici sono disponibili in commercio tra cui ossido di alluminio e ossido di titanio.
Nella lavorazione indiretta, per la costruzione delle parti viene utilizzata una polvere metallica rivestita di polimero o una miscela di polveri metalliche e polimeriche. Durante la lavorazione indiretta, il legante polimerico viene fuso e lega insieme le particelle e la polvere metallica rimane solida. Le particelle di polvere metallica rimangono in gran parte inalterate dal calore del laser. Le parti prodotte sono generalmente porose (a volte superano il 50% in volume di porosità). Le parti verdi legate con polimero vengono successivamente lavorate in forno. La lavorazione del forno avviene in due fasi: (1) debinding e (2) infiltrazione o consolidamento.
La fusione del fascio di elettroni (EBM) è diventata un approccio di successo al PBF. A differenza dei sistemi basati sul laser, EBM utilizza un fascio di elettroni ad alta energia per indurre la fusione tra le particelle di polvere metallica. PRO & CONTRO PBF può elaborare un'ampia varietà di materiali Se un metallo può essere saldato, è un buon candidato per SLS La polvere sciolta è un materiale di supporto sufficiente per il polimero
La tecnologia basata sull'estrusione è attualmente la più popolare sul mercato. Sebbene esistano altre tecniche per creare l'estrusione, il calore viene normalmente utilizzato per fondere il materiale sfuso in una piccola camera portatile. Il materiale viene spinto attraverso un sistema di alimentazione del tractor, che crea la pressione per estrudere. Ci sono una serie di caratteristiche chiave comuni a qualsiasi sistema basato su estrusione:
Il Material Jetting (MJ) è una delle tecnologie di stampa 3D più veloci e accurate. Costruisce parti utilizzando goccioline di fotopolimero liquido, che vengono polimerizzate (rese solide) con luce UV. Poiché la resina fotopolimerica viene spruzzata in goccioline prima che si solidifichi, MJ viene spesso paragonato al processo a getto d'inchiostro 2D. Tuttavia, mentre le stampanti a getto d'inchiostro depositano solo un singolo strato di goccioline di inchiostro, MJ costruisce strato su strato fino a quando la parte non è finita. TECHNICAL CHALLENGES
I processi Binder Jetting (BJ) stampano un legante in un letto di polvere per fabbricare una parte. Quindi, in BJ, solo una piccola parte del materiale della parte viene erogata attraverso la testina di stampa. La maggior parte del materiale della parte è costituita da polvere nel letto di polvere. Tipicamente, le goccioline di legante (80 μm di diametro) formano agglomerati sferici di particelle di liquido e polvere legante e forniscono un legame allo strato stampato in precedenza. Poiché la testina della stampante contiene diversi ugelli di espulsione, BJ presenta diverse strade unidimensionali parallele per la modellazione. Poiché il processo può essere ridimensionato in modo economico semplicemente aumentando il numero di ugelli della stampante, il processo è considerato un processo scalabile. Per i metalli vengono utilizzati leganti polimerici. Per fabbricare una parte metallica, la parte "verde" viene rimossa dalla macchina AM, quindi viene sottoposta a tre cicli del forno. Nel primo ciclo, la bassa temperatura viene utilizzata per diverse ore per bruciare il legante polimerico. Nel secondo ciclo, l'alta temperatura viene utilizzata per sinterizzare leggermente le particelle di metallo insieme in modo che la parte abbia una resistenza decente. Se questo ciclo è troppo lungo, le particelle di metallo si sciolgono più completamente, facendo perdere alla parte la precisione dimensionale e la forma desiderata. Dopo questo ciclo, la parte è densa di circa il 60%. Nel ciclo finale, un lingotto di bronzo viene posto nel forno a contatto con la parte in modo che il bronzo si infiltri nei pori della parte, risultando in parti che sono dense del 90-95%. PRO & CONTRO With respect to MJ, binder jetting has some distinct advantages. First, it can be faster since only a small fraction of the total part volume must be dispensed through the print
Come spiegato nella sezione precedente, un'ampia varietà di materiali è stata elaborata utilizzando una varietà di processi di laminazione dei fogli, tra cui plastica, metalli, ceramica e carta. Sono stati sviluppati numerosi altri processi basati sulla laminazione di fogli che coinvolgono altri materiali di costruzione e strategie di taglio. A causa del principio di costruzione, vengono tagliati solo i contorni esterni delle parti e i fogli possono essere tagliati e quindi impilati o impilati e quindi tagliati. Questi processi possono essere ulteriormente classificati in base al meccanismo impiegato per ottenere il legame tra gli strati: (A) gluing or adhesive bonding, (B) thermal bonding, (C) clamping, (D) ultrasonic welding.
Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM), noto anche come Ultrasonic Consolidation (UC), è un processo ibrido di laminazione di fogli che combina saldatura ad ultrasuoni di metalli e fresatura CNC. Durante lo UAM, un sonotrodo rotante viaggia lungo la lunghezza di una sottile lamina di metallo (in genere di 100-150 μm di spessore). La lamina è tenuta strettamente a contatto con la piastra di base o lo strato precedente applicando una forza normale tramite il sonotrodo rotante. Il sonotrodo oscilla trasversalmente alla direzione del movimento, a una frequenza costante di 20 kHz e all'ampiezza di oscillazione impostata dall'utente.
Le strutture intelligenti sono strutture in grado di rilevare, trasmettere, controllare e / o reagire ai dati, come le condizioni ambientali. In una struttura intelligente, è possibile integrare sensori, attuatori, processori, dispositivi di gestione termica e altro per ottenere la funzionalità desiderata. Molti tipi di elettronica incorporata, sensori e dispositivi di gestione termica sono stati inseriti nelle cavità dello scanner UAM. I sensori per la registrazione di temperatura, accelerazione, stress, deformazione, magnetismo e altri fattori ambientali sono stati completamente incapsulati e sono rimasti funzionali dopo l'incorporamento dello scanner UAM.
I processi di deposizione diretta di energia (DED) consentono la creazione di parti fondendo il materiale mentre viene depositato. Sebbene questo approccio di base possa funzionare per polimeri, ceramiche e compositi a matrice metallica, viene utilizzato principalmente per le polveri metalliche. Pertanto, questa tecnologia viene spesso definita tecnologia di "deposizione di metalli". A differenza delle tecniche di fusione del letto di polvere, i processi DED non vengono utilizzati per fondere un materiale che è pre-posato in un letto di polvere, ma vengono utilizzati per fondere i materiali mentre vengono depositati. Il tipo più comune di sistema DED è un sistema di deposizione laser a base di polvere ottimizzato per metalli (Laser-Based Metal Deposition). Il substrato può essere una piastra piatta su cui verrà fabbricata una nuova parte o una parte esistente su cui verrà aggiunta una geometria aggiuntiva. La deposizione è controllata dal movimento differenziale relativo tra il substrato e la testa di deposizione. Grazie all'integrazione in una fresatrice CNC, una testa LBMD può abilitare capacità additive e sottrattive in un unico apparato. In LBMD, il laser genera un piccolo bagno fuso (tipicamente 0,25–1 mm di diametro e 0,1–0,5 mm di profondità) sul substrato quando la polvere viene iniettata nel bagno. La polvere si scioglie quando entra nella piscina e si solidifica quando il raggio laser si allontana. I processi DED sono in grado di produrre parti completamente dense con caratteristiche microstrutturali altamente controllabili. Questi processi possono produrre componenti funzionalmente classificati con variazioni di composizione nelle direzioni X, Y e Z. I principali limiti dei processi DED sono la scarsa risoluzione e la finitura superficiale. Una precisione migliore di 0,25 mm e una rugosità superficiale inferiore a 25 μm (media aritmetica) sono difficili con la maggior parte dei processi DED. La velocità di costruzione più lenta è un'altra limitazione. I tempi di costruzione possono essere molto lunghi per questi processi, con velocità di deposizione tipiche fino a 25–40 g / h.
