Che cos’è la fabbricazione additiva dei metalli?
La produzione additiva di metallo, nota anche come stampa 3D di metallo, è un metodo di produzione high-tech in cui gli oggetti vengono prodotti aggiungendo strati successivi di materiale. L’approccio utilizza una fonte di energia, ad esempio un raggio laser o elettronico, per fondere insieme la polvere di metallo o il filo, formando un oggetto solido. Di conseguenza, questa tecnica consente di sviluppare progetti complessi che non possono essere realizzati o che sono difficili da realizzare con i processi di produzione tradizionali.
La fabbricazione additiva dei metalli offre numerosi vantaggi, tra cui una libertà di progettazione senza pari e l’utilizzo di metalli diversi. Ciò l’ha resa indispensabile per la crescita dell’industria manifatturiera, contribuendo a migliorare l’efficienza, a ridurre gli sprechi, a diminuire le emissioni e ad aumentare i tassi di produzione di parti più consistenti e leggere. I settori aerospaziale, automobilistico, medicale e dei beni di consumo sono stati identificati come i principali beneficiari di questa tecnologia.
Metodi di fabbricazione additiva dei metalli
Metodi di letto a polvere
Il metodo del letto di polvere si riferisce alla distribuzione di un sottile strato di polvere metallica sulla superficie di un letto. Gli strati sottili vengono poi sottoposti a fusioni e fusioni selettive da sorgenti ad alta energia, come laser o emanazioni di elettroni, per formare l’oggetto desiderato. Questo metodo offre un’eccezionale capacità di generare geometrie complesse con precisione.
Deposizione diretta di energia (DED)
Nella deposizione a energia diretta, il materiale viene fuso da un riscaldatore e contemporaneamente depositato attraverso un ugello. Questo processo costruisce strati per produrre un oggetto solido. La DED è utile in vari settori perché può riparare parti esistenti e aggiungere materiali.
Getto di legante metallico
La tecnica del metal binder jetting utilizza leganti liquidi distribuiti su strati successivi di metallo in polvere, che fungono da collante tra le particelle. L’oggetto risultante richiede un ulteriore trattamento, solitamente processi di sinterizzazione o infiltrazione, per renderlo più robusto/duro di prima, pur mantenendo la sua forma senza deformazioni. Questo metodo è utile per molte applicazioni, in particolare per quelle che prevedono una produzione di massa, dove sono necessari pezzi complessi senza aumentare troppo le temperature.
Confronto tra diversi metodi di produzione additiva di metalli
Metodi di letto a polvere
Vantaggi
I metodi a letto di polvere sono i migliori per la costruzione di forme complesse. Questo metodo è altamente accurato e utilizza solo la polvere necessaria, risparmiando così sugli sprechi. Può essere modificato per adattarsi a prodotti personalizzati ed è quindi applicabile a diversi metalli e leghe.
Svantaggi
Le costose materie prime utilizzate nelle procedure rendono costoso l’acquisto di tutti gli strumenti essenziali necessari. Ha una velocità limitata, oltre a possibili vincoli di volume durante la produzione. I trattamenti superficiali possono richiedere una rifinitura supplementare dopo la lavorazione, inoltre ci sono rigide linee guida di sicurezza quando si lavora con le polveri metalliche.
Getto di legante
Vantaggi
I supporti sono necessari solo a volte nel binder jetting, il che riduce gli scarti e i costi di post-lavorazione. Ricicla fino al 99% della polvere sfusa, consentendo di realizzare progetti complessi senza aumentare i costi. È possibile realizzare più parti in un’unica stampa, risparmiando tempo e riducendo i costi.
Svantaggi
Tuttavia, il binder jetting richiede attrezzature aggiuntive per il post-processing e la maggior parte dei processi post-stampa sono manuali, anche se è in corso l’automazione. Inoltre, il costo delle macchine per il binder jetting è superiore a quello di molti metodi di produzione convenzionali.
Deposizione diretta di energia (DED)
Vantaggi
Il DED ha una velocità di costruzione più elevata rispetto alle altre tecnologie AM del metallo e crea pezzi densi con meno materiale di scarto. Può produrre componenti significativi e lavorare con diversi materiali.
Svantaggi
L’aspetto negativo è che il DED ha una bassa risoluzione di costruzione, che si traduce in finiture superficiali ruvide. Le macchine sono piuttosto costose e in questo processo non sono ammesse strutture di supporto, il che significa che non è possibile implementare alcune caratteristiche di progettazione.
Materiali per la produzione additiva di metalli
Polveri metalliche comuni
La scelta del materiale nella produzione additiva di metalli influisce in modo significativo sulle proprietà del prodotto finale. I materiali più comuni sono:
- Titanio e leghe di titanio
Elevata forza, resistenza alla corrosione e biocompatibilità, ideale per il settore aerospaziale, automobilistico e medico.
- Acciaio inox
Equilibrio tra forza, resistenza alla corrosione e convenienza.
- Alluminio e leghe di alluminio
Leggero e con una buona conduttività.
- Superleghe a base di nichel
Resistenza superiore al calore e alla corrosione per applicazioni ad alta temperatura.
- Leghe di cobalto-cromo
Alta resistenza e biocompatibilità, spesso utilizzata in applicazioni mediche.
- Metalli preziosi
Sono utilizzati in gioielleria per le qualità estetiche e la resistenza alla corrosione.
- Acciai per utensili
Elevata durezza e resistenza all’usura, ideale per la creazione di stampi e utensili da taglio.
Metalli preziosi nella fabbricazione additiva
I metalli preziosi come l’oro, l’argento, il platino e il rutenio sono utilizzati nella produzione additiva per diverse applicazioni:
- Argento
Contatti elettrici e batterie ad alta capacità grazie alla loro elevata conduttività.
- Oro
Odontoiatria, medicina ed elettronica per la loro malleabilità e resistenza all’appannamento.
- Platino
Gioielli, strumenti chirurgici e utensili da laboratorio per la loro densità e resistenza all’aria e all’acqua.
- Rutenio
Industria elettronica e chimica per la sua resistenza agli acidi e all’appannamento.
Applicazioni industriali della fabbricazione additiva dei metalli
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Industria aerospaziale
L’industria aerospaziale è stata tra le prime ad adottare la fabbricazione additiva dei metalli perché aveva bisogno di materiali leggeri e resistenti. Questa tecnologia ottimizza i componenti dei motori, le pale delle turbine e i sistemi di alimentazione. La creazione di forme complesse senza difetti interni ha migliorato notevolmente le prestazioni e la funzionalità dei componenti aerospaziali, portando ad aerei più leggeri e a un consumo di carburante ridotto.
Industria automobilistica
La produzione additiva di metallo è utilizzata nell’industria automobilistica per prototipazione di metallo, parti personalizzate e utensili. Le case automobilistiche possono utilizzare questa innovazione per sviluppare nuovi progetti da testare immediatamente, riducendo i cicli di iterazione durante lo sviluppo. Inoltre, la creazione di strutture solide, leggere ma complesse, migliora l’efficienza dei veicoli.
Industria medica
La produzione di impianti medici e strumenti chirurgici è facilitata dalla fabbricazione additiva dei metalli in campo medico. Ad esempio, questa tecnologia crea impianti specifici per il paziente che si adattano esattamente all’anatomia dell’individuo, garantendo risultati migliori e tempi di guarigione più rapidi per i pazienti dopo un intervento chirurgico o una lesione dovuta a un incidente. Inoltre, consente di fabbricare strumenti chirurgici delicati, che aumentano la precisione durante le operazioni.
Industria dell’energia
La fabbricazione additiva dei metalli produce componenti per sistemi energetici nel settore dell’energia. La produzione di questi componenti, che in genere richiedono proprietà di alta resistenza e possono resistere a condizioni ambientali difficili, rende la AM un metodo perfetto per i loro requisiti di produzione. La produzione additiva ci permette di progettare geometrie complesse che migliorano l’efficienza e l’affidabilità di questi sistemi.
Gioielleria e beni di consumo
L’industria della gioielleria è stata trasformata dalla fabbricazione additiva dei metalli, che consente di realizzare progetti complessi con uno spreco minimo di materiale. Questa tecnica consente ai gioiellieri di creare pezzi complicati che sarebbero impraticabili o impossibili con i metodi tradizionali. Inoltre, i produttori di beni di consumo utilizzano l’AM per personalizzare articoli con geometrie uniche.
Ricerca e Sviluppo
Nel campo della ricerca e sviluppo (R&S), la fabbricazione additiva dei metalli è necessaria per la prototipazione rapida durante la sperimentazione. Pertanto, i ricercatori possono utilizzare questa procedura tecnologica per produrre e testare rapidamente nuovi progetti, che li aiuteranno a innovare e a scoprire l’ignoto. L’iterazione rapida dei progetti contribuisce allo sviluppo rapido di nuovi prodotti e tecnologie.
Vantaggi della fabbricazione additiva dei metalli
Forme e geometrie complesse
La capacità di creare forme e geometrie complesse, difficili o impossibili da realizzare con i metodi tradizionali, è uno dei vantaggi più significativi della fabbricazione additiva dei metalli (AM). In questo modo è possibile progettare pezzi con vuoti interni e dettagli intricati.
Riduzione del peso
A differenza di altri metodi di produzione, la fabbricazione additiva consente di creare componenti leggeri senza compromettere la resistenza. I settori che hanno abbracciato questa riduzione di peso sono, tra gli altri, quello automobilistico e aerospaziale, dove anche una piccola riduzione di peso può portare a un notevole risparmio sui costi del carburante.
Efficienza dei tempi e dei costi
Rispetto ai processi tradizionali, la produzione additiva di metallo richiede meno tempo perché elimina gli utensili e le operazioni secondarie, riducendo i costi di produzione e i tempi di consegna per consentire ai produttori di entrare più rapidamente nel mercato. Inoltre, l’assenza di scorte riduce le spese di stoccaggio.
Benefici per l’ambiente
Rispetto alle tecniche sottrattive convenzionali, la produzione di rifiuti della stampa 3D è ridotta poiché viene aggiunto solo il materiale necessario in un’area specifica. Questo riduce i costi dei materiali e contribuisce positivamente alla conservazione dell’ambiente. Inoltre, il riciclo della polvere inutilizzata contribuisce a promuovere la sostenibilità.
Le sfide della fabbricazione additiva dei metalli
Sfide tecniche
Le tecnologie di fabbricazione additiva dei metalli devono affrontare diverse sfide tecniche, tra cui il raggiungimento della finitura superficiale desiderata e di una precisione sufficientemente elevata per gli scopi previsti, a causa della necessità di ulteriori post-elaborazioni come la lavorazione o la lucidatura.
Costrizioni economiche
Gli elevati investimenti iniziali impediscono alla maggior parte delle aziende di installare macchine AM per il metallo. Allo stesso tempo, queste macchine sono costose, insieme ai requisiti di formazione, ai materiali di consumo, alla manutenzione, ecc. Inoltre, i materiali utilizzati nella stampa 3D tendono a essere costosi, il che significa che ci saranno alti tassi di spreco di materie prime.
Problemi normativi e di standardizzazione
La tecnologia di produzione additiva dei metalli necessita di metodi di test standardizzati o di linee guida per il controllo della qualità, rendendo così l’assicurazione della qualità un compito arduo, soprattutto in settori come l’aerospaziale e i dispositivi medici che richiedono requisiti rigorosi.
FAQS
Che cos’è il tipo di fusione del letto a polvere？
Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
La sinterizzazione laser selettiva impiega un laser per sinterizzare il metallo in polvere, fondendolo per ottenere una struttura solida, con caratteristiche di precisione ed efficienza.
Sinterizzazione laser diretta di metalli (DMLS)
Tuttavia, la DMLS è simile alla SLA, ma si concentra su vari metalli e leghe per generare prototipi e prodotti finali ad alta precisione.
Fusione laser selettiva (SLM)
Inoltre, la SLM prevede la fusione della polvere metallica, che porta a un prodotto finale più denso e robusto per le applicazioni che richiedono elevata resistenza e durata.
Fusione a fascio di elettroni (EBM)
Questo processo si differenzia da altre tecnologie di produzione additiva. Un fascio di elettroni, anziché un laser, viene utilizzato nel vuoto per evitare l’ossidazione, facilitando la realizzazione di parti complesse con eccellenti caratteristiche del materiale.
Conclusione
La fabbricazione additiva dei metalli è una tecnologia trasformativa che offre numerosi vantaggi, tra cui la libertà di progettazione, il miglioramento dell’efficienza e la riduzione dell’impatto ambientale. Grazie ai vari metodi disponibili, come la fusione a letto di polvere, la deposizione a energia diretta e il binder jetting, i produttori possono scegliere l’approccio migliore per le loro esigenze specifiche. L’ampia gamma di materiali utilizzati nella produzione additiva di metalli consente di creare pezzi con proprietà e applicazioni diverse.
La produzione additiva di metalli, in continua evoluzione, è pronta a rivoluzionare l’industria manifatturiera. La capacità di produrre parti complesse, leggere e di alta qualità in modo rapido ed economico ne favorirà l’adozione in diversi settori. Anche se rimangono delle sfide, i continui progressi e la crescente accessibilità contribuiranno a superare questi ostacoli, rendendo la fabbricazione additiva di metalli una pietra miliare dell’innovazione industriale nei prossimi anni.
