Fused Deposition Modelling (FDM)

La tecnologia di modellazione tramite estrusione di filamenti (dall’inglese Fused Deposition Modelling o FDM) è stata sviluppata nel 1988 da Scott Cramp, il quale l’anno seguente fondò la Stratasys Inc che lanciò nel 1992 sul mercato la sua prima macchina, la “3D Modeler”. La tecnica FDM è sicuramente quella più semplice tra tutte le tecniche disponibili, infatti es- sa non richiede altro che filamenti di polimero termoplastico e un estrusore munito di un ugello riscaldato per mezzo di un resistore ed un piano di depo- sizione. Il sistema per è applicazione di questa tecnologia è schematicamente descritto in figura 1.14. L’ugello scalda il polimero fino ad alla temperatura di rammollimento per produrre un piccolissimo estruso cilindrico allo stato semi-liquido. La testa di stampa si muove nel piano XY deponendo materiale su un piano porta pezzo fisso; il materiale solidificherà un istante dopo essere stato depositato sul piano porta pezzo. Tutto il processo procede per strati partendo da quella inferiore fino alla realizzazione del prototipo desiderato [15].

Figura 1.14: Rappresentazione schematica di un sistema per FDM Questa tecnica necessità di supporti laddove sono parti sporgenti. Per questo motivo, in molti casi, l’estrusore è munito di due ugelli, uno per il materiale con cui deve essere realizzato il prototipo e di uno per il materiale di supporto. Per ogni materiale ne esiste un secondo con proprietà termo-

meccaniche leggermente inferiori e colore diverso destinato ai supporti. Per agevolare il distacco nella zona di contatto pezzo-supporto viene realizzata una sezione ristretta a limitata resistenza meccanica.

Una volta terminato il processo di stampa è su ciente eliminare i suppor- ti (rimovibile manualmente o con un solvente in cui il materiale di costruzione non è solubile) ed eseguire la finitura manuale per migliorare la rugosità delle superfici del pezzo. E’ possibile trovare in commercio macchine per finitura (es. la macchina per finitura di Sratasys [19]) che consentono, con il minimo intervento da parte dell’operatore, di levigare e lucidare le parti FDM con un livello di qualità simile a quella ottenuta con lo stampaggio a iniezione. Le parti levigate sono così pronte per essere sottoposte a lavorazioni di finitura successive come la verniciatura, o metallizzazione. E’ possibile distinguere nel mondo delle macchine per RP a tecnologia FDM due grandi gruppi: il primo è dedicato alla prototipazione di grandi oggetti ed il secondo dedicato alla prototipazione di medi e piccoli oggetti. Il primo gruppo, dovendo creare oggetti di notevoli dimensioni, lavora sfrutttando un braccio robotico (seriale o parallelo) il quale permette di creare elementi molto articolati. Il piano porta pezzo, in questo caso, è solidale al basamento del macchinario che non compie alcun movimento. Per il secondo gruppo, invece, viene adottata una modalità di movimentazione gestita solo su tre assi: X,Y e Z. Ovviamente il secondo tipo di configurazione è meno costosa e più largamente utilizzata.

In entrambe le categorie, per assicurare che il processo di prototipazione vada a buon fine, è necessario verificare l’allineamento piano/ugello in modo che, una volta fissata la coordinata Z del piano, tra ugello e piano d’estrusio- ne ci sia esattamente la stessa distanza lungo tutti i punti del piano. Inoltre la temperatura della testa di estrusione e della camera di lavoro sono para- metri fondamentali: il materiale deve essere mantenuto ad una temperatura appena al di sopra del punto di fusione per evitare la formazione di gocce che ridurrebbero la precisione del prototipo, inoltre il gradiente termico tra modello in costruzione e materiale estruso non deve essere troppo elevato per evitare problemi di adesione di materiale. Un’altra opzione che permette di migliorare il processo di stampa è l’utilizzo di un piano di stampa riscaldato in quanto migliora l’adesione del pezzo in costrizione con il piatto di stampa stesso.

I materiali utilizzabili in processi FDM, sotto forma di fili sottili avvolti in bobine, sono vari:

• ABS, si tratta di una termoplastica che resiste a temperature elevate prima di ammorbidirsi e quindi perdere la sua resistenza meccanica e stabilità dimensionale, ma come difetto ha una temperatura di stampa

elevata, 240° circa, e durante il raffreddamento si riduce apprezzabil- mente portando spesso alla deformazione dei primi strati stampati e al conseguente distacco dal piatto di stampa. Per evitare il fenomeno ci sono due strade, talvolta da usare in modo combinato. La prima strada è quella di avere un piatto trattato con un materiale che abbia forte adesione con l’ABS, mentre la seconda è quella di mantenere caldo il piano fra i 60° e i 90° [16];

• PLA, questo un è materiale “green”, in quanto creato elaborando la polpa di scarti vegetali ricchi di cellulosa; è preferito da molti rispetto all’ABS, anche se è più fragile. E’ preferito da molti rispetto all’ABS, anche se è più fragile. Si rammollisce a temperature anche di soli 60° e pertanto non può essere usato per creare parti meccaniche soggette a una certa usura e al riscaldamento. Si stampa fra i 195° e i 230° a seconda degli additivi che sono stati aggiunti per colorarlo e modi- ficarne le proprietà fisiche e meccaniche. Mentre in termini di ritiro, rispetto all’ABS, questo è molto meno accentuato, anche grazie alla temperatura di estrusione un po’ più bassa e alla sua struttura amor- fa. Viene usato come materiale di supporto eliminabile con bagni in acqua tiepida nelle stampanti amatoriali a tecnologia FDM [16]; • MABS, è un copolimero metacrilato-(acronitrile)-butadiene-stirene, an-

che a basse temperature è un materiale resiliente, chiaro e trasparente. è un materiale destinato ad applicazioni medicali, infatti a causa della componente butadiene i modelli possono essere sterilizzati con le ra- diazioni g e utilizzati per prove funzionali direttamente a contatto con le apparecchiature medicali e nelle camere sterili [16], [17];

• PC-ABS (policarbonato-ABS) è uno dei materiali termoplastici indu- striali più utilizzati. Offre le proprietà più desiderabili di entrambi materiali, cioè la forza e la resistenza al calore del PC e la flessibilità dell’ABS. Il PC-ABS è comunemente utilizzato nel settore automo- bilistico, nel settore elettronico e per le applicazioni nel settore delle telecomunicazione [18];

• PC-ISO (policarbonato-ISO) è il materiale biocompatibile più robusto e resistente al calore disponibile per la tecnologia FDM . Può essere sterilizzato con i raggi gamma ed EtO ed è conforme allo standard ISO 10993 e USP Classe VI [18];

• Elastomero, destinato alla realizzazione di prototipi di elementi elastici come le guarnizioni;

• ABSplus è il materiale di stampa 3D Stratasys più conveniente poiché può essere utilizzato per creare vari prototipi per test accurati. È talmente durevole che i modelli e i prototipi hanno praticamente le stesse prestazioni del prodotto finale; i componenti 3D stampati con questo materiale risultano robusti dal punta di vista meccanico e stabili nel tempo [18];

• ULTEM 9085 è una termoplastica FDM (modellazione a deposizione fusa) ideale per applicazioni aerospaziale, automotive e militari grazie alla classificazione FST. Questo materiale termoplastico, famoso per le sue eccezionali prestazioni, ha proprietà termiche, meccaniche e chimi- che che lo rendono superiore a tutti gli altri nella maggior parte delle categorie [18];

Al momento tra i sistemi che la Stratasys ha sul mercato è possibile ricor- dare la FDM 1650 e la FDM 8000, i quali hanno sostituto la precedente 3D Modeler. Queste hanno la capacità di estrudere materiali con un punto di fusione fino a 300°C, e garantiscono una elevata velocità di prototipazione. Se andiamo ad analizzare le caratteristiche della FDM 8000 vediamo che essa può realizzare pezzi che occupano un volume massimo 508x421x610 mm, è caratterizzata da una risoluzione planare compresa tra 0.254 e 2.54 mm, uno spessore di linea tra i 0.05 e 0.762 mm ed una precisione di ± 0.127 mm. Il costo di massima di questa macchina si aggira intorno ai 250.000 $.

Per una risoluzione maggiore la Stratasys mete a disposizione la stam- pante 3D Dimension Elite che è caratterizzata dalla risoluzione massima rispetto a qualsiasi stampante 3D di Stratasys. Stampa in nove colori su vera termoplastica ABS, ed è caratterizzata da un volume di stampa di 203x 203x305 mm. Per i momenti in cui non occorre la massima risoluzione di 0,178 mm questa stampante 3D consente di velocizzare la stampa con strati di spessore 0,254 mm.

Queste macchine a tecnologia FDM sono molto costose e questo spiega la motivazione per cui la produzione di pezzi 3D che sfrutta questa tecnologia per molti anni è stata un’attività costosa e riservata a specifiche esigenze pro- fessionali. Negli anni, anche la Stratasys stessa, si è impegnata comunque a commercializzare macchine per FDM a prezzi più competitivi per poter ren- dere disponibile questa tecnica per maggiori applicazioni. In questo settore però la vera svolta si ha nel 2006, quando è nato progetto RepRap (Replica- ting Rapid Prototyping Printer) dall’idea di Adrian Bowyer. L’intezione di Adrian Bowyer Darwin era quella di produrre stampanti RepRap basate sulla tecnologia FDM, costruite con materiali facilmente reperibili, con completa documentazione online, open source, che tutti possono copiare, modificare e

vendere. Ma l’aspetto davvero innovativo era che ogni stampante Rep Rap era in grado di riprodursi, cioè una stampante “madre” era in grado di stam- pare componenti per poter assemblare una stampante “figlia come mostrato in figura 1.15.

Figura 1.15: Esempio di stampante Rep Rap Darwin “madre” e “figlia” I principali vantaggi della tecnologia FDM sono i seguenti:

• Costruzione di parti funzionali, i pezzi prodotti presentano ottime ca- ratteristiche meccaniche e ciò è molto utile soprattutto per lo sviluppo di prodotti che richiedono test funzionali in tempi brevi;

• Minimo scarto di materiale; • Facilità di rimozione dei supporti; • Facilità di cambio del materiale. Gli svantaggi sono invece:

• Accuratezza limitata; • Lentezza del processo;

• Elevato costo delle macchina (non domestiche).