I parametri di cui tener conto durante la tecnica FDM (Fused Deposition Modeling) sono qui di seguito elencati:
• Layer height: altezza di ogni strato di materiale depositato dalla stampante (ad altezza di layer bassa corrisponde una stampa lenta ma più precisa, impostando invece un’altezza di layer alta la stampa perderà di precisione ma sarà effettuata in minor tempo).
• Shell thickness: spessore delle pareti esterne dell’oggetto
• Bottom/Top thickness: spessore delle pareti inferiore e superiore del modello. Si imposta questo valore come un multiplo,corrispondendte al numeri di strati che si vuole ottenere, dell’altezza di layer impostata in precedenza).
• Fill density: riempimento reticolare interno del pezzo. Serve ad aumentarne la solidità strutturale e permette di avere una base d’appoggio al materiale per chiudere le superfici superiori del modello. Il valore viene espresso in percentuale ed è pari al quantitativo di materiale che sarà presente nel riempimento di ogni strato rispetto all’aria. Un alto valore di riempimento permette di ottenere pezzi più solidi ma che tendono a deformarsi di più, per via delle tensioni create dal ritiro del materiale.
• Print speed: velocità con cui si muove l’hot end ed è espressa in mm/sec. Ad alte velocità si ottengono delle stampe qualitativamente basse ma in tempi rapidi, mentre invece
abbassando la velocità migliora la qualità del pezzo ma aumenta il tempo impegato per la sua realizzazione.
• Printing temperature: temperatura che viene raggiunta dall’hot end per portare il materiale a punto di fusione. Se la temperatura importata è troppo bassa, il materiale non riesce a fluire bene all’interno dell’ugello, se invece è troppo alta il materiale non è in grado di raffreddare adeguatamente tra uno strato e l’altro. Ogni materiale ha una propria temperatura di stampa.
• Bed temperature: temperatura del piatto di stampa. Alcuni materiali possono essere stampati solamente utilizzando un piatto di stampa riscaldato. Inoltre, il piatto riscaldato è utile per prevenire l’effetto warping anche con materiali che non ne hanno bisogno (PLA).
• Supports: basi di appoggio che permettono di ottenere sottosquadri che altrimenti collasserebbero.
Esempio di supporti per realizzare una figura con sottosquadri.
• Plathform adhesion type: questo parametro permette di migliorare l’adesione del pezzo al piatto di stampa tramite 2 modalità (il Brim e il Raft), che verranno poi rimossi a posteriori.
Il Brim permette di creare uno strato di larghezza definibile a partire dalperimetro della base del modello, rimanendo quindi solo laterale ad esso, facendo toccare dunque la base
inferiore del modello con il piatto di stampa.
Il Raft invece crea 2 o più strati di materiale ortogonali sotto la base dell’oggetto prima di partire con la stampa vera e propria delprimo layer dell’oggetto.
Tra le due modalità il Raft lascia più difetti una volta rimosso rispetto al Brim.
• Filament diameter: indicare il diametro corretto del filamento che si utilizza è
indispensabile, in modo che la stampante possa calcolare in modo preciso la quantità di materiale da estrudere.
I filamenti si trovano generalmente in due misure: 3 mm o 1.75 mm. Ogni filamento può avere uno scarto rispetto al diametro indicato dal produttore; filamenti di qualità alta hanno un controllo maggiore su questo parametro.
• Flow: indica la quantità di materiale che viene estruso. Il 100% è la quantità ottimale calcolata dalla stampante, ma è possibile aumentare o gestire tale quantità in base alle caratteristiche del materiale di stampa.
• Nozzle size: la dimensione dell’ugello è un parametro molto importante dato che influisce sia sul numero delle linee perimetrali dello spessore di parete, sia sul riempimento interno del pezzo. Ogni macchina viene fornita con un ugello specifico, tuttavia in altri casi può essere sostituito con altri di diverse dimensioni.
In base al tipo di materiale di base possono essere eseguite diverse lavorazioni post-stampa per migliorarne le qualità estetiche.
• Carteggiatura: questa tecnica è usata per i materiali compositi, che devono essere
carteggiati per togliere asperità, sbavature, generalmente i supporti, e levigare le superfici.
È buona norma carteggiare per step, partendo da una grana in funzione dello spessore da asportare e aumentandola successivamente per aumentare la precisione. Ad un eventuale materiale rimosso per errore, come ad esempio una cattiva rimozione dei supporti o errore nella deposizione di materiale, si può rimediare usando dello stucco dentale applicandolo con cura con delle pinze ad ago. È consigliato inoltre, di carteggiare ad umido, in modo da non danneggiare la parte generando calore per attrito.
• Immersioni in vapori di acetone: l’acetone ha un potere solvente sull’ABS ed è molto utile per lisciare la superficie di un oggetto.
• Immersione in vapori di Tetraidrofurano (THF) o Metiletilchetone (MEK): la stessa procedura usata con immersione o vapori di acetone, può essere usata anche per il PLA (acido polilattico), ma cambiando il tipo si solvente.
• Saldatura a freddo su ABS: se per motivi dimensionali si volessero unire due parti, per materiali come l’ABS si può usare l’acetone per creare un unione chimica invece che meccanica. Una caratteristica che contraddistingue l’ABS è che a differenza delle colle, una volta asciugato non rilascia macchie sull’oggetto.
• Colorazione: in generale, tutti i materiali posso essere colorati con colori acrilici dopo l’applicazione di un primer per evitare che il colore scivoli sulla superficie dell’oggetto.
• Rivestimenti in resina: in commercio esistono resine, come ad esempio la XTC-3D, che possono essere applicate direttamente sulla superficie dell’oggetto (PLA e ABS) per diversi scopi: dare trasparenza e/o come rivestimento protettivo.
• Verniciature: tutte le parti stampate possono essere verniciate, per un effetto estetico e/o protettivo. Per esaltare delle caratteristiche al tatto ce ne sono di più particolari effettuate da centri specializzati. Esistono diversi tipi ti verniciatura, tra le quali troviamo quella
semplice, eseguita per finire e rifinire prototipi o parti finali stampate in materiale plastico, metallo o in resina, e la verniciatura gommata soft touch, che permette di conferire alle superfici trattate un effetto gomma, che risulta morbido al tato e con elevate prestazioni contro i fenomeni di usura.
• Rivestimenti: per materiali plastici caricati, additivati con metalli conduttivi, ad esempio il rame o nanotubi di carbonio, si possono eseguire dei trattamenti superficiali per aumentarne la resistenza ad agenti chimici o atmosferici o per dare un effetto metallizzato. Questa tecnica si chiama galvanizzazione e consiste nel ricoprire il componente plastico con un sottile strato metallico, generalmente Cromo. Questa tecnica è usata prevalentemente nel settore sanitario e automotive.
• Trattamenti termici: i trattamenti termici si effettuano spesso per migliorare le
performance termiche del materiale, cioè la resistenza al calore e le proprietà meccaniche.
Solitamente il metodo usato è la ricottura in funzione del tempo e della temperatura a seconda del materiale plastico. I pericoli che si corrono con questi trattamenti sono il rammollimento e deformazione della parte, quindi si devono prendere alcuni
accorgimenti,quali l’introduzione del pezzo in un forno preriscaldato, eseguire determinate rampe di riscaldamento/raffreddamento dettate dalle caratteristiche del materiale,
immersione del pezzo nella sabbia, che ha diverse proprietà benefiche essendo isolante, quindi mantiene il pezzo nel forno più a lungo, e comprime l’oggetto bloccando le sue distorsioni.
2.3 La tecnologia SLA
La stereolitografia è una tecnica che permette di realizzare singoli oggetti tridimensionali a partire direttamente da dati digitali elaborati da un software CAD/CAM impiegando particolari resine fotosensibili solidificate tramite una sorgente UV. Può essere impiegata anche per produrre velocemente pezzi di ricambio, facendosi inviare il file attraverso internet. L'utilizzo per la produzione in serie è ipotizzabile laddove altre tecniche di produzione si rivelino difficili e costose (per esempio con macchine a controllo numerico) ed in genere per produzioni
numericamente molto limitate dove il costo fisso delle attrezzature (gusci, stampi, ecc..) incida eccessivamente. Gli oggetti prodotti sono costituiti interamente da resine speciali e ciò limita la possibilità di fabbricazione di oggetti metallici o di altri materiali. Questa tecnica è stata
brevettata da Chuck Hull nel 1984 e utilizza la fotopolimerizzazione per solidificare una resina
liquida. La SLA è la sorgente laser e questo metodo ha un costo più elevato sia della stampante che del materiale giustificato dell’alta risoluzione dei sui risultati.
2.3.1 SLA diretta e SLA inversa
La stereolitografia (SLA) è un processo basato sulla fotopolimerizzazione, strato dopo strato, di una resina liquida, sensibile alla radiazione ultraviolette emesse da una sorgente laser;
• Se il fascio laser è veicolato parliamo di SLA, standard o inversa;
• Se invece è proiettato si parla di DLP, DUP
Dopo ogni strato, il piano di lavoro si distacca dal serbatoio di resina e separa il materiale indurito dal bagno di resina.
La piattaforma di costruzione si sposta di un livello che va dai 15 ai 200 micron, secondo lo spessore del livello scelto, al fine di favorire la solidificazione dello strato successivo.
Il prototipo ultimato appare a testa in giù, e per questo parliamo di stereolitografia inversa, se emerge dal bagno di resina si parla di SLA standard o diretta
Illustrazione componenti di una stampante SLA.
Le stampanti SLA 3D iniziano a lavorare abbassando la piattaforma di costruzione nel serbatoio pieno di resina con un solo strato di altezza tra il fondo del serbatoio e la piattaforma di costruzione.
Dopodiché subentrano i galvanometri, componenti a specchio che navigano il raggio laser in un percorso che rappresenta uno strato di una determinata parte. Il laser quindi indurisce la resina creando uno strato solido di una parte. Quando uno strato è completo, la piattaforma di costruzione si solleva di un livello in altezza e il processo viene ripetuto fino al completamento della parte.
2.3.2 Proiettori DLP
I proiettori DLP (digital light projector) creano un’immagine di uno strato facendo passare la luce attraverso una lente a una DMD (digital micro mirror device).
Un DMD contiene centinaia di migliaia o addirittura milioni di piccoli microspecchi che dirigono la luce e creano il disegno di uno strato sul fondo del serbatoio di resina.
La risoluzione di una parte stampata che utilizza una stampante DLP 3D si solito corrisponde al numero di microspecchi all’interno di un dispositivo DMD. In quanto tale, la luce proveniente da un proiettore DLP deve espandersi da una piccola sorgente per coprire un’ampia area. Ciò significa essenzialmente che i modelli ampi hanno una maggiore possibilità di avere pixel distorti ai loro bordi.
Inoltre, il numero di pixel su un proiettore DLP è lo stesso indipendentemente dalle dimensioni della stampa. Ciò significa che le stampe più piccole e più strette possono avere una precisione maggiore rispetto alle stampe più ampie eseguite sulla stessa stampante DLP.
Con una stampante DLP 3D, la sorgente luminosa è uno schermo per proiettore digitale
appositamente sviluppato. Grazie a questa schermata, DLP è generalmente considerato più veloce di SLA, perché lo schermo del proiettore DLP fa lampeggiare l’immagine di un livello tutto in una volta, quindi tutti i punti di un livello possono essere curati contemporaneamente. In questo modo, la velocità di stampa aumenta rispetto allo SLA poiché richiede meno tempo per la cura di un singolo strato.
Illustrazione componenti di una stampante DLP.
2.3.3 Trattamenti Post-Stampa
Dopo che la stampa è stata completata, le parti hanno bisogno di essere lavate in alcool isopropilico (IPA) per rimuovere eventuali tracce di resina non polimerizzata dalla superficie.
Dopo aver lavato e asciugato le parti, alcuni materiali necessitano di fotopolimerizzazione post-stampa, un procedimento che aiuta le parti a raggiungere la maggiore durezza e stabilità possibili.
Infine vanno rimossi i supporti dalle parti e levigati i segni lasciati dai supporti per una finitura pulita.
Le parti stampate in stereolitografia possono essere facilmente lavorate meccanicamente, trattate con primer, verniciate e assemblate per applicazioni e finiture specifiche.
La polimerizzazione post-stampa è particolarmente importante per le resine funzionali
ingegneristiche e obbligatoria per alcuni materiali e applicazioni per l’odontoiatria e la gioielleria.
Le resine per la stereolitografia hanno il vantaggio di possedere una vasta gamma di formulazioni: i materiali possono essere morbidi o duri, rinforzati con materiali secondari quali vetro o ceramica o dotati di proprietà meccaniche, quali elevata temperatura di distorsione termica o resistenza
all’impatto. I materiali vanno da quelli specifici come quelli per dentiere, a quelli che si accostano ai materiali finali per la prototipazione, formulati per resistere a test approfonditi e a funzionare sotto stress.
2.3.4 Ambiti di applicazione della stampa SLA
Di seguito verranno esplicitati i settori dove la stampa SLA ha il suo maggior impiego:
• Ingegneria e design del prodotto: la prototipazione rapida con la stampa 3D consente a ingegneri e progettisti di trasformare le idee in proof-of-concept realistici, consente di sviluppare prototipi di alta qualità che funzionano in tutto e per tutto come prodotti finali e guida i prodotti lungo una serie di fasi di validazione che portano che portano alla
produzione di massa.
• Produzione: chi fabbrica automatizza i processi di produzione e snellisce i workflow prototipando gli utensili e stampando direttamente in 3D strumenti su misura, stampi e fabbricando ausili a un costo con tempistiche nettamente inferiori rispetto alla produzione tradizionale. Questo riduce i costi e i difetti di fabbricazione, aumenta la qualità, velocizza l’assemblaggio e massimizza l’efficacia della manodopera.
• Odontoiatria: l’odontoiatria digitale riduce i rischi di incertezze introdotto da fattori umani, fornendo una maggiore uniformità, accuratezza e precisione in ogni fase del workflow per migliorare l’assistenza al paziente. Le stampanti 3D possono produrre una gamma di
prodotti e dispositivi personalizzati di alta qualità a bassi costi unitari con aggiustati migliori e risultati riproducibili.
• Educazione: le stampanti 3D sono strumenti multifunzionali per l’apprendimento
approfondito e la ricerca avanzata. Sono in grado di incoraggiare la creatività e avvicinano gli studenti a tecnologie di livello professionale supportando i programmi STEAM nella scienza, ingegneria, arte e design.
• Medicina: la stampa 3D desktop economica e professionale aiuta i medici ad effettuare trattamenti e creare dispositivi su misura per servire in modo migliore l’individuo, aprendo le porte ad applicazioni medicali di alto impatto, allo stesso tempo consentendo alle
organizzazioni un significativo risparmio di tempo e costi, dal laboratorio alla sala operatoria.
• Intrattenimento: i modelli fisici ad alta definizione sono ampiamente usati nella scultura, nel modellismo di personaggi e nella produzione di materiale scenico. Le parti stampate in 3D hanno presenziato in film stop-motion, videogiochi, costumi personalizzati e addirittura in effetti speciali nelle superproduzioni cinematografiche.
• Gioielleria: i gioiellieri professionisti usano i software CAD e la stampa 3D per effettuare prototipazioni rapide di progetti, eseguire adattamenti per clienti e produrre lotti numerosi di
pezzi pronti per la fusione. Strumenti digitali consentono di ottenere parti regolari e dettagliate, senza i problemi e l’instabilità che si presentano con l’intaglio in cera.
• Audiologia: gli specialisti dell’udito e i laboratori di stampa auricolare si servono di un workflow digitale e della stampa 3D per produrre apparecchiature acustiche personalizzate di qualità più elevata, a volumi maggiori per applicazioni quali apparecchi retroauricolari, protezioni auricolari, dispositivi auricolari e in-ear personalizzati.
CAPITOLO 3
LA TECNOLOGIA SLS
La sinterizzazione laser selettiva è un processo che utilizza laser CO2 ad alta potenza per sciogliere e fondere in maniera selettiva polimeri termoplastici in polvere. Questo processo è la soluzione ideale per chi vuole produrre parti funzionali e resistenti , con la possibilità di ottenere una finitura superficiale eccellente e dettagli accurati. La tecnologia SLS permette di spingersi oltre alla prototipazione progettuale e di ottenere precisione, durata e ripetibilità massime a un costo operativo totale minimo. La SLS è ideale anche per geometrie complesse che sarebbe difficile produrre con altri metodi, o quando i tempi e i costi di attrezzaggio diventano proibitivi. È la scelta migliore per ingegneri alla ricerca di parti funzionali e prototipi per i settori dell'automotive, aerospaziale, elettronica di consumo, strumenti chirurgici e della produzione in officina. La SLS è il top della tecnologia di stampa 3D per realizzare parti termoplastiche, senza compromessi.
3.1 Panoramica generale della tecnologia SLS
Questa tecnologia è stata ideata e sviluppata negli anni ’80 da Carl Deckard, studente della Texas University, e un suo professore, Joe Beaman. In seguito hanno fondato la Desk Top Manufacturing (DTM) Corp, venduta poi a 3D Systems nel 2001.
I sistemi di stampa 3D SLA industriali utilizzano un singolo o più laser alla CO2 ad alta potenza.
Maggiore è il volume di costruzione, più complesso è il sistema. La SLS industriale richiede inoltre un ambiente inerte con azoto o altri gas, per prevenire l’ossidazione e il degrado della polvere, e una maggiore energia per l’alimentazione dei sistemi.
Le stampanti da banco SLS hanno una forma più compatta e gestibile: utilizzano un laser a diodi o in fibra anziché i laser a CO2 per fornire la stessa qualità del raggio a un costo inferiore.
L’area di costruzione più piccola di una macchina da banco richiede meno riscaldamento, poiché la polvere viene esposta a temperature elevate per un periodo di tempo più breve, non sono necessari gas inerti e apparecchiature di trattamento dell’aria specializzate. Hanno un volume di costruzione ridotto e una velocità più lenta.
3.1.1 Funzionamento della stampante SLS
Il contenitore della polvere e l’area di costruzione vengono inizialmente riscaldati appena al di sotto della temperatura di fusione del polimero e una lama ricoprente disponde un sottile strato di polvere sulla piattaforma di costruzione.
Successivamente, un laser CO2 scansiona quindi il contorno dello strato successivo e sinterizza selettivamente (fonde insieme) le particelle della polvere polimerica. L’intera sezione trasversale del componente viene scansionata, quindi la parte viene costruita solida. La polvere non utilizzata supporta la parte durante la stampa ed elimina la necessità di strutture di supporto dedicate.
Quando lo strato è completo, la piattaforma di costruzione si sposta verso il basso e la lama ricopre la superficie. Ilprocesso si ripete quindi fino al completamento dell’intera parte.
Dopo la stampa, le parti vengono completamente incapsulate nella polvere non sinterizzata e il contenitore della polvere deve raffreddarsi prima di poter disimballare le parti. Questo può richiedere molto tempo (fino a 12 ore).
Le parti vengono quindi pulite con aria compressa o altri materiali di sabbiatura e sono pronte per l’uso o processi successivi. La polvere non sinterizzata rimanente viene raccolta, filtrata e può essere riutilizzata anche se man mano degrada.
3.1.2 Caratteristiche di stampa
La sinterizzazione laser selettiva non richiede strutture di supporto poiché polvere non sinterizzata circonda le parti durante la stampa. La stampa SLS può produrre geometrie complesse precedentemente impossibili, come parti ad incastro o in movimento, parti con componenti o canali interni e altri design altamente complessi, può stampare progetti complessi in un’unica stampa che normalmente richiederebbero più parti.
È la tecnologia di produzione additiva più veloce per prototipi funzionali e produzione diretta di piccoli lotti.
I laser che fondono la polvere hanno una velocità di scansione molto più rapida e sono più precisi dei metodi di deposizione dello strato utilizzati in altri processi come la FDM industriale. Più parti possono essere disposte in modo stretto durante la stampa per massimizzare lo spazio di costruzione disponibile in ogni macchina. Gli operatori utilizzano il software per ottimizzare ogni build per la massima produttività lasciando solo uno spazio minimo tra le parti.
Le parti possono essere aggiunte alla build mentre la stampa è già in corso. Ciò offre l’opportunità di apportare modifiche alla progettazione dell’ultimo minuto, anticipando le fasi di progettazione e sviluppo prodotto.
3.1.3 Adesione
In SLS, la forza di legame tra gli strati è eccellente, ciò significa che le parti stampate SLS hanno proprietà meccaniche quasi isotrope.
Le parti SLS hanno un’eccellente resistenza alla trazione e modulo, paragonabili al materiale fuso, ma sono più fragili (il loro allungamento alla rottura è molto più basso). Ciò è dovuto alla porosità della parte finale. Una tipica parte stampata SLS è porosa per circa il 30 %.
La porosità conferisce alle parti SLS la caraterristica finitura superficiale granulosa. Significa anche che le parti SLS possono assorbire l’acqua, quindi possono essere facilmente tinte in un bagno caldo in una vasta gamma di colori, ma anche che richiedono una speciale post-elaborazione se devono essere utilizzate in un ambiente umido.
3.1.4 Restringimento e deformazione
Le parti SLS sono sensibili al restringimento e alla deformazione: man mano che lo strato appena sinterizzato si raffredda, le sue dimensioni diminuiscono e si accumulano sollecitazioni interne, tirando verso l’alto lo strato sottostante.
La riduzione dal 3 al 3,5 % è tipica in SLS, ma gli operatori delle macchine ne tengono conto
La riduzione dal 3 al 3,5 % è tipica in SLS, ma gli operatori delle macchine ne tengono conto