Tecnologie e materiali dell’AM

Diverse compagnie industriali introdussero nel mercato, a partire dagli anni ottanta, numerosi processi AM, classificabili tramite differenti criteri [3]. In questa trattazione verranno suddivisi in base allo stato e forma iniziale dei materiali impiegati per la lavorazione, fornendo una panoramica generale sul processo. Nelle sezioni successive verrà trattata e richiamata prevalentemente la tecnologia FDM ai fini del lavoro di tesi.

Filo La tecnologia più diffusa è la Fused Deposition Modeling (FDM), che fu sviluppata alla fine degli anni ottanta. Questo processo deposita un filo di materiale fuso, solitamente plastico, sfruttando una testa mobile. Il materiale viene quindi portato ad una temperatura appena superiore alla fusione all’interno della testa, per poi essere estruso attraverso un ugello su un substrato e successivamente raffreddato, ottenendo la geometria del layer richiesta. Si sono compiuti dei progressi nella ricerca con dei sistemi ad ugelli multipli, che consentono di depositare contemporaneamente materiali differenti per la realizzazione di oggetti con proprietà innovative.

Differente tecnica è la Robocasting, che estrude paste ceramiche acquose con un processo layer su layer. Il materiale ceramico viene estruso attraverso un ugello e depositato su un substrato, formando quindi un layer. Al termine, la testa di estrusione si solleva per

rideporre il layer successivo fino al completamento del componente. È necessario il controllo delle proprietà della pasta per il corretto evolversi del processo: il materiale passa dallo stato liquido in solido in circa 10-15 secondi, consentendo la deposizione del layer successivo. La pasta deve avvere un opportuno spessore, viscosità e consistenza per poter generare una sezione deposta con buona approssimazione rettangolare.

Infine a Freeze-form Extrusion Fabrication (FEB) è simile al Robocasting, ma ciascun layer è solidificato congelando la pasta ceramica depositata. Questo processo ha molti vantaggi unici, tra cui: riduzione del legante organico, eco-compatibile, basso costo di impianto e la possibilità di stampare oggetti funzionali multimateriali.

Polvere Questa categoria di processo AM sfrutta, per costruire ciascun layer, la fusione selettiva e la successiva risolidificazione di polveri mediante una sorgente di calore concentrata. Verranno qui elencate le varie tecniche di processo:

Selective Laser Sintering (SLS) è un processo AM che utilizza un fascio laser per fondere e sinterizzare selettivamente un letto di polveri, scansionandone sezioni trasversali ed ottenendo l’oggetto finale layer su layer. Esiste una grande varietà di materiali disponibili per questa tecnologia, tra cui cera, polimeri, metallo, ceramiche, compositi di vetro e polimeri. In post-produzione avviene la sinterizzazione completa della parte, e la rimozione del legante polimerico contenuto nelle polveri. Questa tecnica non necessita, a differenza di molte altre, di strutture di supporto, in quanto l’oggetto durante il processo è immerso nella polvere non sinterizzato.

Selective Laser Melting (SLM) è un processo derivato dall’SLS. La polvere metallica viene completamente fusa da un potente fascio laser collimato per formare un componente metallico denso, che non necessita di trattamenti di post-produzione. Le proprietà meccaniche sono comparabili alla lamiere laminate. Lo svantaggio di questa tecnica è legato alle elevate potenze in gioco necessarie alla fusione delle particelle, e difficili da controllare.

I materiali utilizzati sono l’acciaio inox, titanio, leghe cobalto-cromo, nichel-cromo.

Electron Beam Melting (EBM) è una tecnologia recente , simile all’SML, che sfrutta un fascio di elettroni come sorgente di calore. Gli oggetti cosi ottenuti hanno elevate proprietà meccaniche, grazie alla superiore densità energetica della fonte di calore.

Laser Metal Deposition (LMD), conosciuta anche come laser cladding, è una tecnologia che sfrutta lo stesso principio dell’SLM. A differenza di quest’ ultimo, la polvere viene depositata localmente prima della fusione, non ricoprendo interamente tutta la superficie del layer da deporre. Questa differenza consente la realizzazione di muri molto sottili, in quanto

la propagazione del calore è meno invasiva. Può inoltre essere utilizzata per la riparazione e la ricopertura di componenti usurate o corrose.

Three-dimensional Printing (3DP) è un processo AM che lavora sempre in un letto di polvere. La costruzione della parte non avviene tramite fusione e risolidificazione, ma spruzzando un liquido legante attraverso una testa simile al getto d’inchiostro. La gamma dei materiali sfruttati è alquanto ampia, ed è sufficiente che la combinazione polvere-legante sia abbastanza viscosa: plastica, ceramica, metallo e compositi di questi. È necessaria una fase di sinterizzazione e/o di infiltrazione in post-processo per ottenere parti funzionali.

Liquido La prima tecnologia AM commercialmente disponibile è stata la Stereolithography (SLA). Il processo consiste nella conversione layer per layer di una resina liquida fotosensibile in stato solido, grazie all’esposizione selettiva ad una lampada ultravioletta che scansiona tutto lo strato ricoperto dalla resina. Per velocizzare il processo, i ricercatori hanno sviluppato il Digital Micromirror Device (DMD), un generatore di maschere digitale per esporre tutto il layer contemporaneamente al fascio UV.

Multi-Jet Modeling (MJM) è un processo AM simile alla stampa ad inchiostro. La testa è costituita da multipli ugelli, allineati ed orientati nella stessa direzione. Ogni singolo ugello distribuisce quando richiesto polimeri o cere fotosensibili alle radiazioni UV. La testa si sposta avanti ed indietro per costruire ogni singolo layer, seguita da una lampada UV che lampeggia per trattare il materiale deposto.

Rapid Freeze Prototyping (RFP) è un processo non ancora commercializzato, che costruisce parti ghiacciate posizionando e congelando selettivamente acqua layer per layer.

Per quanto riguarda la solidificazione, l’ambiente di deposizione è mantenuto ad una temperatura sotto ero, e lo strato precedente aiuta il raffreddamento per conduzione.

Esempio di una stampante tramite FDM Pezzo prodotto tramite la tecnica SLS

Solido Nella tecnica Laminated Object Manufacturing (LOM), il materiale solido è fornito sottoforma di lamina. Il processo prevede che il materiale sia tagliato con il profilo di un layer mediante un fascio laser, ed incollato allo strato precedente. Quest’ultima fase viene eseguita da un rullo riscaldato che comprime la lamina, ed attiva un adesivo termosensibile, unendo le due parti. I materiali impiegati in questo processo possono essere fogli di carta, plastica, o metallo laminato ricoperto di adesivo. Il vantaggio di questo tipo di fabbricazione risiede nell’elevata velocità di produzione, raggiunta grazie al ridotto peso del laser. La qualità e la finitura dell’oggetto dipendono dallo spessore della lamina di materiale.