FAQ

L’Additive Manufacturing (AM), produzione additiva in italiano, o stampa 3D, consiste nella produzione di oggetti tridimensionali sulla base di un modello CAD o digitale 3D. Sviluppata all’inizio degli anni ’80, la stampa 3D veniva usata esclusivamente per la creazione di prototipi. Per questo motivo, inizialmente veniva detta “prototipazione rapida”.

L’uso della stampa 3D si è consolidato velocemente, riuscendo a ridurre il tempo per lo sviluppo di un prototipo da qualche settimana a solo qualche giorno o anche poche ore.

Inizialmente si stampava solamente plastica, a partire dalla metà degli anni ’90 la tecnologia si è evoluta arrivando ad essere in grado di sinterizzare o fondere diversi tipi di metalli. A quel tempo, i metodi automatizzati che creavano prodotti "additive" in metallo erano chiamati "produzione additiva".  Oggi i termini stampa 3D e produzione additiva sono totalmente intercambiabili.

La tecnologia 3D viene usata ancora per la prototipazione, ma non solo: di recente si è espansa anche nella produzione di piccoli lotti di pezzi. Non avendo tempi di allestimento e consentendo una produzione di piccole quantità di componenti, la stampa 3D sta diventando una soluzione per la produzione su richiesta. In altre parole, è possibile produrre il componente nel momento esatto in cui è necessario all’interno della produzione. Ci aspettiamo che in un futuro prossimo l’additive manufacturing sarà utilizzato come tecnologia standard per la produzione dei componenti.

Oltre ai benefici di “prototipazione rapida” e di “produzione su richiesta”, la stampa 3D offre un altro vantaggio: permette di creare pezzi dalle forme estremamente complesse, che non potrebbero essere create per fusione o con altri metodi di produzione tradizionali. Per esempio, la stampa 3D ha permesso a GE di ridurre il numero di parti per l'ugello del carburante del suo motore a reazione LEAP da 20 a solo 1 e di ridurne il peso del 25%.

La moltitudine di differenti metodi di stampa 3D possono confondere. Tutte le tecnologie hanno una cosa in comune: permettono di creare parti o componenti depositando strati di materiali sovrapposti, uno strato alla volta. Ciò in cui differiscono è il materiale con cui vengono fatti questi strati.

Nel settore della stampa 3D della plastica, esistono sistemi che usano resine liquide, altre tramite estrusione di filamenti termoplastici, altre ancora usano la tecnologia a letto di polvere. In ogni caso, il materiale plastico viene liquefatto dal calore - ad esempio, da un laser - per formare uno strato di materiale, per poi essere indurito rapidamente. Questo processo viene ripetuto, strato dopo strato, fino al completamento del prodotto.

La stampa 3D di parti in metallo sfrutta solitamente la tecnologia a letto di polvere. Ma si usano anche filamenti di metalli industriali, come l’acciaio inossidabile 316L. Come nel caso della plastica, gli strati sono creati, uno dopo l’altro, mediante fusione, sinterizzazione o iniezione di legante. Dopo l'indurimento di uno strato di materiale, viene creato lo strato successivo.

La tabella seguente fornisce una panoramica sulle differenti sistemi di stampa 3D al momento disponibili sul mercato:

Plastica/Resina

• Polyjet – questa tecnologia lavora come una stampante a getto d’inchiostro, ma invece di gettare inchiostro, le stampanti Polyjet gettano piccoli blob di plastica liquida per formare uno strato alla volta.
• DLP, Digital Light Processing – questa tecnologia sfrutta una fonte di luce – uno schermo DLP – per polemizzare una resina fotopolimerica liquida. 
• SLA o Stereolitografia – il processo SLA, assieme a quello DLP, è un metodo a laser che polimerizza la resia con una tecnica “punto a punto”. SLA è molto più lenta di DLP.
• CLIP, Continuous Liquid Interface Production – Questa tecnologia consiste in un processo fotochimico che usa luce e ossigeno per costruire un pezzo da un serbatoio di resina polimerizzabile ai raggi UV.

Plastica/Filamenti

• FDM, Deposizione a filo (Fused Deposition Modeling) - un filamento di plastica, estruso attraverso un ugello, si fonde mentre viene gradualmente depositato su di un supporto, uno strato alla volta.
• FFF- stesso tipo di stampa di FDM.

Plastica/Polvere

• HP MJF, Multi Jet Fusion - MJF usa una tecnologia a getto d’inchiostro per applicare selettivamente agenti di fusione e di dettaglio su un letto di polvere di nylon. Successivamente, uno strato di nuovo materiale viene stampato sopra allo strato precedente (ancora fuso) in modo tale che questi si fondano assieme.
• SLS – Sinterizzazione Laser. Un laser viene utilizzato per sinterizzare uno strato di materiale plastico in polvere in una struttura solida.

Plastica/Pellet

• LFAM, produzione additiva per componenti di grandi dimensioni (Large format Manufacturing) – come suggerisce il nome, LFAM viene utilizzato per la produzione di componenti molto grandi. Il processo utilizza pellet di platica alimentati da un estrusore, che può essere montato su un portale X/Y o su un robot multiasse.

Metallo/Polvere

• SLM, Fusione laser selettiva / DMLS, Sinterizzazione laser diretta di metalli / DMLM, Fusione laser diretta di metalli – un processo di stampa 3D dove un laser fonde il letto di polvere, creando uno strato di componente alla volta.
• EBM, Fusione a fascio di elettroni (Electron Beam Melting) - Al posto del laser, l'EBM utilizza un fascio di elettroni ad alta potenza come fonte di calore per fondere strati di polvere metallica, che vengono poi fusi insieme.
• Binder Jetting - Un legante liquido viene applicato selettivamente per unire le particelle di polvere, strato per strato. I pezzi "verdi" devono essere polimerizzati e poi sinterizzati in un forno ad alta temperatura.

Metallo/Filamento

• FDM/FFF, Deposizione a filo (Fused Deposition Modeling) – questa tecnologia non viene usata solamente per la plastica, ma anche per metalli specifici. Per esempio, con l'acciaio INOX 316L Ultrafuse. I pezzi sono stampati con il 90% di metallo e il 10% di filamento polimerico. I pezzi stampati sono allo stato “verde” e devono essere sottoposti a un processo di de-binding per rimuovere il legante polimerico, seguito da un processo di sinterizzazione.

La stampa 3D non è una tecnologia adatta per la produzione di massa di componenti standard, almeno non ancora… In ogni caso, se si tratta di prototipazione o produzione di piccoli volumi di pezzi questa tecnologia offre numerosi vantaggi! Eccone alcuni:

• Velocità – l’applicazione vale sia alla prototipazione così come a pezzi dal volume di produzione ridotto. È sufficiente caricare un modello CAD sulla stampante per creare il pezzo fisico, il che richiede poche ore. Le ottimizzazioni del progetto possono essere implementate e testate in brevissimo tempo.
• Personalizzazione – i prodotti possono essere facilmente personalizzati. Per esempio, nel settore medicale, gli impianti dentali possono essere adattati ai denti di ogni singolo paziente.
• Oppure, con la tecnologia CT scan-to-CAD le scansioni CT delle placche craniche possono essere tradotte direttamente in modelli CAD, che vengono poi caricati su una stampante 3D per produrre una placca cranica artificiale adatta al singolo paziente.
• Libertà di design – la stampa 3D permette la creazione di pezzi estremamente complessi, che non sarebbero possibili con i metodi tradizionali (strutture bioniche, cavità, sottosquadri). Ciò aiuta non solo a ridurre il numero di componenti di un prodotto ma anche di ridurne il peso, ottimizzando la topologia. In particolare ciò è stato notato nel campo dei motori.
• Produzione su richiesta – Poiché la stampa 3D è un metodo di produzione in un’unica fase, consente di produrre un componente nel momento esatto in cui è necessario all’interno della linea produttiva: es. parti di ricambio su richiesta.
• Risparmio di materiale/Riduzione dei reflui – la produzione sottrattiva, come la fresatura e la foratura ecc., produce una significativa quantità di scarti. La produzione additiva, invece, utilizza il materiale necessario per costruire un componente. Inoltre, qualsiasi materiale in eccesso, come la polvere residua o le strutture di supporto, può essere facilmente riutilizzato.
• Abbassamento dei costi –  la prototipazione e la produzione di piccoli lotti personalizzati stampati in 3D ha un costo estremamente inferiore rispetto alla produzione e prototipazione tradizionale.
• Riduzione del rischio – La stampa 3D permette verificare il prototipo facilmente e velocemente prima di compiere l’investimento. Ciò riduce il rischio di produrre un prodotto difettoso con potenziali perdite finanziarie significative.
• Integrazione Funzionale – molte funzioni del componente possono essere integrate durante la produzione, riducendo i costi di assemblaggio e di logistica.

 Mentre agli inizi, la stampa 3D era limitata a tutti i tipi di materiali plastici, oggi, invece è possibile utilizzare tutti i tipi di materiali.

Vi è una vasta scelta di materiali per la stampa 3D

• Resine liquide: per esempio epossidica e acrilica.
• Filamenti: generalmente termoplastico, per esempio: PLA ABS PEI PPSU, PETG e ESD PEKK.
• polveri: termoplastico in polvere, per esempio, epossidici e acrilato-poliammidi (nylon), PC e PEI.
• Pallet: resine rinforzate con fibra di carbonio, fibra di vetro o minerali come ABS, PC, PEI e PPS.

Un segmento in rapida crescita dell’industria di produzione additiva è quello dei metalli, che permette l’utilizzo di:

• Alluminio (ad esempio AlSi10Mg, AlF357).
• leghe di titanio (ad es. Ti64ELI).
• Inconel (es. IN718, es. IN625).
• Cobalto-cromo.
• Acciaio al carbonio e inossidabile (ad es. 316L, 17-4 PH).
• Acciaio Maraging.
• Metalli preziosi (ad es. oro, argento, platino).

Oggi, anche i prodotti in ceramica, come le piastrelle del bagno, possono essere stampati in 3D a partire da polvere di ceramica composta da particelle finissime si alluminio e selce. Naturalmente, dopo la stampa, è necessario che i componenti vengano cotti.

Un altro segmento di mercato in rapida crescita è la combinazione di materiali diversi. Ad esempio, un materiale di base PLA mescolato con sughero e polvere di legno conferisce ai pezzi un aspetto di legno reale.

I nuovi sviluppi sui materiali che si adattano ai processi di stampa 3D arrivano sul mercato con estrema velocità. Per questo motivo, le elenco dei materiali è in continuo aggiornamento.

 All’inizio, l’uso della stampa 3D era esclusivamente dedicato per realizzare prototipazioni in diverse aziende che sviluppano e che producono beni industriali. Il principale scopo era quello di ridurre i tempi e i costi per lo sviluppo di tutte quelle nuove parti e dispositivi che potevano essere realizzati solamente grazie alla tecnologia tradizionale sottrattiva come la tornitura o la fresatura CNC. Sebbene la prototipazione resta l’applicazione predominante per la stampa 3D, negli ultimi anni questa tecnologia si è evoluta in un metodo di produzione per la produzione di piccoli lotti di componenti progettati su misura.

Dati i numerosi vantaggi (sviluppo dei prodotti più veloce, maggiore flessibilità di design, personalizzazione più semplice, possibilità di riprodurre geometrie complesse, tempi di consegna più brevi) la produzione additiva ha sempre più usi all’interno delle industrie come:

• Automotive
  • Stampa 3D di componenti personalizzati come sedili speciali.
  • Stampa 3D di strumenti con un minore costo che nel caso dei metodi tradizionali.
  • Stampa 3D su richiesta di pezzi di ricambio, in particolare per le automobili vintage.
  • Stampa 3D di componenti in serie. Questo vale soprattutto per i veicoli di lusso, dove le tirature sono relativamente piccole.
• Aereospaziale
  • Stampa 3D dell’ugello del carburante per il motore a reazione GE LEAP. In questo modo il numero di parti per questo componente potrebbe essere ridotto da 20 a 1.
  • Stampa 3D degli interni delle cabine, come i pannelli e le strutture reticolari.
  • Stampa 3D delle antenne.
  • Stampa 3D su richiesta di pezzi di ricambio.
• Industria Medicale e odontoiatrica
  • Stampa 3D di protesi su misura per il paziente per gambe, braccia o mani.
  • Stampa 3D di impianti per le ricostruzioni chirurgiche come nel caso di impianti cranici.
  • Stampa 3D di sostituzioni articolari come ginocchio e anca.
  • Stampa 3D di modelli per apparecchi dentali.
  • Stampa 3D di corone e ponti.
• Beni industriali
  • Stampa 3D di strumentazione per la produzione su richiesta.
  • Stampa 3D di cuscinetti, scambiatori di calore, staffe,...
  • Stampa 3D su richiesta di parti di ricambio.
• Industria dei beni di consumo
  • Stampa 3D di montature per occhiali.
  • Stampa 3D di suole termoplastiche per scarpe da corsa.
  • Stampa 3D di manici di rasoi personalizzati.
  • Stampa 3D di gioielli personalizzati.
• Ingegneria civile
  • Stampa 3D di modellini di singole strutture o di quartieri completi.
• Strumenti musicali
  • Stampa 3D di strumenti completi come il sassofono.
• Altre industrie
  • Armi da fuoco, utensili, robotica, sensori, …

La produzione additiva è andata ben oltre la semplice prototipazione. Viene ampiamente utilizzata per la creazione di parti personalizzate come apparecchi ortodontici, impianti per la chirurgia ricostruttiva, ecc. ma anche per la produzione di piccoli volumi di componenti standard, ad esempio nei motori dei jet e nelle fusoliere degli aerei.

Grazie ai grandi miglioramenti nella velocità delle stampanti 3D industriali e la disponibilità di un maggior numero di materiali, la stampa 3D sta per diventare una tecnologia praticabile per la produzione in serie di componenti standard con volumi di produzione fino a 100.000 pezzi all'anno.

Il più delle volte, i componenti appena stampati in 3D hanno delle imperfezioni e richiedono delle lavorazioni successiva alla stampa. Per i componenti stampati in 3D, è necessario affrontare le seguenti imperfezioni:

• Le parti stampate in 3D sono costruite su una piastra di supporto, strato dopo strato. Il primo strato aderisce sulla piastra, e una volta che il componente viene completato, quest’ultimo deve essere separato dalla piastra. In modo particolare nel caso delle stampe in metallo il componente è essenzialmente saldato alla piastra.
• La stampa di componenti complessi con sporgenze pronunciate, richiedono l’utilizzo di “strutture di supporto” che impediscano alla struttura di cedere o collassare durante la fase di stampa. Al termine della stampa, queste strutture dovranno essere rimosse.
• La superficie dei componenti prodotti in plastica o in metallo con la tecnologia a letto di polvere MJF, SLS, SLM, DMLS oppure EBM sono solitamente ricoperti da residui di polvere. Solitamente la polvere può essere ri-sinterizzata sulla superficie del componente. La polvere residua e parzialmente fusa deve essere completamente rimossa dalla superficie del componente.
• A seconda del metodo di stampa e dal materiale, i componenti possono avere una superfice con un livello alto di rugosità, come Ra > 25 µm, rispetto ai pezzi fusi e/o forgiati con Ra = 3 - 8 µm. Solitamente la costruzione con uno strato sopra l’altro crea un effetto detto “stair stepping” che rende ancora più pronunciata l’elevata rugosità della superficie. Nella maggior parte dei casi questo non è accettabile e deve essere corretto.
• A volte, soprattutto nel caso dei beni di consumo, le parti stampate in 3D devono essere tinte con un colore speciale.

Tutti questi passaggi che mirano a perfezionare la parte stampata in 3D sono definiti con il termine di “post-processing”.  

Generalmente il post-processing ha le seguenti attività

• Unpacking, spacchettamento in italiano
  La rimozione dal componente stampato in 3D dalla piastra di supporto o dal build di stampa. Per la stampa di pezzi metallici può essere richiesto l’uso di una sega a nastro oppure di elettroerosione a filo. Per i pezzi in plastica solitamente può essere sufficiente una spatola.
  Dopo l’unpacking, il materiale in eccesso deve essere rimosso dalla piastra in modo tale che quest’ultima possa essere utilizzata per la stampa successiva.
• Rimozione delle strutture di supporto
  Dopo il completamente di ciascuna stampa, tutte le strutture di supporto devono essere rimosse senza danneggiare il nuovo oggetto. Nel caso della plastica, i supporti possono essere separati chimicamente, meccanicamente o con una combinazione dei due processi. I supporti dei componenti stampati in metallo, invece possono essere rimossi elettro-chimicamente, meccanicamente oppure una combinazione dei due.
• Rimozione della Polvere (de-powdering)
  Questa attività è necessaria solamente nel caso in cui viene utilizzata la tecnologia a letto di polvere come MJF, SLS, SLM, DMLS e EBM. Solitamente, i residui di polvere possono essere soffiati via. In ogni caso, se la polvere è sinterizzata sulla superficie, saranno necessari metodi più aggressivi, come la granigliatura e/o la finitura di massa.
• Levigatura e lucidatura delle superfici
  Il perfezionamento della superficie può essere una delle attività più sfidanti. Specialmente se il pezzo ha una rugosità iniziale Ra = 40 µm e deve essere levigato fino a Ra = 0,1 µm o anche più basso. La levigatura della superficie può richiedere un processo a più fasi. Ad esempio una prima lavorazione può avvenire tramite granigliatura, successivamente una fase di levigatura e lucidatura grazie a un sistema di finitura di massa
• Tintura di un componente stampato 3D con un colore specifico
  L'applicazione di un colore sulle parti stampate in 3D richiede uno speciale processo di tintura che offre un'ampia scala cromatica, un'elevata resistenza all'acqua, una buona resistenza all'abrasione e, soprattutto, nessuna perdita del colore.

In poche parole no! La scelta della tecnologia di post-processing dipende dalla tecnologia di stampa, dal materiale stampato e dal tipo del pezzo.

Certo, esistono tecnologie di post-processing che possono adempiere a più task. Per esempio, la granigliatura può essere usata sia per rimuovere la polvere residua che per una levigatura iniziale di superfici estremamente ruvide. Può essere utilizzata anche per rimuovere i supporti oppure per l’unpacking.

Ma ciò dipende dalle condizioni generali del pezzo grezzo stampato, dalla tecnologia di stampa e dal materiale che è stato stampato. Allo stesso modo la finitura di massa a volte può essere utilizzata per la rimozione della polvere o per rimuovere le strutture di supporto. Tuttavia i suoi punti di forza principali sono la sbavatura/raggiatura dei bordi, la levigatura delle superfici e la lucidatura.

L’individuazione del giusto processo, o meglio, il mix di tecnologie richiederà numerose prove di laboratorio. Potrebbe anche essere necessario rivedere il disegno iniziale del prodotto o anche il metodo di stampa scelto. Per esempio, una piccola modifica potrebbe aiutare a minimizzare il bisogno delle strutture di supporto. Oppure la scelta di un differente metodo di stampa potrebbe ridurre una iniziale rugosità del pezzo stampato. 

Pertanto, la domanda di cui sopra dovrebbe essere riformulata come segue:

Qual è la combinazione più efficace ed economica di tecnologie di post-processing per un determinato componente o gruppo di componenti stampati in 3D?

La granigliatura e la finitura di massa sono di gran lunga i trattamenti di finitura più versatili disponibili sul mercato. Giocano un ruolo chiave in numerose fasi del 3D post-processing. La loro applicazione spazia dall’unpacking (spacchettamento) alla lucidatura dall’alta brillantezza.

La granigliatura è una tecnologia adatta per la pulizia generale, la omogeneizzazione della superficie e per la preparazione per il rivestimento o per la verniciatura. In una delle sue declinazioni, “shot peening”, la granigliatura può anche essere usata per migliorare la vita dei componenti riducendo le tensioni superficiali.

In oltre, nell’ambito dell’additive manufacturing, la granigliatura è anche usata per ridurre l’iniziale alto livello di rugosità del pezzo appena uscito dalla stampante.

La granigliatura è anche usata per le seguenti fasi di post-processing:

• De-polverizzazione/pulizia
  dopo aver separato il pezzo dalla piastra di stampa, il componente in AM stampato con tecnologia SLS, Multi Jet Fusion, SLM, DMLS o EBM può essere ricoperto da residui di polvere parzialmente fusi. La granigliatura è un metodo eccellente per pulire i componenti e rimuovere tutti i residui di polvere.
• Omogeneizzazione della superficie
  La granigliatura crea un profilo superficiale altamente omogeneo e uniforme. Tale profilo può essere richiesto per motivi funzionali, ma anche per scopi estetici.
• Levigatura superficiale iniziale
  La granigliatura viene anche usata per una iniziale riduzione degli alti livelli di rugosità superficiale. Con la giusta graniglia è possibile raggiungere dei valori di rugosità di Ra= 0,5 - 0,8 µm. Per arrivare a valori ancora più bassi, per una lucidatura ad alta brillantezza saranno necessarie ulteriori fasi di finitura di massa.
• Preparazione superficiale per rivestimenti/verniciatura
  Al fine di garantire una buona adesione al substrato del rivestimento o della vernice, la superficie del pezzo deve essere testurizzata. La granigliatura è uno strumento eccellente per la testurizzazione della superficie.

La finitura di massa è una tecnologia che solitamente viene utilizzata per sbavare/levigare i bordi e pulire, es. disoleare, smerigliare le superfici, levigare le superfici e lucidare a specchio. Può essere utilizzata per qualsiasi pezzo, indipendentemente dalla forma, dalle dimensioni e dal materiale del componente.

La finitura di massa permette non solo il trattamento delle superfici esterne, ma anche la finitura dei passaggi interni, di sottosquadra, di fori, ecc.

La finitura di massa è anche usata per le seguenti fasi di post-processing:

• Pulizia
  Dopo la stampa, i componenti possono essere sottoposti a lavorazioni che lasciano liquidi refrigeranti e/o olio sulla superficie del pezzo. La finitura di massa elimina completamente questi inquinanti.
• Sbavatura/raggiatura dei bordi
  Il processo di stampa o anche le lavorazioni successive possono lasciare bave o spigoli vivi. La finitura di massa non solo rimuove le bave, ma arrotonda anche gli spigoli.
• Levigatura superficiale
  Per ragioni funzionali ed estetiche, la superficie del pezzo deve talvolta essere estremamente liscia. Alcuni pezzi richiedono addirittura una lucidatura ad alta brillantezza. La finitura di massa può ridurre la rugosità superficiale di un componente grezzo stampato da Ra = 25 µm a meno di 1,0 µm. A seconda della durezza del materiale (ad esempio il cromo cobalto o il titanio sono più duri dell’alluminio), può essere necessario un processo a due o anche tre fasi.
• Lucidatura ad alta brillantezza
  Grazie ai media appositi la superfice dei pezzi può ulteriormente essere migliorata fino a un livello di lucidatura di Ra < 0,1 µm.

Certamente! Considerare tutti gli aspetti del post-processing durante la fase di progettazione è essenziale per valutare la funzionalità generale e l’efficienza dei costi del componente stampato 3D. Questo approccio “Integrato” è assolutamente una pre-condizione per un prodotto di successo.

Per esempio, il design deve garantire che lo spessore e il numero delle strutture di supporto sia il più piccolo possibile. Allo stesso tempo i disegnatori dovranno considerare le possibilità di costruire strutture di supporto in differenti materiali, ciò potrebbe facilitare la loro rimozione. Inoltre si potrebbe scegliere un metodo di stampa che non necessità di supporti.

Anche la finitura finale deve essere presa in considerazione durante la progettazione. Se il componente in 3D deve avere una superficie lucida ed estremamente liscia, potrebbe essere utile scegliere un metodo di stampa che crei una rugosità superficiale iniziale molto più bassa rispetto ad altre. Ad esempio, il Metal Binder Jetting produce superfici iniziali più lisce rispetto ai metodi di sinterizzazione laser o di fusione laser;  e ha un ulteriore vantaggio: non richiedere strutture di supporto.

Anche le proprietà meccaniche e le dimensioni del componente devono essere prese in considerazione durante la fase di progettazione. Per esempio, lo svantaggio del Metal Binder Jetting è che offre poca forza meccanica, non permette la creazione di geometrie intricate e poca accuratezza dimensionale, causando successivi problemi di post-processing.

I metodi a laser (SLM, EBM) producono pezzi più densi e, più resistenti. Ma questo può rendere la finitura superficiale ancora più impegnativa.  

Questi pochi esempi dimostrano quanto sia importante porre l'attenzione sul post-processing e sul metodo di stampa già durante la fase di progettazione. Limitarsi a preparare un disegno CAD e inviarlo alla stampante non è sufficiente e potrebbe portare a risultati disastrosi.