Un settore in fermento, che utilizza sempre più le tecnologie digitali 3D

1. e delle carrozzerie. I settori medicale
e dentale realizzano protesi e
impianti, mentre i gioiellieri utilizzano
la stampa 3D sia per preparare i
modelli sacrificali per la fusione a
cera persa che per la stampa diretta
dei gioielli.
Tecnologie di produzione
Esistono varie tecnologie di
produzione additiva di metalli. Ecco
le principali:
Fusione/sinterizzazione di polveri
metalliche. DMLS (Direct Metal
Laser Sintering) SLM (Selective
Laser Melting) e EBM (Electron
Beam Melting) sono le tecnologie
più diffuse. Si basano sulla fusione
di polveri metalliche tramite laser
o fasci di elettroni e sono proposte
da una decina di produttori. Sisma
è l’unico produttore italiano di
stampanti per metalli. Anche molti
centri servizi e servizi online come
Shapeways e iMaterialise e Ponoko
sono in grado di offrire parti
stampate in 3D a metallo diretto.
Metal binding (Metal binder jetting).
É un processo bi-componente che
usa un letto di polvere metallica
e un legante (binder), e forma gli
strati sono incollando le particelle
metalliche. L’oggetto finito, poroso
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Mentre nel campo della
prototipazione i materiali di gran
lunga più utilizzati sono le materie
plastiche, nella produzione di
prodotti finiti tramite produzione
additiva i metalli avranno un
peso rilevante, poiché il metallo
stampato in 3D ha una qualità pari
o migliore di quello prodotto con
i metodi tradizionali. In generale, la
stampa 3D è uno strumento ideale
per realizzare prototipi e nuovi
oggetti più efficienti e performanti,
spesso utilizzati per applicazioni
di punta, e i più grandi produttori
di software, come Autodesk,
SolidWorks e solidThinking, stanno
lavorando per permettere ai
progettisti di sfruttare al meglio
la libertà geometrica dei processi
di stampa 3D diretta a metallo.
Alcuni settori industriali usano già
la stampa 3D a metallo, soprattutto
per piccoli pezzi meccanici, come gli
ingranaggi. Nell’industria aerospaziale
vengono già prodotti alcuni
componenti dei motori (come le
palette e gli ugelli dei turboreattori),
degli aerei e dei missili, mentre
la NASA sta investendo molto nella
stampa 3D dei metalli. Auto e moto
da competizione utilizzano la stampa
3D per vari componenti dei motori
luglio-agosto 2016
Metalli e stampa 3D
MOLTI I SETTORI
INDUSTRIALI INTERESSATI
e piuttosto fragile, viene poi trattato
in un forno ad alta temperatura che
fonde insieme le parti metalliche.
Viene sfruttato prevalentemente
per realizzare pezzi di notevoli
dimensioni. I principali produttori
sono ExOne e Digital Metals.
FFF con filamenti plastici ‘caricati
con metalli’. Esistono in commercio
filamenti in PLA e altre materie
plastiche caricati con alte percentuali
di polveri metalliche, come argento,
bronzo, ottone e rame, che possono
essere stampati con qualunque
stampante a filamenti. La startup
Virtual Foundry produce il filamento
Filamet che permette a qualsiasi
stampante FFF di stampare metallo
puro.
Metal Clay. In questa tecnologia,
una stampante 3D a estrusione
pneumatica dotata di siringa utilizza
una pasta costituita da polvere
metallica e leganti organici (Metal
Clay) per formare gli oggetti, che
poi sono cotti in un forno per
sinterizzarli, come nel binder jetting.
La startup Mini Metal Maker offre
una stampante di questo tipo per
meno di 2.000 dollari.
DED (Directed Energy Deposition).
Questo processo, utilizzato
nell’industria dei macchinari, si basa
Giancarlo Magnaghi
QUELLI CHE... LA STAMPA 3D

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su due tipi di materiale diversi:
filo metallico e polvere metallica.
Nel processo a polveri, un ugello
si muove su 4 o 5 assi tramite un
braccio robotico ed estrude gli strati
di materiale metallico. Una volta
costruita la struttura, un fascio laser
fonde i livelli per creare un unico
pezzo.
EBAM (Electron Beam Additive
Manufacturing). Utilizzato da Sciaky
è una saldatura ad alta precisione,
dove un fascio di elettroni molto
potente è usato per fondere un filo
di metallo fuso, utilizzato per riparare
grandi componenti metallici (come
le giranti delle turbine a gas) o per
modellare strutture metalliche anche
di grandi dimensioni.
Il futuro
Toshiba ha annunciato una stampante
con la tecnologia proprietaria LMD
(Laser Metal Deposition), disponibile
dal 2017, che utilizza polveri
metalliche come l’acciaio inossidabile,
e sarà 10 volte più veloce rispetto
alle attuali stampanti per metalli.
Utilizzando le nanotecnologie, gli
scienziati continuano a sviluppare
nuove nano-particelle di materiali
metallici: dall’argento conduttivo
stampabile in 3D al getto di
‘inchiostro metallico’ contenente
nano-particelle di metallo della
stampante 3D a metallo NPJ
(NanoParticle Jetting) sviluppata
dalla società israeliana XJet. Molti
sviluppatori stanno lavorando
su progetti open source per
creare stampanti 3D per metalli a
basso costo. La startup giapponese
Foto Electron Anima, ha messo
a punto un dispositivo basato su
un semiconduttore al nitruro di gallio,
molto più piccolo ed economico
dei dispositivi esistenti, che genera
un fascio di elettroni di nuova
generazione e può essere facilmente
incorporato nelle stampanti 3D.
Metalli per la stampa 3D
Con le stampanti 3D si possono
utilizzare vari materiali metallici.
Titanio. Forte e leggero, è usato nei
processi a fusione su letto di polvere
e nel binder jetting, soprattutto
nell’industria medicale (per le
protesi) e nelle industrie aerospaziali,
automobilistiche e dell’utensileria
(per produrre parti e prototipi).
Acciaio Inox. Utilizzato
nelle applicazioni industriali,
artistiche e di design.
Acciaio Maranging. Lega di
acciaio, cobalto e nickel usata per
applicazioni industriali.
Inconel. Super lega composta da
nickel e cromo con una notevole
resistenza alle alte temperature,
prodotta da Special Metals
Corporation.
Alluminio. Grazie alla sua leggerezza
e versatilità è un materiale molto
popolare nelle applicazioni
aerospaziali e automobilistiche.
Cromo Cobalto. Lega metallica con
resistenza specifica molto alta, usata
soprattutto per produrre turbine,
impianti dentali e ortopedici.
Rame e bronzo. Usati nei processi
di fusione a cera persa e come base
per i filamenti plastici caricati in
metallo.
Ferro. Utilizzato soprattutto come
aggiunta a filamenti plastici.
Oro, argento, platino e altri metalli
preziosi. Utilizzati nelle stampanti a
letto di polvere sia per la gioielleria
sia per applicazioni medicali ed
elettroniche.
Applicazioni nell’industria italiana
Sul territorio nazionale esistono
eccellenze a livello mondiale. In
campo aerospaziale Avio Aero
(acquisita da GE), è stata la
prima fabbrica additiva al mondo
dedicata a un particolare tipo di
produzione. Nello stabilimento
di Cameri sono presenti solo
luglio-agosto 2016
stampanti 3D a metallo, oltre a un
impianto per la produzione delle
polveri metalliche. Utilizzano la
fusione a fascio di elettroni (EBM) e
la fusione laser selettiva (SLM), per
realizzare i componenti per i nuovi
motori a reazione GE. Le stesse
tecnologie a base di titanio vengono
applicate in campo medicale da
Lima Corporate, con sedi in Friuli
e in Sicilia, per realizzare protesi
per ginocchia, bacino, cranio e
maxillo facciale. Lima ha inventato
la struttura ‘trabecolare’, che oggi
viene usata in tutto il mondo
della stampa 3D e non solo in
campo medicale, che replica quella
dell’osso trabecolare e permette
di creare oggetti ottimizzati, più
leggeri fino al 90% di quelli prodotti
con tecniche tradizionali. Aziende
come Fca, Ferrari, Lamborghini
e Ducati producono da anni i
prototipi, e iniziano oggi a produrre
alcuni componenti delle loro auto
mediante processi di stampa 3D a
metallo. Nel mondo del gioiello, la
stampa 3D sta diventando il metodo
più diffuso per la produzione seriale
di prodotti personalizzati o ‘mass-
customized’.
Giancarlo Magnaghi, Consulente
g.magnaghi@studiomagnaghi.it