Cos’è il Processo di Additive Manufacturing?
La produzione additiva, o Additive Manufacturing (AM), rappresenta un metodo innovativo nel panorama della produzione industriale, in grado di offrire maggiore flessibilità ed efficienza rispetto ai processi tradizionali. Spesso confusa con la sola stampa 3D, la produzione additiva comprende quest'ultima come uno dei suoi numerosi passaggi.
Gli Step Fondamentali dell'Additive Manufacturing
1. Creazione del Modello CAD
La fase iniziale del processo AM consiste nella creazione di un modello 3D tramite software CAD (Computer-Aided Design). In alternativa, il modello 3D può essere ottenuto tramite scansione 3D.
2. Preparazione del File STL
Il modello CAD viene poi convertito in un formato standard per la stampa: il file STL (Stereolithography). Questo formato utilizza poligoni, principalmente triangoli, per descrivere la superficie dell'oggetto.
3. Impostazioni della Macchina
Il file STL viene importato in un programma di slicing, che lo converte in G-code, un linguaggio utilizzato dalle macchine CNC (Computer Numerical Control). In questa fase si impostano i parametri di stampa per ottimizzare la qualità, ridurre gli errori, minimizzare gli sprechi di materiale e creare i supporti necessari.
4. Stampa 3D
La stampa 3D avviene tramite macchine CNC di varie tipologie, a seconda della modalità di stampa. Una conoscenza approfondita della macchina è essenziale per una calibrazione accurata.
5. Post-Processing
Dopo la stampa, l'oggetto viene rimosso dalla macchina e può richiedere ulteriori lavorazioni per raggiungere la qualità desiderata. Ad esempio, le stampe FDM (Fused Deposition Modeling) potrebbero necessitare la rimozione dei supporti, mentre le stampe SLA (Stereolithography) richiedono un trattamento UV per completare la polimerizzazione della resina.
Tipologie di Additive Manufacturing
Le tecnologie di produzione additiva si distinguono principalmente per il metodo di creazione dei layer di stampa.
Nel 2010, il gruppo ASTM (American Society for Testing and Materials) con la commissione F42 per le Tecnologie di Produzione Additiva ha formulato una serie di standard che classificano la gamma di processi di produzione additiva in 7 categorie (ASTM F2792-12a, Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies, (Withdrawn 2015), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, www.astm.org):
1. Binder Jetting
Il Binder Jetting è un processo di produzione additiva in cui un agente legante liquido viene depositato selettivamente su un letto di polvere per unire le particelle e formare strati solidi.
Questo metodo è utilizzato per materiali come metalli, sabbie e ceramiche.
Le principali caratteristiche del Binder Jetting includono:
- Elevata velocità di produzione
- Possibilità di utilizzare una vasta gamma di materiali
- Bassa densità dei pezzi finiti, che richiede post-trattamenti per aumentare la resistenza meccanica
2. Deposizione di Energia Diretta (Directed Energy Deposition)
La Deposizione di Energia Diretta (DED) utilizza una fonte di energia termica focalizzata, come laser, fascio di elettroni o arco plasma, per fondere i materiali mentre vengono depositati.
Questo processo è particolarmente utile per riparazioni e aggiunte di materiale su componenti esistenti.
I vantaggi del DED includono:
- Capacità di riparare parti danneggiate
- Produzione di componenti con materiali multipli
- Alta densità e qualità del materiale
3. Estrusione di Materiale
L'Estrusione di Materiale, comunemente nota come Fused Deposition Modeling (FDM), consiste nell'estrudere un filamento di materiale termoplastico attraverso un ugello riscaldato che deposita il materiale strato dopo strato.
Questo metodo è uno dei più diffusi grazie alla sua semplicità e al basso costo.
I punti salienti dell'estrusione di materiale includono:
- Ampia disponibilità di materiali
- Bassi costi di attrezzatura e manutenzione
- Facilità di utilizzo e accessibilità
4. Material Jetting
Il Material Jetting deposita selettivamente goccioline di materiale, come fotopolimeri e cera, che vengono successivamente solidificate.
Questo processo offre un'elevata precisione e una finitura superficiale eccellente.
Le principali caratteristiche del Material Jetting sono:
- Alta precisione e dettagli fini
- Possibilità di utilizzare materiali multipli simultaneamente
- Finitura superficiale di alta qualità senza necessità di post-processing significativo
5. Fusione del Letto di Polvere (Powder Bed Fusion)
La Fusione del Letto di Polvere comprende tecnologie come Selective Laser Sintering (SLS) e Direct Metal Laser Sintering (DMLS), dove un laser o un fascio di elettroni fonde selettivamente le particelle di polvere per formare strati solidi.
Questo metodo è ideale per materiali metallici e termoplastici.
I vantaggi della fusione del letto di polvere includono:
- Alta densità e resistenza meccanica dei componenti
- Libertà geometrica e complessità dei design
- Applicazioni nei settori aerospaziale, medico e automobilistico
6. Laminazione di Fogli (Sheet Lamination)
La Laminazione di Fogli utilizza fogli di materiale che vengono tagliati e legati insieme per formare un oggetto tridimensionale.
Questo processo può impiegare materiali come carta, polimeri e metalli.
Le caratteristiche principali della laminazione di fogli sono:
- Velocità di produzione elevata
- Bassi costi di materiale
- Possibilità di creare oggetti di grandi dimensioni
7. Fotopolimerizzazione (Vat Photopolymerization)
La Fotopolimerizzazione, nota anche come Stereolithography (SLA), utilizza un fotopolimero liquido in una vasca che viene polimerizzato selettivamente mediante luce UV.
Questo metodo è rinomato per la sua alta risoluzione e la qualità della superficie.
I vantaggi della fotopolimerizzazione includono:
- Altissima precisione e dettagli fini
- Finitura superficiale eccellente
- Ideale per prototipi estetici e modelli dettagliati
Da un articolo del 2019 pubblicato su Nanocomposites del gruppo “NUS Centre for Nanofibers and Nanotechnology”, Dipartimento di Ingegneria Meccanica, possiamo recuperare un’interessante review sull’additive manufacturing [Nota1].
In particolare nella tabella seguente sono elencate le diverse tecnologie di produzione additiva appena visti, con i principi di base e i metodi tipici utilizzati.
Figura © https://doi.org/10.1080/20550324.2018.1558499
Qui un’illustrazione di alcuni processi di produzione additiva:
Figura © https://doi.org/10.1080/20550324.2018.1558499
Vantaggi della Produzione Additiva
La produzione additiva offre numerosi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali:
1. Rapidità
La stampa 3D permette di produrre prototipi in poche ore, accelerando il ciclo di sviluppo del prodotto.
2. Produzione in Unica Fase
Riduce i vincoli di fabbricazione e permette la creazione di oggetti complessi senza utensili specifici.
3. Riduzione dei Costi
Consente di risparmiare sui costi operativi, delle materie prime e della manodopera, soprattutto per piccoli volumi di produzione.
4. Riduzione del Rischio e dello Scarto
Permette di verificare e modificare rapidamente i design, riducendo i costi e i tempi di progettazione e minimizzando gli sprechi di materiale.
5. Personalizzazione
Offre la possibilità di produrre articoli unici o piccole serie, rispondendo alle esigenze specifiche dei clienti.
Conclusione
L'Additive Manufacturing rappresenta una rivoluzione nel settore della produzione industriale, offrendo vantaggi significativi in termini di flessibilità, rapidità e riduzione dei costi. Tuttavia, è essenziale valutare attentamente il caso specifico per determinare se questa tecnologia è la soluzione più adatta, considerando che in alcuni casi i metodi tradizionali potrebbero essere preferibili.
[Nota 1] A. Sandeep Kranthi Kiran, Jagadeesh Babu Veluru, Sireesha Merum, A.V. Radhamani, Mukesh Doble, T. S. Sampath Kumar & Seeram Ramakrishna (2019): Additive manufacturing technologies: an overview of challenges and perspective of using electrospraying, Nanocomposites. DOI: https://doi.org/10.1080/20550324.2018.1558499
