Stampa 3D a filamento metallico: invenzione geniale o grande truffa?

Quali danni questa nuova tecnologia rischia di fare sui tuoi componenti meccanici?

Se segui i miei articoli da un po’, saprai che non do giudizi affrettati anzi, ti invito a fare lo stesso e a raccogliere insieme a me le informazioni che trovi, per poi selezionarle e capire qual è la miglior situazione, che si adatta al tuo tipo di produzione.

Molti giornali scrivono che la stampa 3D a filamento metallico è l’invenzione geniale, che rivoluzionerà il settore metallico dell’additive, scalzando la tecnologia PBF (Powder Bed Fusion); è proprio così o i fornitori di questa tecnologia stanno cercando di imbonire gli imprenditori con una tecnologia che nascoste spiacevoli sorprese? 

Sembra una metafora forte, ma i fornitori e produttori di questa tecnologia ti contattano direttamente in chat, come fanno quelli di Herbalife per convincerti che la loro soluzione sia la panacea di tutti i mali.

Io sono contento di vedere altre persone entusiaste per l’additive manufacturing, ma non apro il mio portafoglio finché non faccio le adeguate indagini tecniche e capisco come questa nuova tecnologia potrà servire al meglio per produrre i miei componenti meccanici, e sinceramente ti consiglio di fare la stessa cosa.

Facciamo un’analisi tecnica della situazione.

Prima di tutto, se questa tecnologia mantenesse davvero ciò che promette, sarei il primo ad investirci soldi e tempo, perché voglio poter produrre i componenti migliori per la mia azienda meccanica.
Prima ancora di essere un produttore di stampanti 3D per l’applicazione meccanica, sono un imprenditore meccanico, che ha un’azienda, simile alla tua, da portare avanti.

Prima di scegliere di affidarmi alla tecnologia L-PBF, ho testato tutte le altre opzioni esistenti, senza trovare i risultati che speravo. Qui troverai un articolo che ti mette in comparazione tutte le tecnologie additive esistenti per i metalli.

Oggi voglio analizzare con lo sguardo da detective e la precisione di uno scienziato la stampa 3D a filamento metallico, mettendola in comparazione con quella che conosco come le mie tasche e che, fino ad oggi, si è rivelata la più sicura ed affidabile per produrre componenti meccanici: la Powder Bed Fusion.

Partiamo dalla domanda base: 

cos’è la stampa 3D a filamento e come funziona?

La stampa 3D a filamento sfrutta il processo di estrusione del materiale (material extrusion): il materiale viene selezionato e distribuito passando attraverso un ugello. 

Questo processo può avvenire sia a caldo che a freddo e i materiali usati possono essere filamenti (polimeri, polimeri composti), paste fluido-dense (argilla, ceramiche, polimeri in pasta, idrogel, alimenti) o liquidi (bioprinting).

Per capirci, è la stessa tecnologia che fanno usare ai bambini a scuola. 

Fino a poco tempo fa queste stampanti venivano usate per produrre componenti partendo da dei filamenti di PLA termoplastici (acido polilattico) o ABS puro. Oggi si sono inventati il filamento di metallo, ovvero una miscela di polvere metallica, mischiata con un polimero (ABS o PLA).

Esatto, non sono filamenti metallici puri e hanno una percentuale di metallo che arriva massimo all’80%. 

Se farai anche solo una ricerca superficiale su internet, troverai che i filamenti di metallo, come bronzo o ottone, faranno sembrare di metallo i tuoi componenti quando, a livello metallurgico, non lo sono del tutto.

Vediamo più da vicino come funziona questa tecnologia:

Prendiamo come esempio l’acciaio inox 316 L. 

Per poter stampare i tuoi componenti con questo materiale con una stampante 3D a filamento metallico, dovrai forzatamente usare un estrusore che arriva ad una temperatura molto più bassa di quella necessaria per fondere l’acciaio (circa 1400°). Il filo in questione, come ti ho detto prima è legato ad un polimero con un binder, ovvero un collante termoplastico; questo mix è necessario per poter far funzionare l’ugello della stampante.

Con la polvere metallica pura, l’ugello non potrebbe funzionare.

In qualche rivista leggerai che questo processo di stampa è sicuro, perché non mette a contatto l’operatore con la polvere metallica, diversamente dalle altre tecnologie. 

Chi ha scritto questa frase non è mai stato a contatto con una stampante 3D di altro genere e si è affidato ai fornitori di questa nuova “Herbalife”, visto che, per esempio, per usare la stampante 3D4STEEL bastano i normali dpi usati nelle officine e l’operatore, durante la fase di stampa, non sta mai a contatto con la polvere. Io bevo il caffè e mangio tranquillamente davanti alla mia stampante 3D, ma questa è un’altra storia.

Il pezzo, costituito da pseudo metallo, prodotto dall’ugello viene chiamato green part e dovrà TASSATIVAMENTE essere sottoposto al processo di de-binding per rimuovere il collante  (il binder), obbligatoriamente presente nella struttura.

Il binder viene eliminato tramite una vasca di lavaggio apposita.

Il processo di de-binder, infatti, è un deceraggio catalitico, ovvero un processo termo chimico nel quale le parti verdi vengono sottoposte a gas di acido nitrico gassoso, in un’atmosfera di azoto, riscaldata.

Oltre a sostenere la spesa per approvvigionarti di questi diluenti, il processo di de-binding (lavaggio) può richiedere anche 24 ore.

Pensi sia finita qui? NO!

Quando il componente è uscito dalla vasca di lavaggio viene chiamato brown part, che è una sostanza grezza, simile al pongo o alla plastilina, che deve subire un processo di sinterizzazione in una fornace per permettere al materiale di solidificarsi e diventare una white part.

Se non inserisci il componente in fornace, sarà instabile e fragile proprio come un castello di sabbia. Di certo non potrai stampare componenti meccanici, che devono essere solidi e resistere alle oscillazioni meccaniche.

Nel tuo capannone, quindi, oltre alla stampante 3D a filamento, che è mediamente piccola e puoi tenere anche a casa, dovrai possedere anche una vasca per il lavaggio e una fornace, che dovrai sapere usare in modo corretto, per potere ottenere i giusti risultati.

Alcuni produttori ti vendono direttamente tutto il necessario, altri ti dicono di delegare a terzi questo servizio.

Delegare il de-binding o la sinterizzazione, significa affidarsi ad un fornitore esterno, attendere le sue tempistiche e mandare in fumo uno dei benefici fondamentali della stampa 3D: produrre on demand e diventare indipendente. In più, quanto ti costa delegare questo servizio?

Far passare in fornace il tuo componente ti porta via tempo prezioso: con questa tecnologia additiva, infatti, non velocizzerai la tua produzione, perché sarai costretto a fare dei passaggi obbligatori, che ti rallentano il lavoro. Tanto vale che rimani con i metodi tradizionali, giusto?

Il problema più grande della sinterizzazione in fornace, non è la perdita di tempo, ma le modifiche incontrollate che verranno fatte sul tuo componente

Il problema più grosso di questa tecnologia è il restringimento incontrollato e impossibile da prevedere o misurare del tuo componente durante la fase di de-binding e sinterizzazione. 

Questo restringimento, in inglese shrinkage, diventa una vera catastrofe per i tuoi componenti meccanici, che dovranno essere installati su un altro macchinario e che, per questo motivo, devono avere delle proprietà meccani

che e metallurgiche precise.

Un componente instabile e con una misura diversa da quella che speravi, può creare dei fermi macchina gravi e non essere idoneo per la sua applicazione finale.

La sinterizzazione solidifica e forma una massa di materiale, tramite il calore, in un’atmosfera di idrogeno o argon, mantenendo la forma delle varie parti, che verranno quasi del tutto fuse.

Ma quel quasi per la tua produzione meccanica è un elemento fondamentale: non puoi realizzare componenti che siano quasi solidi e stabili, ma ti serve la certezza.

A seconda dell’applicazione futura dei metalli che compongono la lega, si può controllare la velocità di raffreddamento per soddisfare i requisiti di durezza e densità richieste per il materiale; il problema, però, è che non si può essere sicuri della resistenza dei componenti e della loro composizione metallurgica. 

La sinterizzazione, infatti, avviene a delle temperature che raggiungono persino i 1300 gradi Celsius, permettendo sì alla plastica di bruciare, ma riducendo così il componente fino ad un 20%, con una riduzione incontrollata e il rischio di creare pericolosissimi pori interni.

I pori, purtroppo, non sono visibili ad occhi nudo, ma ci vuole un test specifico per vederli.

Inoltre, questa tecnologia si può utilizzare solo con metalli trafilabili, quindi sono esclusi tutti i metalli particolari come l’acciaio armonico C67, processabile solo con la stampante 3D4STEEL.

Quindi, facciamo un breve riassunto: 

Lati positivi della stampa 3D a filamento metallico:

• È economica e comoda da utilizzare a casa;
• Permette di avere una bassa conoscenza delle tecnologie additive per essere utilizzata;
• È utile a chi produce gadgets e oggettistica;
• La rimozione delle strutture di supporto è facile essendo costruite in ceramica.

Lati negativi che ne impediscono l’applicazione industriale:

• Prevede l’utilizzo di un ecosistema di macchinari per ottenere un pezzo finale (macchinari che hanno tutti un costo di mantenimento elevato – vedi fornace)
• Non è adatta all’uso industriale, soprattutto non è adatta per produrre componenti meccanici;
• I componenti prodotti hanno densità massima del 97%, inaccettabile per la produzione meccanica;
• Il processo prevede almeno 24 h di fornace e altrettante di lavaggio, ottenendo componenti porosi in diversi giorni invece che in poche ore come con le tecnologie L-PBF.
• Il componente subisce un ritiro del materiale anche del 20% non lineare e incontrollato, compromettendo le tolleranze ottenibili;
• Non si possono ottenere componenti del tutto pieni perché una parete piena di uno spessore maggiore di 3mm comporterebbe un eterno processo di de-binding e sinterizzazione.
• Il ciclo produttivo totale tra costruzione, lavaggio e sinterizzazione è molto lungo e costoso.

Come vedi non voglio fare il disfattista: questa tecnologia va benissimo se sei un appassionato di stampa 3D e vuoi dilettarti a produrre componenti che sembrano fatti di metallo e che non devi installare in nessun macchinario.
Certo, dovrai capire come superare il passaggio in fornace, il de-binding e districarti nella complessità di processo di questa tecnologia.

Perché questa tecnologia non va bene per produrre componenti meccanici?

1) il metallo, con il quale è composto il componente, non è denso al 100%;

2) perdi troppo tempo, perché per ottenere un componente finito devi utilizzare fornace e lavatrice;

3) il problema del restringimento non misurabile, ti impedisce di poter affidare la realizzazione dei tuoi componenti meccanici ad una tecnologia incerta;

4) dovrai spesso dipendere da una ditta specializzata, che processi la tua green part, per renderla solida, affidandoti quindi a dei fornitori esterni, che ti faranno aspettare, perdere tempo e soldi;

5) c’è il rischio di ottenere dei componenti non stabili e porosi, che poi si sbricioleranno ridicolizzando te e la tua azienda;

6) i vari passaggi sono complessi e richiedono molta cautela e sicurezze.

Inoltre, questa tecnologia non è specializzata per l’uso di un unico settore o per un unico materiale, quindi la sua progettazione e la sua ingegnerizzazione è standard e per questo motivo (terza legge di CorSystem) [metodocorsystem.com/negozio]non performerà al meglio per la realizzazione di componenti per l’applicazione meccanica.

Se vuoi conoscere nel dettaglio le differenze tra le varie tecnologie di metal AM con un confronto immediato, puoi scaricare gratuitamente la guida al metal additive manufacturing.

Ho messo in comparazione tutti i metodi produzione di metal additive in modo chiaro e comprensibile, per facilitarti l’individuazione di quelli più adatti alla tua produzione.

P.s: seguendo questo blog per gli imprenditori meccanici, potrai conoscere la stampa 3D in modo diretto, evitando tutti i tecnicismi e i giochi di parole, che stanno tenendo lontano gli imprenditori dalla stampa 3D.

You can’t do today’s job with yesterday’s method.

Al prossimo articolo,

Ivano Corsini