Questo processo layer-by-layer può essere utilizzato per la formatura di singoli prototipi o per la produzione di piccoli lotti direttamente dai dati CAD. Poiché non prevede l'uso di stampi, contribuisce a ridurre i costi e offre molti vantaggi ai progettisti.
| Costo di elaborazione | Applicazione tipica | Idoneità |
- Nessun costo per lo stampo
- SLS è il più economico, DMLS è più costoso
| - Automobilistico, F1 e Aerospaziale
- Sviluppo e collaudo dei prodotti
- Strumenti
| - Pezzi singoli, prototipi e produzione in piccoli lotti
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| Qualità | Processi correlati | Tempo di ciclo |
- Elevata qualità dei dettagli e bassa rugosità superficiale
| | - Il processo è lungo, ma poiché non vengono utilizzati stampi e i dati vengono ottenuti direttamente dal file CAD, i tempi di consegna sono rapidi.
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Introduzione al processo
La prototipazione rapida fonde strati molto sottili di polvere o liquido per creare forme semplici o complesse. Si parte da un modello CAD tagliato in sezioni trasversali. Un laser mappa ogni sezione trasversale sulla superficie del materiale di prototipazione, fondendone le particelle. In questo modo si possono formare molti materiali, tra cui polimeri, ceramica, cera, metalli e persino carta.
Vengono evidenziati tre processi principali:
- Stereolitografia (SLA)): Il metodo di prototipazione rapida più diffuso, che consente di ottenere prodotti con bassa rugosità superficiale ed elevata precisione dimensionale.
- Sinterizzazione laser di metalli diretti (DMLS)
Questi processi sono utilizzati principalmente per lo sviluppo di progetti e prototipi per ridurre il time-to-market. Possono anche produrre prodotti finali di alta precisione.
Tutti i processi di prototipazione rapida iniziano con un modello CAD suddiviso in sezioni trasversali. Ogni sezione trasversale rappresenta uno strato del modello. Per la SLA, lo spessore dello strato è tipicamente 0,05-0,1 mm. Il modello è costruito da un raggio laser UV guidato da un computer e riflesso su una resina epossidica liquida sensibile ai raggi UV. La luce UV polimerizza con precisione la resina che tocca.
- Processo:
- La piattaforma di costruzione inizia a essere immersa a una profondità stabilita sotto la superficie della resina.
- Il laser focalizzato scansiona la superficie del liquido, polimerizzando i punti in base ai dati CAD.
- Dopo ogni strato, la piattaforma si abbassa di un'altezza pari a quella dello strato.
- Una lama stende la resina fresca sullo strato polimerizzato, facendola aderire allo strato precedente.
- Il processo si ripete fino al completamento del modello 3D.
Anche questo processo di produzione a strati inizia con un modello CAD a fette. Ogni strato è tipicamente 0,1 mm spessa. Uno specchio controllato da un computer dirige un laser a CO₂ per sinterizzare la polvere di nylon fine in strati solidi.
- Processo:
- Un rullo stende un sottile strato di polvere di nylon sull'area di costruzione.
- Il laser scansiona la superficie della polvere, fondendola per formare la sezione trasversale definita dai dati CAD.
- La polvere fusa si fonde con lo strato sottostante.
- Dopo ogni strato, la piattaforma si abbassa e viene applicato un nuovo strato di polvere.
- La polvere non utilizzata circonda e sostiene il modello durante la stampa.
- L'intero processo avviene in atmosfera di azoto (con <1% di ossigeno) per evitare l'ossidazione della polvere durante il riscaldamento.
Un laser a CO₂ da 250W sminuzza la polvere di lega metallica, generando un notevole calore. Il primo strato del pezzo è ancorato a una piastra d'acciaio per evitare deformazioni dovute a un raffreddamento non uniforme. Questo strato di ancoraggio semplifica anche la rimozione del pezzo dopo il completamento.
- Processo:
- Un sistema di erogazione della polvere si alza per fornire polvere metallica in modo uniforme su tutta l'area di costruzione.
- Una lama sparge uno strato preciso di polvere sulla piattaforma di costruzione.
- Il laser sinterizza ogni strato di polvere metallica sul pezzo.
- La piattaforma si abbassa progressivamente con l'aggiunta degli strati.
- Come la SLS, il processo avviene in un'atmosfera di azoto (<1% ossigeno) per evitare l'ossidazione dei metalli.
Applicazioni tipiche
Il processo SLA ha tolleranze di lavorazione relativamente ampie. Questo lo rende ideale per la realizzazione di prodotti di prova quando non è ancora stato scelto il metodo di produzione finale.
Poiché i materiali utilizzati nel processo SLS hanno proprietà fisiche simili a quelle dei pezzi stampati a iniezione, è comunemente usato per realizzare prototipi funzionali e modelli di prova.
Il DMLS è adatto per stampi a iniezione e a soffiaggio, strumenti per l'iniezione di cera e stampi per lo stampaggio. Questo processo è spesso utilizzato per produrre prototipi metallici funzionali e piccoli lotti di pezzi per l'industria automobilistica, le corse di Formula 1, la gioielleria, il settore medico e quello nucleare.
Processi correlati
La lavorazione CNC tradizionale rimuove il materiale per creare le forme, mentre la prototipazione rapida costruisce solo le parti necessarie. La lavorazione meccanica può creare pezzi molto precisi, ma richiede molto tempo e fatica. La prototipazione rapida può creare pezzi con forme interne complesse utilizzando i sottosquadri, ma richiede molto tempo e le macchine sono costose.
La lavorazione a scarica elettrica (EDM) taglia il materiale utilizzando archi elettrici controllati (scintille) tra un utensile e il pezzo. È utilizzata principalmente per lavorare profili concavi che il CNC non è in grado di gestire.
La microfusione condivide i vantaggi geometrici della prototipazione rapida perché gli stampi in ceramica sono poco costosi da produrre.
Qualità di elaborazione
Tra tutti i metodi di prototipazione rapida, la SLA produce prodotti con bassa rugosità superficiale ed elevata precisione dimensionale. Tutti i processi layer-by-layer possono raggiungere dimensioni precise:
- SLS: Forma strati di 0,1 mm di spessore, con una precisione di ±0,15 mm.
- SLA: Crea strati di 0,05-0,1 mm di spessore, con una precisione di ±0,15 mm.
- DMLS: Realizza strati di 0,02-0,06 mm di spessore, con una precisione di ±0,05 mm.
Un inconveniente della stampa 3D layer-by-layer è la presenza di linee di strato visibili sui bordi taglienti. Pertanto, tutte le parti necessitano di un'ulteriore rifinitura dopo la stampa. Ad esempio, la lucidatura della resina epossidica trasparente stampata in SLA può rendere la superficie liscia come il vetro.
La modellazione in microscala può produrre pezzi complessi e precisi (fino a 77mm×61mm×230mm). Forma strati di 25μm di spessore, quasi invisibili all'occhio, eliminando la necessità di lucidare la superficie.
Opportunità di progettazione
La prototipazione rapida offre molti vantaggi: riduce i tempi di lancio dei prodotti, i costi di sviluppo e permette di creare pezzi complessi con dimensioni esatte senza ulteriori fasi di finitura. Questi vantaggi aprono infinite possibilità di progettazione.
- SLS: Produce pezzi con proprietà fisiche simili a quelle degli articoli stampati a iniezione. È ideale per i prototipi funzionali, soprattutto quando si utilizzano cerniere mobili e bottoni automatici.
- SLA: Funziona bene per parti trasparenti, traslucide e opache. La rugosità della superficie può essere ridotta mediante lucidatura e verniciatura. I materiali SLA imitano i materiali termoplastici tradizionali, rendendoli adatti a parti che corrispondono all'aspetto e al tatto del prodotto finale.
- DMLS: Offre un'alternativa alla lavorazione di parti in alluminio. Crea pezzi altamente precisi (±0,05 mm), con bassa rugosità superficiale (strati sottili fino a 0,02 mm) e prodotti metallici 98% densi, rendendo i pezzi DMLS abbastanza resistenti per stampi e prototipi metallici funzionali.
Considerazioni di progettazione
Il limite principale di questi processi è la dimensione della macchina:
- SLS: La dimensione massima del pezzo è di 350mm×380mm×700mm.
- SLA: La dimensione massima del pezzo è di 500mm×500mm×500mm.
- DMLS: La dimensione massima del pezzo è di 250mm×250mm×185mm.
L'orientamento dei pezzi influisce sulla resistenza. Ad esempio:
- In SLS, le parti in nylon devono essere posizionate con attenzione per mantenere la precisione. Un tubo rotondo deve essere stampato verticalmente; la stampa orizzontale può distorcere la sua sezione trasversale circolare in un ovale.
- Le parti piatte di grandi dimensioni devono essere stampate in obliquo per evitare che si deformino a causa delle sollecitazioni.
- Le cerniere devono essere stampate orizzontalmente per garantire uno spessore di strato sufficiente per la durata.
La SLS può stampare contemporaneamente più parti su piani diversi grazie alla polvere autoportante. Al contrario, SLA e DMLS richiedono supporti e hanno difficoltà con i sottosquadri, limitando il numero di pezzi che possono essere stampati contemporaneamente.
Materiali adatti
- SLS: Funziona con diverse polveri a base di nylon. Il Nylon 11 resiste fino a 150°C, ideale per prototipi funzionali in ambienti difficili. I materiali caricati con carbonio e vetro migliorano la resistenza strutturale: Windform MXT, ad esempio, è progettato per le gallerie del vento e utilizzato nelle gare di F1 e nel settore aerospaziale. I nuovi materiali SLS imitano la gomma e sono precolorati, riducendo la post-elaborazione.
- SLA: Utilizza polimeri epossidici liquidi classificati in base alla termoplastica che imitano (ad esempio, ABS, PP/PE, PBT/ABS trasparente). Alcuni materiali SLA possono resistere a 200°C.
- DMLS: Compatibile con leghe metalliche speciali, come il nichel-rame (leggermente più duro dell'alluminio) e leghe di acciaio simili all'acciaio a basso tenore di carbonio.
Costi di elaborazione
- Stampi: Non sono previsti costi di stampo.
- Tempo ed efficienza: I costi dipendono dal tempo di stampa. Pur essendo lenti, questi processi richiedono una preparazione o una post-elaborazione minima, accelerando i tempi di consegna. La stampa di più pezzi contemporaneamente riduce i costi per pezzo. La polvere autoportante della SLS consente la produzione in lotti.
- Velocità: SLS stampa strati di 0,1 mm, aggiungendo 2-3 mm all'ora; SLA aggiunge 1,2-12 mm all'ora; DMLS aggiunge 2-12 mm all'ora. I pezzi SLS necessitano di raffreddamento, che può allungare i tempi di produzione fino a 50%.
Impatto ambientale
La maggior parte degli scarti della prototipazione rapida può essere riciclata, ad eccezione delle polveri di carbonio. Questi processi utilizzano macchine controllate da computer per applicare il calore con precisione, riducendo al minimo gli sprechi di energia e di materiale.
Caso di studio: Realizzazione di parti in PE con SLA
Le macchine di prototipazione rapida possono lavorare automaticamente durante la notte. I dati CAD in formato SU guidano il laser UV (Figura 1). Le parti SLA sono inizialmente invisibili in resina epossidica trasparente (Figura 2). Il processo inizia costruendo la forma esterna (Figura 3), quindi la riempie (Figura 4).
- A ogni scansione, il laser fonde strati di 0,05-0,1 mm di spessore con quello precedente.
- La piattaforma si abbassa dopo ogni strato e una lama livella la superficie per lo strato successivo (Figura 5).
Una volta terminato:
- Il pezzo viene drenato e rimosso dal serbatoio con la resina non polimerizzata (Figura 6).
- Viene separato dalla piattaforma di costruzione (Figura 7) e le strutture di supporto vengono staccate con cura (Figura 8).
- I prodotti chimici a base di alcol (come l'alcol isopropilico) eliminano la resina in eccesso (Figura 9).
- Il pezzo polimerizza sotto una forte luce UV per 1 minuto (Figura 10).
Sul pezzo finale (Figura 11) sono visibili delle linee di stratificazione, che possono essere rimosse mediante sabbiatura, lucidatura o verniciatura.
Caso di studio: Produzione di parti con il processo SLS
Il processo SLS avviene in una camera sigillata con meno di 1% di ossigeno e un elevato contenuto di azoto. La temperatura di lavoro è mantenuta a 170°C, appena al di sotto del punto di fusione della polvere polimerica. Quando il laser tocca le particelle di polvere, la temperatura aumenta di circa 12°C, fondendole istantaneamente (Figura 1).
Dopo la sinterizzazione, la camera di alimentazione della polvere si sposta verso l'alto per alimentare il rullo. Il rullo distribuisce quindi la polvere in modo uniforme sull'area di costruzione (Figura 2), ricoprendo il pezzo con uno strato liscio (Figura 3).
L'intero processo può durare da 1 a 24 ore. Una volta terminato, la piattaforma di costruzione si solleva (Figura 4), spingendo sia la polvere non sinterizzata che il pezzo sinterizzato in un contenitore acrilico trasparente. Nella sala di pulizia, il blocco di polvere viene lavorato e il pezzo finito viene accuratamente estratto (Figura 5).
Per prima cosa, spazzolare via delicatamente la polvere non sinterizzata intorno al pezzo. Quindi, rimuovere e pulire le singole parti (Figura 6). Dopo aver eliminato la maggior parte della polvere in eccesso (Figura 7), si procede alla sabbiatura del pezzo con polvere abrasiva fine (Figura 8). Il pezzo finale corrisponde esattamente al modello computerizzato, con una precisione fino a 150 micrometri (Figura 9).
Caso di studio: Produzione di parti con il processo DMLS
Il processo DMLS crea parti in metallo utilizzando i dati dei file SUI. Per lavorare più velocemente, ogni strato non viene riempito completamente dal laser. I pezzi hanno tre sezioni principali: strato esterno, strato interno e nucleo. Ogni volta che la polvere di metallo viene sparsa su questi tre strati, lo strato esterno viene sinterizzato 3 volte, lo strato interno 2 volte e il nucleo solo 1 volta. È possibile distinguere facilmente questi strati dai loro diversi colori in una sezione trasversale di un tipico pezzo DMLS (Figura 1).
Per prima cosa, si prepara una piattaforma di costruzione in acciaio con uno spessore di 13-45 mm (Figura 2). Lo spessore esatto dipende dalla profondità del pezzo. La polvere metallica fine utilizzata è costituita da particelle di lega di nichel-rame, ciascuna di 20 micrometri di diametro. La polvere viene setacciata nella camera di consegna e distribuita uniformemente nell'area di costruzione, pronta per la prima sinterizzazione laser (Figura 3). Quando l'area è pronta (Figura 4), un raggio laser CO₂ segue un percorso programmato per sinterizzare la polvere (Figura 5). Al termine di ogni strato, viene aggiunto un nuovo strato di polvere (Figura 6).
Una volta terminato il pezzo:
- Sollevare la piattaforma di costruzione (Figura 7).
- Spazzolare via la polvere in eccesso (Figura 8).
- Staccare il pezzo dalla piastra d'acciaio, che potrebbe essere ancora leggermente attaccato (Figura 9).
- Infine, si taglia il pezzo dalla lastra con la lavorazione a scarica elettrica.
Questi pezzi finiti vengono utilizzati come inserti per gli stampi a iniezione. Possono durare 20.000-30.000 volte. Gli stampi realizzati con polveri metalliche più dure possono durare 100.000-200.000 volte.
Riferimento:
Domande frequenti
1. Quanto sono precisi questi processi di stampa 3D?
Tutti e tre i processi (SLA, SLS e DMLS) offrono un'elevata precisione, ma il DMLS è il più accurato. SLA e SLS possono raggiungere una precisione di ±0,15 mm, mentre il DMLS è ancora più preciso con ±0,05 mm. Anche lo spessore dello strato varia: il DMLS è in grado di costruire strati sottili fino a 0,02 mm, il che si traduce in una finitura più liscia.
2. Quali sono le principali differenze tra SLA, SLS e DMLS?
La differenza principale sta nel materiale che usano e nel modo in cui costruiscono le parti. SLA utilizza una resina fotopolimerica liquida che viene polimerizzata da un laser UV, ottenendo parti molto lisce e altamente dettagliate. SLS utilizza un laser per sinterizzare (fondere) polvere polimerica fine, il che significa che non sono necessarie strutture di supporto ed è possibile stampare più parti contemporaneamente. DMLS è simile alla SLS ma utilizza polveri metalliche, creando parti metalliche resistenti e funzionali.
3. Le parti stampate in 3D necessitano di post-elaborazione?
Sì, la maggior parte dei pezzi richiede una qualche forma di post-lavorazione. I pezzi SLA spesso devono essere puliti dalla resina in eccesso e devono essere rimossi i supporti, seguiti da una polimerizzazione UV finale. I pezzi SLS devono essere puliti da qualsiasi polvere non sinterizzata, che funge anche da supporto. I pezzi DMLS vengono tagliati da una lastra di acciaio utilizzando l'EDM e possono anche richiedere la molatura o la lucidatura.
4. Quali sono i limiti dimensionali della stampa 3D?
La dimensione massima di un pezzo è limitata dalle dimensioni della camera di costruzione della macchina. Dei tre processi, l'SLS ha il volume di costruzione più ampio, con una dimensione massima dei pezzi fino a 350 x 380 x 700 mm. L'SLA e il DMLS hanno volumi di costruzione più ridotti, tipicamente intorno ai 500 x 500 x 500 mm e ai 250 x 250 x 185 mm, rispettivamente.
5. Come si colloca la stampa 3D rispetto alla produzione tradizionale, come la lavorazione CNC?
La stampa 3D è una additivo processo, il che significa che costruisce una parte strato dopo strato, mentre Lavorazione CNC è un sottrattivo Processo che rimuove materiale da un blocco per creare una forma. La stampa 3D è eccellente per creare geometrie complesse e caratteristiche interne che sarebbero impossibili o molto costose con la lavorazione CNC. È anche più veloce per la produzione di piccoli volumi, poiché non richiede stampi o una complessa configurazione degli utensili.
