Immaginate di creare tutto ciò che volete, strato per strato, direttamente sulla vostra scrivania. Benvenuti nel mondo della stampa 3D! Questa tecnologia rivoluzionaria, nota anche come fabbricazione additiva, costruisce oggetti aggiungendo materiale strato per strato, evitando i metodi tradizionali di taglio da un blocco solido. In questo articolo scoprirete come funziona la stampa 3D, i suoi vari metodi e le sue incredibili applicazioni in campi come l'aerospaziale, la medicina e la produzione. Preparatevi a scoprire come la stampa 3D sta trasformando il futuro della produzione e della progettazione.
La fabbricazione additiva (AM), comunemente nota come tecnologia di stampa 3D, è una tecnologia di prototipazione rapida diversa dalla tradizionale fabbricazione con riduzione di materiale.
Attraverso la scansione digitale tridimensionale e l'elaborazione a strati del modello, con l'aiuto di apparecchiature di fabbricazione digitale simili a stampanti, i materiali vengono continuamente sovrapposti per formare il modello solido richiesto.
Diagramma di flusso della produzione additiva:
La tecnologia di stampa 3D è stata sviluppata per la prima volta da Charles Hull nel 1986 in un processo chiamato stereolitografia (SLA), e successivamente ha sviluppato tecnologie come la sinterizzazione laser selettiva (SLS), la fusione laser selettiva (SLM), la tecnologia di incollaggio a microgetto (3DP).
Da quando è entrata nel 21° secolo, la tecnologia di stampa 3D ha fatto nuovi passi avanti e si è sviluppata, e molte piccole tecnologie che soddisfano le esigenze di settori specifici sono nate sotto la suddivisione di grandi tecnologie.
Ad esempio, la tecnologia SLA: elaborazione digitale della luce (DLP), tecnologia a getto multiplo (Ployjet), tecnologia SLM: elaborazione diretta della luce (Ployjet). laser metallico sinterizzazione (DMLS).
Attualmente, è stato ampiamente utilizzato nei settori aerospaziale, delle attrezzature mediche, dell'edilizia, dell'automobile, dell'energia, del design dei gioielli e in altri campi.
La rivista Time ha inserito la manifattura additiva tra le "10 industrie in più rapida crescita negli Stati Uniti".
La rivista britannica Economist ritiene che "promuoverà la realizzazione della terza rivoluzione industriale insieme ad altri modi di produzione digitale", cambierà i modi di produzione e di vita futuri, cambierà il modo di produrre beni, cambierà il modello economico mondiale e cambierà la vita umana.
Analisi del sistema tecnico delle precedenti rivoluzioni industriali
| Rivoluzione industriale | Caratteristiche | Basi teoriche | Unità di energia/potenza | Paradigma di produzione | Paradigma di produzione |
| La prima rivoluzione industriale (1750-1850) | Meccanizzazione | Motore a vapore | Produzione di materiale originale uguale e produzione di materiale ridotto | Produzione a macchina singola | |
| La seconda rivoluzione industriale (1850-1950) | Elettrificazione | Teoria della riduzione meccanica basata su certezza e standardizzazione | Petrolchimico Potenza / motore a combustione interna, motore | Produzione moderna di materiali ridotti e uguali | Produzione di massa basata sulla catena di montaggio |
| La terza rivoluzione industriale (1950-2020) | Digitalizzazione | Cibernetica + teoria dei sistemi | Energia a reazione, energia nucleare | Produzione moderna di materiali ridotti e uguali | Produzione automatica basata su computer |
| La quarta rivoluzione industriale (2020-2080?) | Intellettualizzazione | Sistema + cibernetica + teoria dell'informazione | Energia rinnovabile / centrale elettrica basata sulla fusione nucleare controllata | Integrazione dei processi basata sulla produzione additiva | Fabbrica intelligente basata su Internet industriale |
Rispetto alla tecnologia di produzione tradizionale (produzione di materiali ridotti), la stampa 3D non richiede la creazione di stampi in anticipo, la rimozione di una grande quantità di materiali nel processo di produzione e l'ottenimento del prodotto finale senza un complesso processo di forgiatura.
Ha le caratteristiche di "rimozione degli stampi, riduzione dei materiali di scarto e riduzione delle scorte".
Nella produzione, può ottimizzare la struttura, risparmiare materiali ed energia e migliorare notevolmente l'efficienza produttiva.
Questa tecnologia è applicabile allo sviluppo di nuovi prodotti, alla produzione rapida di pezzi singoli e di parti in piccoli lotti produzione, produzione di pezzi di forma complessa, progettazione e produzione di stampi, ecc.
Allo stesso tempo, è applicabile anche alla produzione di materiali difficili da lavorare, all'ispezione della forma, all'ispezione dell'assemblaggio e al reverse engineering rapido.
Tempo di invenzione delle tecnologie di stampa 3D e aziende principali
| SLA | Inventore: Charles Hull (1984) Azienda dominante: America 3D systems, Liantai Technology |
| LOM | Inventore: Michael Feygin(1986) Azienda dominante: America Helisys |
| FDM | Inventore: Scott Crump(1988) Azienda dominante: America Stratasys/3Dsystems |
| SLS | Inventore: C.R. Dechard (1989) Azienda dominante: America 3DSystems, Huashu high tech |
| 3DP | Inventore: Emanual Sachs(1993) Azienda dominante: America Zcorporation |
| SLM | Inventore: Dieter Schwarze(1995) Azienda dominante: Soluzione SLM tedesca, bolite |
| EBM | Inventore: Arcam AB (1997) Azienda dominante: Svezia Arcam AB |
| Poligetto3D | Inventore: Objet(2000) Azienda dominante: Sistemi Israel3D |
Il processo di fabbricazione additiva comprende principalmente due processi: la progettazione tridimensionale e la stampa strato per strato.
In primo luogo, il software di modellazione al computer viene utilizzato per la modellazione, quindi il modello tridimensionale costruito viene suddiviso in sezioni strato per strato per guidare la stampante a stampare strato per strato.
Il formato di file standard per la cooperazione tra software di progettazione e stampante è il formato STL.
Un file STL utilizza superfici triangolari per approssimare la superficie di un oggetto.
Più piccola è la superficie triangolare, maggiore è la risoluzione della superficie generata.
PLY è uno scanner che acquisisce file tridimensionali generati dalla scansione.
I file VRML o WRL generati da PLY sono spesso utilizzati come file di input per la stampa a colori.
La stampante legge le informazioni sulle sezioni trasversali del documento, stampa queste sezioni trasversali strato per strato con materiali liquidi, in polvere o in fogli, e poi unisce le sezioni trasversali di ogni strato in vari modi per creare un'entità, che può creare articoli di qualsiasi forma.
Schema del lavoro di stampa della macchina per la produzione additiva:
Il principio di funzionamento della macchina per la produzione additiva è sostanzialmente lo stesso della stampante ordinaria, ma i materiali di stampa sono molto diversi.
I materiali di stampa delle stampanti ordinarie sono inchiostro e carta, mentre la macchina per la produzione additiva contiene diversi "materiali di stampa" come metallo, ceramica, plastica e sabbia.
Dopo aver collegato la stampante al computer, i materiali possono essere impilati strato per strato attraverso il controllo del computer (il processo di elaborazione a strati è molto simile alla stampa a getto d'inchiostro) e infine la cianografia sul computer può essere trasformata in un oggetto fisico.
La macchina per la produzione additiva è un tipo di apparecchiatura in grado di "stampare" oggetti 3D reali.
Lo standard ISO / ASTM 52900:2015, emesso dal comitato per la tecnologia di produzione additiva dell'Organizzazione internazionale per la standardizzazione, classifica la tecnologia additiva in sette categorie, ovvero: stereolitografia (SLA)
Il principio è che la polvere solida viene sinterizzata selettivamente strato per strato mediante laser (oltre alla polvere metallica principale, è necessario aggiungere una certa percentuale di polvere legante con un basso punto di fusione; la polvere legante è generalmente una polvere metallica con un basso punto di fusione o una resina organica, ecc.
Il dispositivo centrale su cui si basa questa tecnologia è un laser a infrarossi e l'ambiente di lavoro per l'energia è l'atmosfera di argon o azoto.
Presenta i vantaggi di un processo di fabbricazione semplice, un'elevata efficienza produttiva, molti tipi di materiali per lo stampaggio, un elevato tasso di utilizzo dei materiali, un ampio utilizzo dei prodotti finiti e la non necessità di considerare sistemi di supporto.
Lo svantaggio è che, a causa dell'azione dell'adesivo, l'entità presenta pori, scarse proprietà meccaniche e necessita di rifusione e rilavorazione ad alta temperatura.
Inoltre, quando il prodotto viene conservato per lungo tempo, si deforma a causa del rilascio di stress internoe la qualità della superficie è media. Il costo dell'operazione è elevato e il costo delle attrezzature è costoso.
La differenza principale tra questa tecnologia e la tecnologia SLS è che la SLM riscalda direttamente la polvere metallica attraverso il laser e non si affida alla polvere legante.
La polvere metallica ottiene l'effetto di legame metallurgico attraverso la fusione e la solidificazione, ottenendo infine le parti metalliche con la struttura progettata.
Per fondere meglio i metalli, la tecnologia SLM deve utilizzare fasci laser con un'elevata assorbenza dei metalli.
Pertanto, vengono generalmente utilizzati raggi laser con lunghezze d'onda inferiori, come il laser Nd YAG (1,064 μm) e il laser a fibra (1,09 μm).
Il vantaggio è che la tecnologia SLM utilizza polvere di metallo puro e la densità delle parti metalliche formate può raggiungere quasi 100%;
Le proprietà meccaniche, come la resistenza alla trazione, sono migliori di quelle dei getti e raggiungono addirittura il livello dei forgiati;
La densità, le proprietà meccaniche e l'accuratezza della formatura sono migliori rispetto alla SLS.
Un'altra tecnologia, la fusione selettiva a fascio di elettroni (EBM), è simile alla tecnologia SLM, con la differenza che l'EBM utilizza l'energia cinetica del fascio di elettroni ad alta velocità per convertirla in energia termica come fonte di calore per la fusione del metallo e l'ambiente di lavoro è il vuoto.
Utilizzando il fascio di elettroni come fonte di calore è possibile raggiungere una temperatura di fusione più elevata rispetto al laser, e la potenza del forno e la velocità di riscaldamento possono essere regolate.
Può fondere metalli refrattari e fondere metalli diversi.
Tuttavia, ci sono anche degli svantaggi, come la bassa resa del metallo, l'elevato consumo di energia specifica e i severi requisiti di vuoto.
Il principio di funzionamento di questa tecnologia è simile a quello della SLM.
Il bagno fuso viene generato nell'area di deposizione dal laser o da altre fonti di energia e si muove ad alta velocità.
Il materiale viene spruzzato direttamente sul fuoco del laser ad alta potenza attraverso l'ugello sotto forma di polvere o filo.
Dopo la fusione, viene depositato strato per strato per formare i pezzi richiesti.
Rispetto alla tecnologia SLM, questa tecnologia presenta i seguenti vantaggi:
In primo luogo, consente alla testa del laser e il pezzo da lavorare si muovono in modo più flessibile, aumentando così la libertà di progettazione.
In secondo luogo, durante il funzionamento dell'apparecchiatura DED, il gas inerte fuoriesce direttamente dall'impianto. testa del laser e circonda il flusso di polvere e la piscina fusa.
Non dipende dalla camera di pressione riempita di gas inerte.
Il processo di stampa 3D può iniziare immediatamente, riducendo notevolmente i tempi di preparazione della produzione.
In terzo luogo, può produrre pezzi di grandi dimensioni senza alcuna struttura di supporto.
Lo svantaggio è che il processo di fusione non è preciso come quello SLM e i pezzi finiti devono solitamente essere rilavorati.
La tecnologia 3DP è simile al processo SLS ed è formata da polvere di ceramica e gesso.
La differenza è che la polvere di materiale non viene collegata tramite sinterizzazione laser di polvere solida, ma spruzzando adesivo trasparente o colorato lungo il percorso della sezione trasversale del pezzo attraverso la testina di stampa adesiva e solidificando la polvere.
La polvere nelle altre posizioni viene utilizzata come supporto e poi viene steso uno strato di polvere.
Il processo viene riciclato fino al completamento della stampa.
Il dispositivo principale su cui si basa la tecnologia 3DP è la testina di stampa adesiva, che presenta i vantaggi di un'ampia gamma di materiali per lo stampaggio, un consumo energetico ridotto e un piccolo volume di apparecchiature.
Tuttavia, anche gli svantaggi sono evidenti.
Le parti incollate dall'adesivo hanno una bassa resistenza, richiedono un post-trattamento e i prodotti sono sciolti e porosi.
La tecnologia polyjet3D sviluppata dall'azienda israeliana objet è simile alla 3DP, ma non si tratta di materiale adesivo, bensì di materiale polimerico fotosensibile che viene spruzzato.
Attualmente, la tecnologia polyjet3D è diventata il fiore all'occhiello di STRATASYS.
In primo luogo, una varietà di materiali di base può essere miscelata all'esterno della macchina, e nuovi materiali con prestazioni migliori possono essere ottenute per combinazione.
In secondo luogo, la precisione del prodotto può raggiungere una risoluzione di 16 micron e si possono ottenere componenti e modelli lisci e molto fini.
Infine, la tecnologia è ampiamente diffusa e può essere applicata alla stampa di parti con geometrie, proprietà meccaniche e colori diversi.
Ad esempio, la tecnologia a matrice polyjet supporta anche la spruzzatura simultanea di materiali di più modelli e colori.
Il suo principio di funzionamento consiste nell'inviare le materie prime filamentose (generalmente materiali termoplastici) nell'ugello hot-melt attraverso l'alimentatore a filo, per poi riscaldarle e fonderle nell'ugello.
I filamenti di materiale termoplastico fuso vengono estrusi attraverso l'ugello e la testa di estrusione si muove con precisione lungo il contorno di ogni sezione del pezzo.
Il materiale termoplastico semi-fluido estruso viene depositato e solidificato in uno strato sottile e preciso di pezzi reali, che ricopre i pezzi costruiti.
In questo modo, un modello solido o un pezzo viene impilato strato per strato dal basso verso l'alto.
Questa tecnologia si basa principalmente su microugelli (generalmente di 0,2-0,6 mm di diametro) e riscaldatori (per mantenere la temperatura dei materiali di stampaggio semi-fluidi a solo 1°C sopra il punto di fusione).
I suoi vantaggi sono:
1. Non sono necessari componenti costosi come i laser, il costo è basso e la velocità è elevata.
2. Non ci sono restrizioni sull'ambiente di utilizzo. Può essere utilizzato in ufficio o a casa.
È semplice da mantenere, di dimensioni ridotte e non inquinante.
3. Il materiale è facile da cambiare e ha un'elevata resistenza e tenacità, che abbrevia notevolmente il ciclo di sviluppo del prodotto, in modo da poter rispondere rapidamente ai cambiamenti del mercato e soddisfare le esigenze personalizzate dei clienti.
Ma ci sono anche difetti come la bassa precisione dei pezzi e la difficoltà di formare componenti complessi e pezzi di grandi dimensioni.
Questo metodo utilizza fogli (come carta o film plastici) come materie prime.
In base alla sezione trasversale del pezzo ottenuta tramite scansione computerizzata, il foglio rivestito di adesivo hot melt sul retro viene tagliato da taglio laser in base al contorno del pezzo.
Successivamente, il foglio tagliato viene sovrapposto al foglio tagliato, incollato insieme da un dispositivo di pressatura a caldo, e quindi la sezione trasversale dello strato successivo del pezzo viene tagliata e incollata per formare un pezzo solido.
La tecnologia LOM si basa principalmente sulle prestazioni dell'adesivo hot melt, che presenta i vantaggi di un buon supporto del modello, di una facile rimozione degli scarti, di una grande dimensione dei pezzi, di un basso costo e di un'elevata efficienza.
Lo svantaggio è che la resistenza alla trazione e l'elasticità sono scarse e non è possibile produrre parti cave;
Soggetti all'influenza dei materiali, i pezzi stampati con la tecnologia LOM assorbono facilmente l'umidità e si espandono, e la superficie presenta linee a gradini.
Il principio della tecnologia SLA è che, sotto il controllo del computer, la superficie della resina liquida fotosensibile viene scansionata punto per punto dal laser a raggi ultravioletti in base ai dati sezionali di ogni strato del pezzo, in modo che il sottile strato di resina nell'area scansionata venga polimerizzato dalla reazione di fotopolimerizzazione, formando un sottile strato del pezzo, che viene polimerizzato strato per strato fino alla realizzazione dell'intero pezzo.
Questa tecnologia si basa principalmente sul laser UV e su materiali fotosensibili adatti.
Da un lato, il materiale in resina liquida viene modellato e polimerizzato da punto a linea e da linea a superficie, ottenendo una maggiore precisione e una migliore qualità della superficie.
D'altra parte, gli stessi materiali resinosi presentano alcuni difetti, come la limitata forza, rigidità e resistenza al calore, che non favoriscono lo stoccaggio a lungo termine.
Il ritiro si verifica durante il processo di indurimento della resina, che genera inevitabilmente tensioni o deformazioni.
Sebbene la tecnologia SLA si sia sviluppata in precedenza e sia attualmente relativamente matura, i costi delle apparecchiature SLA sono ancora elevati, i costi di manutenzione e di utilizzo sono alti e la struttura di supporto del pezzo deve essere progettata.
In base al riepilogo dei metodi di stampa 3D più diffusi sul mercato, le diverse tecnologie di produzione additiva presentano solitamente differenze nei materiali, nelle fonti energetiche e nei metodi di stampaggio.
La scelta della tecnologia di produzione additiva dipende dall'uso dei pezzi nelle industrie a valle.
La tecnologia di produzione additiva in metallo è generalmente utilizzata nel settore aerospaziale, mentre la tecnologia di produzione additiva non metallica è più diffusa, soprattutto in altri campi della progettazione di processi industriali, come gli elettrodomestici per auto, i dispositivi medici, i beni culturali e creativi, ecc.
Confronto tra produzione di materiali ridotti e produzione di materiali aumentati
| Contrasto | Processo di produzione tradizionale | Stampa 3D |
| Principio di lavorazione | Fissare le materie prime sull'attrezzatura e utilizzare gli strumenti per ridurre o rimuovere le materie prime in forma. Ad esempio: tornitura e taglio del ferro. Oppure progettare stampi e fondere materiali. | Digitalizzare il modello stampato, tagliare il modello e impilare i materiali strato per strato, ad esempio con la sinterizzazione laser e la fusione laser selettiva. |
| Materiale | Il processo di taglio genera molti materiali di scarto, il valore dei materiali in eccesso incompleti viene danneggiato e il tasso di utilizzo dei materiali è basso. | Aggiunta di materiali strato per strato in base alla forma della fetta del modello. Materiali di consumo su richiesta, per risparmiare materiali. |
| Stampo | La progettazione dello stampo richiede molto tempo e c'è il rischio che lo stampo fallisca e che la riprogettazione richieda molto tempo. | Non sono necessari strumenti tradizionali, attrezzature, macchine utensili o stampi e strutture di supporto, con conseguente risparmio di tempo. |
| Struttura della parte | Il processo di produzione integrale tradizionale adotta connessione a bullone e rivettatura. La struttura di giunzione ha molti giunti, molte parti e un assemblaggio complesso. | La struttura complessiva viene assemblata direttamente, riducendo il numero di parti, il peso della struttura, il numero di giunti e la tenuta. L'assemblaggio è semplice e l'efficienza produttiva è migliorata. |
| Prestazioni di parte | I pezzi si deformano e si piegano facilmente dopo essere stati rimossi dall'utensile. | Stampaggio diretto, nessuna deformazione da flessione dei pezzi |
| Design del prodotto | Progettazione di linee guida per la produzione, progettazione del prodotto in base alla fattibilità del processo di taglio e realizzazione del modello. | La produzione guidata dal design consente di progettare superfici e cavità senza considerare le difficoltà del processo di taglio e della creazione di modelli. |
| Riparazione dei pezzi | Rilevare le dimensioni del raccordo, produrre nuovi pezzi e sostituirli | Aggiungere materiali alle parti danneggiate per la riparazione |
Negli anni '80, la tecnologia di produzione additiva ha iniziato a crescere in modo esplosivo in Europa e negli Stati Uniti.
L'applicazione della tecnologia di stampa 3D può essere fatta risalire alla tecnologia di fotopolimerizzazione tridimensionale (SLA) sviluppata dallo statunitense Charles hull nel 1986.
Nei 20 anni successivi, si sono susseguiti numerosi brevetti di tecnologie di stampa 3D, come la fabbricazione solida a strati (LOM) e lo stampaggio a deposizione fusa (FDM).
Nel frattempo, in Europa e in America si sono gradualmente formate diverse aziende innovative di stampa 3D, come 3D systems, STRATASYS, SLM solution.
Poiché la tecnologia di stampa 3D è nata presto in Europa e negli Stati Uniti, dopo oltre 30 anni di sviluppo, le tecnologie SLA (stereoscopic light curing), SLS (selective laser sintering) e altre sono relativamente mature.
È relativamente perfetta nella ricerca e sviluppo e nella produzione di materiali e attrezzature metalliche ad alta temperatura.
Dal 21° secolo, la tecnologia di produzione additiva è stata ulteriormente sviluppata in vari sottocampi, come l'elaborazione digitale della luce (DLP) e la tecnologia a getto multiplo (Ployjet).
Sono nati anche materiali speciali per la stampa 3D e attrezzature per la stampa 3D.
Attualmente, l'industria della stampa 3D in tutto il mondo ha formato una catena industriale completa che comprende materie prime, componenti, processi, attrezzature e servizi.
Alcune imprese chiave sono passate da un singolo produttore di apparecchiature a un fornitore di soluzioni complete, dalla progettazione alla produzione dei pezzi finali.
Nel 1986, Charles hull, uno scienziato americano, ha sviluppato la prima macchina di stampa 3D commerciale.
Nel 1993, il MIT ha ottenuto il brevetto per la tecnologia di stampa 3D.
Nel 1995, Zcorp ha ottenuto l'unica autorizzazione dal MIT e ha iniziato a sviluppare macchine per la produzione additiva.
Nel 2005, zcorp ha sviluppato con successo Spectrum Z510, la prima macchina per la produzione additiva a colori ad alta definizione sul mercato.
Nel 2010, il team americano Jim Kor ha creato il primo urbee automobilistico al mondo stampato da una macchina per la produzione additiva.
Nel 2011, alcuni ricercatori britannici hanno sviluppato la prima stampante 3D di cioccolato al mondo.
Nel 2011, gli ingegneri dell'Università di Southampton hanno sviluppato il primo aereo al mondo realizzato con materiali additivi.
Nel 2012, scienziati scozzesi hanno utilizzato cellule umane per stampare tessuto epatico artificiale utilizzando per la prima volta una macchina per la produzione additiva.
Nel 2013, Solid Concepts, un'azienda di produzione additiva di Austin, in Texas, ha progettato e realizzato una pistola in metallo di produzione additiva.
Nel 2018, gli astronauti russi hanno utilizzato la bio-stampante 3D sulla stazione spaziale internazionale per cercare di stampare la ghiandola tiroidea di ratti sperimentali a gravità zero.
Nel 2019, l'Università della California di San Diego ha utilizzato per la prima volta la tecnologia di fabbricazione rapida additiva per produrre un'impalcatura del midollo spinale che imita la struttura del sistema nervoso centrale.
Dopo aver caricato le cellule staminali neurali, è stato impiantato nella colonna vertebrale di topi con gravi danni al midollo spinale, aiutandoli a recuperare la funzione motoria.
Piccole parti metalliche complesse di precisione, corone metalliche, impianti medici.
Componenti metallici complessi di grandi dimensioni di aeromobili
Componenti metallici complessi per il settore aerospaziale, impianti medici;
Componenti metallici aerospaziali di grandi dimensioni
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Progettazione e sviluppo di prodotti industriali, produzione di prodotti innovativi e creativi, stampi in cera per fusioni di precisione.
Progettazione e sviluppo di prodotti industriali e produzione di prodotti innovativi e creativi.
Parti in plastica per l'industria aerospaziale, anime di sabbia per la fusione di automobili ed elettrodomestici, guide chirurgiche e impianti ortopedici.
Progettazione e sviluppo di prodotti industriali, anime di sabbia per la fusione, impianti medici, modelli medici, prodotti innovativi e creativi, architettura.
Progettazione e sviluppo di prodotti industriali, impianti medici, produzione di prodotti innovativi e creativi, stampi in cera per la fusione.
I materiali per la stampa 3D sono la base importante per lo sviluppo della tecnologia di stampa 3D e i materiali sono un vincolo importante per lo sviluppo della stampa 3D.
Secondo le statistiche del settore delle applicazioni a valle della stampa 3D pubblicate da wohlersAssociates Inc. nel 2019, l'industria automobilistica ha rappresentato la quota maggiore, 16,4%;
L'elettronica di consumo e il settore aerospaziale occupano il secondo e terzo posto con 15,4% e 14,7%.
In base alle caratteristiche dei prodotti nel settore a valle, vi è una grande richiesta di materiali metallici e compositi, che si prevede diventeranno il "punto di svolta" dei materiali per la stampa 3D.
Le materie prime utilizzate nella stampa 3D generale sono sviluppate appositamente per le apparecchiature e i processi di stampa 3D, che sono diversi da quelli ordinari. materiali metallici, plastiche, gesso, resine, ecc. Le loro forme sono generalmente polvere, filiformi, stratificate, liquide, ecc.
La tecnologia di produzione additiva può essere classificata dal punto di vista di proprietà del materiale:
Ad esempio, per la stereolitografia (SLA) si utilizza materiale in resina fotosensibile liquida;
La fabbricazione di solidi stratificati (LOM) richiede materiali in fogli come carta e film plastici, mentre la sinterizzazione laser selettiva (SLS) e la fusione laser selettiva (SLM) riguardano principalmente materiali in polvere di metallo e ceramica.
| Materiale di stampaggio | Tecnologia di stampa e modellazione 3D |
| Termoplastico Carta, film metallico, film plastico Gesso, polvere di ceramica Resina fotosensibile liquida Polveri di metallo, leghe, termoplastiche e ceramiche | FDM LOM 3DP SLADLP-Ploy Jet SLS\DMLS\SLM\EBM |
I prodotti industriali pesanti si affidano solitamente a prodotti resistenti alle alte temperature e alla corrosione. materiali metallici.
Per soddisfare le esigenze dei prodotti industriali pesanti, la stampa 3D è stata sviluppata per la prima volta e ha investito soprattutto nella polvere di metallo.
La polvere di metallo richiede generalmente un'elevata purezza, una buona sfericità, una stretta distribuzione delle dimensioni delle particelle e un basso contenuto di ossigeno.
Attualmente, i materiali in polvere metallica utilizzati per la stampa 3D comprendono principalmente leghe di titanio, leghe di cobalto e cromo, leghe di acciaio inossidabile e leghe di alluminio. acciaio e lega di alluminio materiali, oltre all'oro, all'argento e ad altri materiali in polvere di metalli preziosi utilizzati per la stampa di gioielli.
Lega di titanio è ampiamente utilizzato nelle parti del compressore a freddo dei motori aeronautici e in varie parti strutturali di razzi, missili e aerei grazie alla sua elevata resistenza, alla buona resistenza alla corrosione e all'alta resistenza al calore.
Inoltre, la polvere di acciaio inossidabile è ampiamente utilizzata per la sua resistenza alla corrosione. I modelli in acciaio inossidabile stampati in 3D hanno un'elevata resistenza e sono adatti alla stampa di oggetti di grandi dimensioni.
Attualmente, l'Europa e gli Stati Uniti hanno realizzato la formatura laser diretta di parti di piccole dimensioni in acciaio inossidabile, superleghe e altro.
In futuro, la formatura rapida al laser di componenti metallici di grandi dimensioni in lega di superleghe e titanio sarà la principale direzione tecnica.
I tecnopolimeri si riferiscono a plastiche industriali utilizzate come componenti industriali o materiali di rivestimento, che presentano eccellenti caratteristiche di forza, resistenza agli urti, resistenza al calore, durezza e resistenza all'invecchiamento.
I materiali plastici tecnici sono attualmente i più utilizzati per la stampa 3D, tra cui i materiali ABS, i materiali PC, i materiali in nylon, ecc.
Il PC-ABS è uno dei tecnopolimeri termoplastici più utilizzati.
Ha la tenacità dell'ABS e l'elevata forza e resistenza al calore dei materiali PC e viene utilizzato soprattutto nell'industria automobilistica, degli elettrodomestici e delle comunicazioni.
La resistenza del campione realizzato con questo materiale è di circa 60% superiore a quella dei pezzi tradizionali.
Nell'industria, i materiali PC-ABS sono solitamente utilizzati per stampare parti termoplastiche come modelli concettuali, prototipi funzionali, strumenti di produzione e parti finali.
Il PC-ISO è un materiale termoplastico bianco che ha superato la certificazione medica e sanitaria.
Ha un'elevata resistenza ed è ampiamente utilizzato nell'industria farmaceutica e dei dispositivi medici, come la simulazione chirurgica, la riparazione del cranio, l'odontoiatria e altri campi professionali.
La resina fotosensibile è generalmente liquida, in grado di provocare immediatamente la reazione di polimerizzazione per completare l'indurimento sotto una determinata lunghezza d'onda della luce ultravioletta, e può essere utilizzata per realizzare materiali ad alta resistenza, resistenti alle alte temperature e impermeabili.
Il materiale Somos 19120 è di colore rosa, un materiale speciale per la colata.
Dopo lo stampaggio, può sostituire direttamente il prototipo di film di cera della colata di precisione, evitare il rischio di sviluppo dello stampo e avere le caratteristiche di basso tasso di ritenzione delle ceneri e alta precisione.
Il prossimo materiale di Somos è un materiale bianco. Si tratta di un nuovo tipo di materiale PC con un'ottima tenacità. È in grado di soddisfare le prestazioni del materiale in nylon prodotto mediante sinterizzazione laser selettiva (SLS) e presenta una migliore precisione e qualità superficiale.
I componenti realizzati con questo materiale presentano le migliori caratteristiche di rigidità e tenacità finora ottenute, pur mantenendo i vantaggi dei materiali per modellazione tridimensionale fotopolimerizzati, come la squisita fattura, le dimensioni accurate e l'aspetto gradevole.
Viene utilizzato principalmente nei settori delle automobili, degli elettrodomestici e dei beni di consumo elettronici.
Ha un'alta resistenza, un'elevata durezza, una resistenza alle alte temperature, una bassa densità, una buona stabilità chimica, una resistenza alla corrosione e altre caratteristiche eccellenti, ed è ampiamente utilizzato nel settore aerospaziale, automobilistico, biologico e in altri settori.
Con la tecnologia tradizionale, i pezzi ceramici complessi devono essere formati da stampi, che hanno un costo di lavorazione elevato e un lungo ciclo di sviluppo e difficilmente possono soddisfare le esigenze di aggiornamento continuo dei prodotti.
Nella stampa 3D, la sinterizzazione laser selettiva (SLS) viene utilizzata per lavorare la polvere di ceramica, eliminando le fasi di progettazione più complesse e realizzando la prototipazione rapida dei prodotti.
Questo materiale presenta alcuni difetti. La SLS utilizza una miscela di polvere di ceramica sinterizzata al laser e una determinata polvere legante.
Dopo la sinterizzazione laser, i prodotti ceramici devono essere messi in un forno a temperatura controllata per il post-trattamento.
Inoltre, la tensione superficiale della fase liquida è elevata quando la polvere ceramica viene sinterizzata direttamente e rapidamente con il laser, e durante il processo di solidificazione rapida si generano forti sollecitazioni termiche, con conseguente formazione di un maggior numero di microcricche.
Negli ultimi anni, anche materiali alimentari come gesso colorato, polvere di ossa artificiali, materiali biologici cellulari e zucchero sono stati applicati nel campo della stampa 3D.
Il materiale in gesso colorato è un materiale per la stampa 3D a colori.
In base al principio di formazione della stampa strato per strato su supporti in polvere, dopo la lavorazione dei prodotti stampati in 3D, sulla superficie possono comparire effetti di particelle fini, che assomigliano a rocce, e sulla superficie curva possono comparire sottili texture ad anello.
Per questo motivo, sono utilizzati soprattutto nelle bambole di animazione e in altri campi.
La carne fresca stampata dall'Università della Pennsylvania, negli Stati Uniti, è realizzata utilizzando il mezzo cellulare coltivato in laboratorio per generare una sostanza sostitutiva simile alla carne fresca, utilizzando come legante un sol a base d'acqua e combinandolo poi con speciali molecole di zucchero.
Esiste anche un inchiostro biologico ricavato da cellule umane, ancora in fase concettuale, e la stessa carta biologica speciale.
Durante la stampa, l'inchiostro biologico viene spruzzato sulla carta biologica sotto il controllo del computer e alla fine forma vari organi.
Per quanto riguarda i materiali alimentari, attualmente le stampanti 3D per lo zucchero possono realizzare direttamente dessert di varie forme, belli e deliziosi, spruzzando zucchero riscaldato.
I materiali speciali esistenti per la fabbricazione additiva comprendono materiali metallici, materiali inorganici non metallici, materiali polimerici organici e biomateriali.
Tuttavia, l'applicazione della tecnologia di produzione additiva è seriamente limitata dal numero ridotto di singoli materiali e dalle prestazioni insufficienti.
Attualmente, i leader del settore e alcune imprese produttrici di materiali hanno delineato il campo dei materiali speciali uno dopo l'altro, facendo emergere una serie di nuovi materiali compositi polimerici, materiali in lega ad alte prestazioni, materiali bioattivi, materiali ceramici e altri materiali speciali.
Le imprese interessate combinano nano materiali, materiali in fibra di carbonio e altri materiali con i sistemi di materiali esistenti e sviluppano nano compositi multifunzionali, compositi rinforzati con fibre, compositi con riempimento inorganico, compositi con riempimento metallico, leghe polimeriche e altri compositi, che non solo conferiscono ai materiali caratteristiche multifunzionali, ma ampliano anche il campo di applicazione della tecnologia di produzione additiva, rendendo i compositi uno dei trend di sviluppo dei materiali speciali.
Rispetto al metodo di produzione tradizionale di riduzione dei materiali (metodo di lavorazione che prevede l'asportazione dei materiali tramite utensili da taglio), la produzione additiva (additive manufacturing) presenta molti vantaggi:
La realizzazione di un modello con i metodi tradizionali richiede solitamente diversi giorni, a seconda delle dimensioni e della complessità del modello, mentre il tempo può essere ridotto a diverse ore grazie alla tecnologia di stampa tridimensionale, che ovviamente dipende dalle prestazioni della stampante e dalle dimensioni e dalla complessità del modello.
Rispetto alla tecnologia tradizionale di produzione dei metalli, la macchina per la produzione additiva produce meno sottoprodotti durante la fabbricazione del metallo.
Con il progresso dei materiali di stampa, la produzione "net shape" potrebbe diventare un metodo di lavorazione più ecologico.
La produzione tradizionale di materiali ridotti presenta limitazioni nella lavorazione forme complesse e strutture addominali interne, mentre la fabbricazione additiva può migliorare le prestazioni del prodotto producendo strutture complesse e presenta vantaggi incomparabili nel settore aerospaziale, nella lavorazione degli stampi e in altri campi.
1984: Charles hull sviluppa la prima tecnologia di stampa 3D SLA
1986: Nasce la tecnologia LOM e vengono fondati i sistemi 3D.
1988: Nasce la tecnologia FDM
1989: formazione della tecnologia SLS, costituzione di STRATASYS e EOS
1992: nasce la tecnologia 3DP e 3D Systems produce la prima macchina di stampaggio tridimensionale a polimerizzazione luminosa.
2002: stampato in 3D il primo organo umano - il rene.
2006: nasce la prima stampante SLS
2009: il kit di stampanti 3D prodotto da makerbot entra nel mercato
2011: l'azienda Materialise fornisce per la prima volta il servizio di stampa di gioielli in oro e argento
2012: I giganti della stampa 3D Stratasys e Objet si fondono
2013: Il primo aereo cinese che stampa in 3D componenti di cuscinetti principali in lega di titanio su larga scala
2016: GE acquisisce due colossi della stampa 3D, Concept laser e Arcam.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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