La stampa di metalli tramite estrusione

Lo scorso novembre si è tenuto l’incontro dal titolo: “Nuove soluzioni per la stampa 3D in metallo: la tecnologia Bound Metal Deposition di Desktop Metal”, organizzato dal Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano. L’evento ha visto la partecipazione di numerosi addetti ai lavori interessati a conoscere le potenzialità di questo sistema.

di Paolo Parenti

A partire dalla seconda metà dello scorso anno sono stati consegnati i primi sistemi di stampa additiva Desktop Metal System Studio+ in Europa. Il Politecnico di Milano è stato tra i primi ad accaparrarsene uno in Italia. Una rivoluzione tecnica, quella della stampa additiva basata su estrusione di Feedstock, che rende possibile un diverso modo di stampare 3D pezzi di materiali industriali come i metalli ma anche le ceramiche. Non più raggi di potenza come laser o elettroni che sinterizzano in loco la polvere, ma una “semplice” stampa FDM di un composto polimerico caricato con la polvere del materiale desiderato, appunto metallo o ceramica, che successivamente viene lavata dal polimero e sinterizzata in forno per dare origine al pezzo finito. Ed il tutto ad un costo di impianto relativamente basso. Non vi è dubbio che siamo di fronte ad un messaggio forte con un potenziale dirompente che per questo sta risuonando in parecchi mercati interessati, tra cui quello degli stampisti.
A presentare l’innovativa tecnologia del sistema Desktop Metal ci ha pensato questa volta il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano tramite il workshop intitolato “Nuove soluzioni per la stampa 3D in metallo: la tecnologia Bound Metal Deposition di Desktop Metal”, che si è svolto lo scorso 13 novembre presso la sede milanese di via La Masa.
Il Dipartimento milanese è stato tra i primi dipartimenti universitari europei a dotarsi del sistema Desktop Metal ed ha voluto condividere le prime sensazioni d’uso e discutere con i presenti le potenzialità del sistema. La partecipazione di più di un centinaio di persone con estrazioni industriali molto differenti ha confermato il vasto interesse che ruota attorno a questa idea nuova di fare produzione additiva.

Ricerca nell’ambito della stampa 3D di metallo
Per l’acquisizione del sistema System Studio+ il Dipartimento di Meccanica del Politecnico ha sfruttato il fatto di essere uno dei 180 Dipartimenti di Eccellenza in Italia, tra i pochi nell’ambito dell’ingegneria industriale a beneficiare delle finanze stanziate dal relativo bando ministeriale volto a premiare le migliori realtà accademiche sul territorio italiano.
Dopo l’apertura ufficiale dell’evento ad opera del Direttore del Dipartimento di Meccanica, il Prof. Marco Francesco Bocciolone, la Prof.ssa Bianca Maria Colosimo, Vice-Direttore del Dipartimento, ha fornito una panoramica generale della ricerca che all’interno del Dipartimento ruota attorno al mondo additivo.
Un quadro completo che ha sottolineato la vastità delle tecnologie attualmente disponibili nei laboratori milanesi per fare ricerca nell’ambito della stampa 3D di metallo: dai sistemi Laser o Electron-Beam a letto di polvere, a quelli laser a deposizione diretta, coinvolgendo un certo numero di prototipi che in prospettiva potranno diventare pronti per l’industria. Si capiscono quindi i motivi che hanno indotto anche l’acquisizione del nuovo sistema basato su estrusione di Desktop Metal. “Una tecnologia che ci completa – ha affermato la Prof.ssa Colosimo, esperta di monitoraggio in-situ dei processi AM – che ci consente di mantenere il livello della nostra ricerca al top”.

Maggiore complessità geometrica ottenibile
Un quadro in rapida evoluzione associato ad una diffusione esponenziale dei sistemi di stampa 3D nell’industria che per questo necessitano dello sviluppo di competenze sempre più specifiche e al contempo trasversali che coprano l’intera gamma di richieste. Dallo studio e dalla modellazione del processo di deposizione fino alla sua ottimizzazione passando per il monitoraggio dei sistemi, non è finita, all’interno del Dipartimento si studiano i sistemi di stampa 3D nella loro interezza fino alla finale caratterizzazione del comportamento meccanico e funzionale dei componenti stampati.
In questo contesto si inquadra bene la tecnologia Desktop Metal, il cui approccio è estremamente chiaro e da un certo punto di vista rivoluzionario. A raccontarlo è stata Alyssa Hopcus, Director Brand di Desktop Metal accorsa per l’evento da Boston (MA), sede dell’azienda vicino al Massachusetts Institute of Technology (MIT). “Il fatto che alcuni dei professori del MIT siano tra i soci fondatori della società – ha commentato Hopcus – non è un caso. È stato necessario per Desktop Metal avvalersi di competenze ventennali nell’ambito dello sviluppo di materiali, dei processi tecnologici e del trattamento di dati digitali per riuscire a confezionare un prodotto così innovativo.
Non è solo il processo in sé ad esserlo, ma lo è l’intero approccio digitale che viene concesso dal sistema ed in particolare dalla piattaforma Cloud che consente di stampare pezzi in metallo con semplici “clic” a portata di operatore ed a misura di ufficio, o quasi”.
Questo è possibile grazie alla conoscenza integrata nel software Fabricate® che riesce a gestire in modo quasi completamente automatico la lunga catena di processo del sistema fatta da tre principali passaggi: stampante 3D (printing), sistema di deceratura (debinding) e forno di sinterizzazione (sintering).
Un processo che ricorda molto da vicino il Metal/Ceramic Injection Molding (MIM/CIM) ma con meno limitazioni (ma anche meno produttività) legate all’assenza degli stampi ed alla maggiore complessità geometrica ottenibile. È proprio per questo che tra gli operatori MIM/CIM risiedono proprio potenziali interessati alla tecnologia Extrusion-Based di Desktop Metal proprio in virtù del fatto che in questi mercati vi è già grande esperienza sulla progettazione e sul processamento di parti ottenute con una tecnologia Binder-Based.
La chiave della catena di processo proposta dall’azienda statunitense sta nel fatto che le fasi di formatura del verde e quella di sinterizzazione sono disaccoppiate (differentemente dai processi additivi basati su Laser o EBM), consentendo una più flessibile gestione dell’apporto termico e consentendo quindi di trattare una vasta gamma di materiali che includono quelli refrattari e fragili come le ceramiche ed i carburi.

Il funzionamento del sistema
Nel sistema Desktop Metal la fase di stampa del Feedstock avviene attraverso una stampante FDM con due ugelli, uno per il materiale del pezzo e l’altro con un materiale ceramico utilizzato come interlayer per connettere i supporti al pezzo (per rimuoverli più semplicemente dopo la cottura in forno). Una tecnologia apparentemente consolidata, quella della stampa FDM, ma che nasconde alcune insidie. Stampare Feedstock non è come stampare plastica. La composizione del Feedstock stesso in termini di percentuali di Binder e suoi costituenti, granulometria/forma della polvere metallica è ciò che fa la differenza e questi aspetti determinano una buona riuscita della stampa, fatta salva una scelta coerente e ottimizzata dei parametri di deposizione.
Gli esempi mostrati di pezzi al verde durante l’evento (verde è definito lo stato in cui si trovano appena deposti) con geometria complessa, sottosquadri, pareti sottili oppure dotati di canali conformali, sono la dimostrazione che il potenziale di questa tipologia è elevato. È naturale che tale potenziale si riesce ad esprimere solo se i pezzi al verde riescono opportunamente ad essere decerati attraverso l’apposito lavaggio al solvente che avviene nel debinding e successivamente sinterizzati. Un ciclo, quello di debinding, che è piuttosto lungo (fino a più di 20 ore), ma che è totalmente automatico e che può essere lanciato con più componenti contemporaneamente.
L’uso di un solvente non infiammabile limita i rischi e consente un opportuno lavaggio a tiepido con temperature inferiori a 100 °C. Per consentire la completa rimozione della componente cerosa del Binder (la rimanente polimerica è rimossa in forno) è necessario però fare un design dei pezzi che tenga presente di alcuni vincoli, il principale dei quali è rappresentato dallo spessore massimo di parete (piena). Tale valore non può superare 10-12 mm per consentire ai tempi di debinding di rimanere entro limiti accettabili. Oltre a questo valore si possono sfruttare strategie di Infill per consentire al Binder di fuoriuscire dal pezzo opportunamente ed in modo completo, pena il danneggiamento della parte o della sua composizione chimica.
Inoltre, il progetto delle parti deve garantire un bilanciamento termico adeguato evitando, per esempio, spigoli vivi ed altre zone soggette all’intensificazione degli sforzi cui i pezzi sono soggetti a causa del loro ritiro termico.
Va marcato il fatto che in questo ciclo produttivo vi è un ritiro volumetrico delle parti pari a circa il 20% che richiede un opportuno sovradimensionamento dei pezzi al verde (che il software gestisce autonomamente). Tale shrinkage si genera in sinterizzazione a causa dal fatto che l’intero contenuto di Binder polimerico (più del 40% in volume) viene tolto dal pezzo lasciando sistematicamente dei vuoti al suo interno che vengono colmati dal processo di densificazione (la sinterizzazione) a causa della diffusione atomica che avviene quando ci si avvicina alla temperatura di fusione del metallo. Le densità ottenibili dichiarate si attestano cosi tra il 96-98%, allineate con le produzioni MIM ma leggermente inferiori a quanto concesso dalle tecnologie additive tradizionali a fasci di potenza (che possono superare il 99,5%). A favore però di questa tecnologia vi è la maggior sicurezza rispetto a queste ultime in quanto non vi sono sorgenti dirette di energia dannose per l’uomo e non vi è nemmeno la presenza di polvere “libera”, ovvero capace di entrare in sospensione ed essere inalata oppure di dare origine ad incendi.
Nonostante il forno fornito da Desktop Metal raggiunga quasi 1.400 °C in camera, il suo utilizzo è compatibile con ambienti e stanze di lavoro limitati grazie alla ridotta dissipazione termica che si genera. Qualora la presenza nel forno delle bombole di gas di apporto (nel caso del 17-4PH una miscela di Argon e Idrogeno) rappresenti una limitazione, si può facilmente ricorrere collegando la fornace ad un impianto centralizzato.
Le richieste sulla sicurezza in fase di installazione e di funzionamento dell’impianto sono molto minori così come gli overhead di costo associati. I potenziali rischi non sono tuttavia azzerati ma la soglia sulla sicurezza, cui il mondo Additive Manufacturing di metallo attuale è abituato e che spesso rappresenta un limite proprio alla diffusione di tali tecnologie come il letto di polvere o DED, viene abbassata enormemente nel caso Desktop Metal.
A livello di materiali trattabili, nei laboratori del Politecnico vi è attualmente a disposizione l’acciaio 17-4PH mentre a breve verranno approvvigionati altri acciai come quello per utensili di grado H13 e quello inossidabile 316L.
L’obiettivo dichiarato per il futuro è svoltare verso materiali che difficilmente si possono trattare con tecnologie a fascio di potenza come il rame, i carburi e le ceramiche, ad oggi disponibili solo come “beta materials” sul sistema Desktop Metal.

Esperienze all’interno del Politecnico di Milano
Un’esperienza su questa tecnologia di “Metal and Ceramic Extrusion Based AM”, ben nota all’interno dei gruppi di ricerca al Politecnico che studiano queste tematiche da parecchio tempo, già prima dell’uscita commerciale del sistema Desktop Metal, è stata illustrata dai Proff. Matteo Strano e Massimiliano Annoni. Il primo ha dedicato il suo speech al prototipo di stampante 3D di Feedstock denominata Efesto, sviluppato all’interno del Dipartimento di Meccanica più di quattro anni fa, con l’intenzione di studiare il processamento di materiali innovativi, come per esempio le ceramiche tecniche di cui sono stati mostrati parecchi esempi interessanti. “Le potenzialità del prototipo – ha affermato il Prof. Strano – sono praticamente illimitate grazie alla presenza di un estrusore di derivazione MIM con elevata potenza, per cui il range di materiali processabili è estremamente ampio”. Le potenzialità del prototipo sono state ulteriormente migliorate sfruttando il concetto di Ibridizzazione, come spiegato invece dal Prof. Annoni. “L’approccio di questa tecnologia può essere ulteriormente innovato aggiungendo queste potenzialità Ibride. La possibilità di finitura del verde tramite un mandrino ad alta velocità per piccole frese e punte installato in macchina è fondamentale soprattutto nei materiali che allo stato sinterizzato mostrano molta fragilità o su superfici che non sono più accessibili a stampa terminata”, ha commentato Annoni.

Conclusioni
Due slogan racchiudono la questione: “È tutta una questione di Binder” e “Ne vedremo delle belle”. È difficile smentire chi da questa nuova tecnologia, e da altre strettamente correlate come il Binder Jetting, si aspetta molto e chi come il Politecnico investe risorse importanti in questa direzione. Tuttavia, come per tutte le altre tecnologie, non è ancora certo il grado di diffusione e penetrazione dei mercati che riuscirà a generare, ma sicuramente le premesse affinché questo avvenga in modo rilevante ci sono tutte. Di sicuro aiuto in queste battute iniziali è la possibilità di confrontarsi non solo con i fornitori delle tecnologie stesse ma anche con realtà, come quella del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, con una visione autorevole, libera e critica sull’intero bacino di tecnologie additive disponibili.

Paolo Parenti è Ricercatore di ruolo presso il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano