L'impatto della stampa 3D dei metalli sulle tecniche tradizionali di fabbricazione dei metalli

L'articolo in esame discute di come la stampa 3D del metallo produca nuove tecniche con impatti su metodi come la fusione, la lavorazione e la formatura. Racconterà anche come il metallo attraverso stampa 3D personalizzata e fornire una valutazione generale del suo impatto sulla catena di approvvigionamento e sui costi, delle applicazioni, dei vantaggi rispetto ai metodi tradizionali e degli svantaggi.

L'impatto della stampa 3D dei metalli sulle tecniche tradizionali di fabbricazione dei metalli

Tecnologia di stampa del metallo

Chiamiamo semplicemente la tecnologia di stampa 3D in metallo, come produzione additiva di metalli. Si riferisce al processo di creazione di oggetti in metallo attraverso una tecnica di produzione additiva a strati. Alcune cose fondamentali da sapere sulla tecnologia di stampa dei metalli:

Processi: I processi di stampa 3D in metallo più comuni sono la fusione laser selettiva (SLM), la sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) e la fusione a fascio elettronico (EBM). Questi processi funzionano facendo fondere e fondere più strati sottili di polvere metallica per formare l'oggetto solido finale.

Materiali: I materiali utilizzati possono essere acciaio inossidabile, alluminio, titanio, leghe di nichel, rame, leghe di cobalto e cromo, tra gli altri. La gamma è in crescita, in quanto l'Activeness sta migliorando.

Come funziona: Questa tecnica prevede l'uso del laser o del fascio di elettroni, per cui gli strati di polvere metallica o di filo vengono sottoposti all'energia e incollati per formare il design previsto. Ogni strato successivo aderisce solidamente allo strato precedente per formare il pezzo finale strato per strato.

I principali processi di stampa 3D del metallo

I metodi più noti di stampa 3D in metallo che vengono utilizzati oggi sono SLM - fusione laser selettiva, DMLS - sinterizzazione laser diretta di metalli e EBM - fusione a fascio di elettroni. Per la SLM e la DMLS, il processo prevede l'utilizzo del raggio laser per fondere la polvere metallica, mentre nella EBM gli strati di polvere vengono fusi per mezzo di un fascio di elettroni. La fusione multigetto viene utilizzata anche per la sinterizzazione laser selettiva. Sta migliorando perché stampa più velocemente ed è in grado di combinare diversi materiali durante il processo di stampa.

Materiali di stampa 3D in metallo

I materiali utilizzati nella stampa 3D in metallo sono l'acciaio inossidabile, l'alluminio, le leghe di nichel, il titanio e il rame. La scelta dei materiali si sta ampliando man mano che la tecnologia si sviluppa per soddisfare un maggior numero di esigenze e richieste industriali.

Tecniche di fabbricazione

Metodi tradizionali di fabbricazione del metallo

Prima dell'avvento della produzione additiva, le tecniche comuni per modellare il metallo grezzo includevano processi di lavorazione come la tornitura, la fresatura e la rettifica; tecniche di formatura come lo stampaggio, la piegatura e la filatura; e la fusione di metallo fuso in stampi. Questi metodi sottrattivi e formativi rimuovono o modellano il materiale sfuso per produrre pezzi in volumi elevati, ma sono limitati dalle geometrie e dai design che possono produrre.

Lavorazione CNC

La lavorazione CNC (controllo numerico computerizzato) utilizza utensili da taglio collegati a macchine multiasse per rimuovere il materiale in eccesso dai pezzi di metallo, sulla base di istruzioni programmate con codice G. Pur offrendo precisione, Lavorazione CNC genera scarti di trucioli ed è migliore per la produzione di profili di base, piuttosto che per le caratteristiche interne intricate e le possibilità di design leggero.

Colata di metallo

Le tecniche di colata, come la colata in sabbia, la colata in stampo e la colata a iniezione, prevedono il versamento di leghe metalliche liquefatte in stampi che si solidificano in componenti di forma quasi netta. La fusione produce sezioni complesse adatte alla produzione di volumi medio-bassi, ma comporta costi di fabbricazione degli stampi.

Formatura della lamiera

Processi come la punzonatura, lo stampaggio, la piegatura e la filatura modellano le lamiere e i fogli di metallo in pezzi attraverso forze di compressione applicate tra gli utensili. La formatura di massa produce pezzi identici in modo efficiente, ma ha dei limiti di progettazione rispetto alle capacità di stampa 3D del metallo.

Impatto della produzione

Catene di approvvigionamento più corte

Guida alla stampa 3D semplifica le catene di fornitura, integrando più fasi di fabbricazione in un unico processo. Non sono più necessarie fasi intermedie come la lavorazione a caldo/freddo, il taglio, la giunzione o l'assemblaggio. I pezzi possono essere prodotti on-demand ovunque esistano forniture di polvere e stampa 3D di metalli, riducendo i lunghi tempi di produzione e la necessità di scorte di sicurezza.

Riduzione dei rifiuti e dell'utilizzo di materiali

Depositando solo il materiale preciso dove necessario, strato per strato, la stampa 3D del metallo riduce al minimo gli scarti rispetto alle tecniche sottrattive che rimuovono il materiale in eccesso. Le parti a densità quasi completa richiedono 5-10% di materiale in meno rispetto alle controparti tradizionali e fino a 97% di polvere metallica possono essere riutilizzate. Questo riduce l'energia e i costi, riducendo al contempo l'impatto ambientale.

Costi più bassi per la produzione personalizzata e in piccoli lotti

Gli elevati costi fissi degli impianti di produzione di massa tradizionali vengono evitati con le stampanti 3D in metallo che hanno requisiti CapEx inferiori. Questo rende la produzione additiva interessante per la produzione di bassi volumi, poiché i costi per pezzo non aumentano in modo significativo per i componenti non standard o su misura. I cicli di produzione piccoli come uno sono accessibili.

Maggiore libertà di progettazione e geometrie complesse

Le tecniche additive impongono meno vincoli geometrici alla progettazione dei pezzi, rispetto alle capacità di lavorazione sottrattiva o di stampa 3D metal con processo formativo. Strutture reticolari interne complesse, canali di raffreddamento conformali e impianti specifici per il paziente sono possibili senza limiti di lavorazione. La leggerezza può essere ottimizzata per la resistenza.

Applicazioni di stampa su metallo

Industria aerospaziale

La stampa 3D del metallo consente ai produttori di aeromobili e veicoli spaziali di produrre componenti sempre più complessi e di basso volume, come le pale delle turbine e gli scambiatori di calore. Le parti con design ottimizzati che riducono il peso offrono prestazioni significative e risparmi di carburante. Le leghe di titanio e nichel sono comunemente utilizzate per soddisfare le rigorose specifiche meccaniche.

Industria automobilistica

Gli sport motoristici e i veicoli di fascia alta sono i primi ad adottare la stampa 3D di parti in metallo per applicazioni come i componenti del motore, grazie alla velocità e ai vantaggi della personalizzazione. Anche le case automobilistiche di produzione di massa stanno studiando le opportunità, come gli scudi termici che utilizzano strutture reticolari leggere. Le leghe di alluminio sono materiali popolari.

Industria medica

La produzione regolamentata di impianti, protesi e strumenti chirurgici biocompatibili in titanio e leghe di cobalto-cromo è ben consolidata. I dispositivi personalizzati migliorano i risultati per il paziente e il rapporto costo-efficacia rispetto alle alternative disponibili sul mercato.

Altre industrie

La fabbricazione additiva che utilizza metalli come l'acciaio inossidabile si espande in settori come i macchinari industriali, il petrolio/gas, la difesa e la generazione di energia. Le applicazioni speciali sfruttano la libertà di progettazione, mentre la produzione generale esplora l'efficienza dei costi rispetto alla produzione tradizionale.

Confronto tra i processi

Vantaggi della stampa 3D in metallo

La produzione additiva consente una maggiore complessità geometrica, l'ottimizzazione del design e la produzione personalizzata rispetto alle tecniche sottrattive. La semplificazione della catena di approvvigionamento e la riduzione degli scarti abbassano i costi, mentre la scalabilità della produzione va a vantaggio dei volumi medio-bassi. Sono possibili strutture reticolari interne complesse.

Limitazioni della stampa 3D in metallo

In tutto le proprietà meccaniche possono variare con l'orientamento della costruzione. A volte è necessaria una post-elaborazione. I costi più elevati dei materiali e i tempi di realizzazione più lunghi rispetto alla produzione di massa limitano le applicazioni. I pezzi di grandi dimensioni possono superare le dimensioni della stampante. Esiste un minor numero di gradi di metallo disponibili rispetto alle leghe battute standard.

Quando utilizzare la produzione tradizionale rispetto a quella additiva

La fabbricazione tradizionale mantiene i vantaggi per i componenti standardizzati di alto volume, grazie alle economie di scala. La fusione complessa è praticabile per i pezzi specializzati di grandi dimensioni e a basso volume. La scelta del processo ottimale dipende dal design/materiale del pezzo, dalla scala/frequenza di produzione e dal fatto che la geometria standard/personalizzata influisca sull'approccio produttivo. Spesso entrambi i metodi si integrano all'interno delle industrie.

Integrazione della tecnologia

Combinare i metodi tradizionali e additivi

Piuttosto che sostituire le tecniche tradizionali, La stampa 3D nella prototipazione si integra negli ecosistemi di produzione. La colata di forma quasi netta fornisce uno stock per la lavorazione CNC. Gli stampi stampati producono fusioni in modo convenzionale. I metodi sottrattivi completano parti stampate semilavorate che richiedono tolleranze strette. I processi ibridi sfruttano i vantaggi dei rispettivi metodi per ottenere risultati multi-materiale e multi-attributo.

Esternalizzazione a produttori specializzati

Mentre gli OEM più grandi incorporano capacità di stampa 3D del metallo in-house, molti fornitori traggono vantaggio dall'esternalizzazione dei lavori di additivazione del metallo. I produttori a contratto offrono un accesso economico alla fabbricazione avanzata, senza dover ricorrere a grossi investimento di capitale. I partner offrono supporto allo sviluppo delle applicazioni, ottimizzazione della produzione, post-elaborazione, servizi di test e certificazione. I clienti si concentrano sulle competenze principali, mentre gli specialisti assicurano la conformità tecnica e normativa per l'introduzione di nuovi prodotti.

Conclusione

L'integrazione della stampa 3D dei metalli nella produzione tradizionale sta guadagnando slancio, poiché entrambe le tecnologie continuano a evolversi rapidamente. Mentre la fabbricazione tradizionale rimarrà importante per la produzione di alti volumi, i vantaggi che la fabbricazione additiva offre per la complessità del design, l'efficacia della catena di fornitura e i componenti personalizzati a basso volume fanno sì che trovi un ruolo consolidato in tutti i settori.

Con i miglioramenti dei materiali e della velocità che riducono i costi della tecnologia, la stampa 3D del metallo sarà sempre più in competizione con la lavorazione tradizionale non solo per i prototipi, ma anche per i pezzi di produzione destinati all'uso finale. I vantaggi complementari di entrambi gli approcci di fabbricazione vedranno anche un maggiore uso combinato attraverso soluzioni ibride automatizzate. In definitiva, le capacità rivoluzionarie della produzione additiva di trasformare i flussi di lavoro di progettazione e produzione ne determineranno la crescente influenza sui futuri standard industriali e sulla competitività globale.

Domande frequenti

Quali materiali si possono utilizzare per la stampa 3D in metallo?

I materiali più comuni includono acciaio, alluminio, titanio, superleghe di nichel e rame. Una varietà crescente di leghe metalliche viene valutata e ottimizzata per i processi additivi.

Quanto tempo ci vuole per stampare in 3D una parte in metallo?

I tempi di stampa variano in modo significativo in base a fattori come il materiale, le dimensioni del pezzo e il tipo di stampante/impostazioni. I pezzi semplici possono richiedere alcune ore, mentre i progetti più complessi potrebbero richiedere diversi giorni per completare la costruzione strato per strato.

È necessaria una post-elaborazione per i metalli stampati in 3D?

Alcuni tipi di post-elaborazione, come la pulizia, il trattamento termico o la lavorazione, possono essere necessari per ottenere le proprietà dimensionali e meccaniche finali. In genere è necessaria anche la rimozione della struttura di supporto.

Quali industrie utilizzano le parti metalliche stampate in 3D?

I settori chiave includono l'aerospaziale, la sanità, l'automotive, le attrezzature industriali e i prodotti di consumo. Applicazioni specializzate si trovano nei settori della difesa, del petrolio/gas, della marina e altri ancora.

Come sono i costi della stampa 3D in metallo rispetto alla produzione tradizionale?

Per piccoli lotti e progetti complessi e personalizzati, la produzione additiva è spesso più conveniente. I volumi di produzione più grandi favoriscono in genere le tecniche convenzionali, grazie alle loro economie di scala.