I RICERCATORI DELLA COLUMBIA SVILUPPANO UN NUOVO METODO PER LA STAMPA 3D SLS MULTI-MATERIALE
I ricercatori della School of Engineering della Columbia University hanno dimostrato un nuovo processo di stampa 3D Selective Laser Sintering (SLS) che consente di sinterizzare più polveri nella stessa tiratura.
Invertendo il laser all’interno di una stampante 3D SLS in modo che punti verso l’alto e sostituendo la sua scatola del letto di polvere con lastre di vetro, i ricercatori sono stati in grado di stampare con numerosi materiali contemporaneamente. La nuova tecnica del team ha permesso loro di fabbricare prototipi funzionanti migliorati contenenti due polimeri diversi all’interno dello stesso strato. Con un ulteriore sviluppo, il processo potrebbe essere sfruttato per produrre una gamma di parti multi-materiale, che vanno dai circuiti integrati ai componenti del robot.
“I nostri risultati iniziali sono entusiasmanti”, ha dichiarato John Whitehead che insieme a Hod Lipson ha scritto lo studio. Whitehead spiega i risultati, “accennando a un futuro in cui qualsiasi parte può essere fabbricata con la semplice pressione di un pulsante, in cui gli oggetti che vanno da strumenti semplici a sistemi più complessi come i robot possono essere rimossi da una stampante completamente formata, senza necessità di assemblaggio. ”
“I LIMITI DELLA STAMPA IN UN SOLO MATERIALE HANNO PERSEGUITATO L’INDUSTRIA E BLOCCATO LA SUA ESPANSIONE, IMPEDENDOGLI DI RAGGIUNGERE IL SUO PIENO POTENZIALE.”
Limitazioni alla produzione di materiali multi-SLS
Tradizionalmente, la sinterizzazione laser funziona utilizzando laser rivolti verso il basso per fondere particelle di materiale in microscala all’interno di un letto di polvere. Una gamma di materiali è compatibile con il processo di stampa 3D SLS, inclusi materiali termoplastici e metalli per la produzione di parti durevoli di uso finale.
Mentre la flessibilità della sinterizzazione laser ha numerose applicazioni nei settori aerospaziale e della difesa, il metodo di produzione presenta ancora degli svantaggi. Ad esempio, per facilitare la sinterizzazione delle particelle, i processi SLS richiedono che il letto di polvere pieno sia riscaldato a temperature quasi di fusione. Questo riscaldamento ambientale può causare cambiamenti chimici e fisici che influiscono negativamente sulla prevedibilità del materiale, causando particelle non utilizzate.
Inoltre, la polvere non sinterizzata supporta la parte durante la stampa ed elimina la necessità di strutture di supporto dedicate, inoltre rende difficile il monitoraggio del processo, poiché la stampa è nascosta con una torta in polvere. Di conseguenza, se una build fallisce e senza il monitoraggio in-process, i difetti possono essere scoperti solo alla fine del processo.
“In una stampante standard, poiché ciascuno degli strati successivi posizionati è omogeneo, il materiale non utilizzato oscura la vista dell’oggetto da stampare, fino a quando non si rimuove la parte finita alla fine del ciclo”, ha spiegato Whitehead. “Ciò significa che un errore di stampa non sarà necessariamente trovato fino al completamento della stampa, sprecando tempo e denaro.”
Inoltre, le attuali tecnologie SLS, nel complesso, consentono solo la sinterizzazione di un materiale alla volta, limitando la sua capacità di fabbricare leghe classificate e parti polimeriche multimateriali. Gli approcci precedenti hanno sostituito il materiale non sinterizzato con una polvere secondaria usando un vuoto, ma la contaminazione incrociata rimane un problema con questo metodo.
Di conseguenza, i ricercatori hanno ideato una nuova tecnica di stampa 3D che hanno soprannominato Inverted Laser Sintering (ILS). Il nuovo metodo sinterizza insieme le particelle di un materiale dirigendo il laser della stampante verticalmente verso l’alto in un sottile strato di polvere attraverso una lastra di vetro borosilicato.
ILS inizia con una quantità controllata di polvere polimerica che si deposita sul vetro. Un substrato viene quindi premuto sopra il monostrato di polvere non utilizzato, poiché viene utilizzato un laser blu per fondere selettivamente il materiale particolato su di esso. Una volta completato il processo e sollevato il substrato, il materiale può essere riempito. La procedura viene quindi ripetuta, fondendo continuamente nuovi livelli fino a quando non viene creato un oggetto 3D.
Utilizzando più lastre di vetro è possibile utilizzare più polveri diverse, che consente la produzione di parti classificate e multi-materiale. Inoltre, sinterizzare le polveri separatamente impedisce loro di essere miscelate, come si farebbe con un metodo tradizionale a letto di polvere. Mentre un processo di pulizia non è stato implementato durante i test del team, può anche essere integrato in ILS. Trasportando la parte di stampa tra più letti di stampa, è possibile rimuovere le polveri sfuse tra le pause di stampa.
Per testare il loro nuovo metodo di produzione, il team di ricerca ha creato un campione di 2,18 mm di spessore 50 strati usando una miscela di TPU bianco Sinterit e materiali termoplastici Sintratec PA12. Con uno spessore medio dello strato di ∼71 μm, la parte presentava uno spessore più omogeneo rispetto a quelli creati utilizzando la tradizionale stampa 3D SLS. Inoltre, i suoi singoli strati avevano un’altezza di 43,6 μm, collocando la struttura all’interno della gamma standard per le comuni stampe sinterizzate al laser.
Di conseguenza, i ricercatori hanno concluso che era stata dimostrata la fattibilità del loro processo e la sua capacità di produrre materiali più forti e più densi. In futuro, il team Columbia intende progettare una configurazione della stampante migliorata per ILS, con deposito automatico della polvere e parametri laser ottimizzati, oltre a sperimentare una gamma più ampia di materiali. Con ulteriori ricerche, Hod Lipson, il co-ricercatore del progetto, ritiene che il metodo potrebbe eventualmente essere applicato per produrre una varietà di componenti multi-materiale.
“Questa tecnologia ha il potenziale per stampare circuiti integrati, componenti elettromeccanici e persino componenti di robot”, ha affermato Lipson. “Riteniamo che ciò amplierà la sinterizzazione laser verso una più ampia varietà di settori, consentendo la fabbricazione di parti multimateriali complesse senza assemblaggio. In altre parole, questo potrebbe essere la chiave per spostare l’industria manifatturiera additiva dalla stampa di sole parti passive uniformi, alla stampa di sistemi integrati attivi. “
Avanzamento della produzione additiva SLS
Numerose aziende produttrici di additivi hanno adottato il proprio approccio per ottimizzare la stampa SLS negli ultimi anni. Queste stampanti 3D sono spesso simili alle macchine SLS convenzionali in quanto fondono polvere in strati dal basso verso l’alto, ma presentano anche funzioni di monitoraggio avanzate e compatibilità dei materiali.
Un’opzione corrente viene dal produttore di stampanti 3D Aerosint con la loro alternativa di stampa SLS multi-polvere denominata “Deposizione selettiva della polvere”. Il metodo dell’azienda consiste in un distributore di polvere e tamburi modellanti, che depositano selettivamente la polvere fine in modo riga per riga. La tecnica può essere utilizzata per realizzare parti stampate in 3D multi-metallo.
La stampante 3D tedesca OEM EOS , ha basato su decenni di dati per comprendere la metrologia della camera di costruzione e sviluppare la sua suite di monitoraggio in-process EOSTATE brevettata . La tecnologia utilizza una fotocamera integrata per scattare una foto dell’area di costruzione durante la stampa e identifica eventuali irregolarità dopo la formazione di ogni strato. Utilizzando le immagini acquisite, i livelli irregolari o incompleti possono essere rapidamente identificati, consentendo agli utenti di interrompere il processo e correggere eventuali problemi.
Altrove, la startup svedese Wematter , ha lanciato la sua nuova stampante SLS 3D chiamata Gravity 2020 a novembre dello scorso anno. Il sistema è predisposto per il cloud e consente il monitoraggio e il controllo di processo dei sensori e dell’elettronica integrati. Utilizzando la sua fotocamera integrata, che fornisce un feed video in diretta, gli utenti possono tenere traccia del numero di livelli che sono stati stampati in tempo reale.
I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Sinterizzazione laser multimateriale invertita “, che è stato pubblicato sulla rivista Additive Manufacturing. Il documento è stato scritto da John Whitehead e Hod Lipson.
