Come ottenere parti interamente in metallo con la stampa 3D FDM

Immagine 1: Modello realizzato in Filamet™ in acciaio ad alto tenore di carbonio e sinterizzato. Fonte: The Virtual Foundry

The Virtual Foundry è un'azienda americana, con sede nel Wisconsin, formata da grandi esperti nel settore dei metalli fusi, che lavorano costantemente dal 2014 per migliorare e ampliare la loro gamma di filamenti e accessori per la stampa 3D FDM metallica. Inizialmente sono riusciti a produrre filamenti con alti percentuali di ottone, rame o bronzo ma la loro struttura dopo la sinterizzazione non conteneva le proprietà dei metalli. Attraverso una campagna Kickstarter, The Virtual Foundry ha ottenuto abbastanza supporto per evolvere i suoi filamenti al fine di ottenere le stesse proprietà dei metalli puri e ha ampliato la sua gamma di materiali (acciaio inossidabile 316L, ferro ad alto tenore di carbonio, alluminio 6061 e tungsteno). Tutti i tipi di Filamet™ consistono in un metallo di base e un polimero biodegradabile ed ecologico (PLA). Questo materiale è privo di particelle metalliche esposte e solventi volatili che possono essere rilasciati durante la stampa. Questi materiali sono estremamente semplici da stampare, poiché le loro proprietà di stampa sono simili a quelle del PLA, il che consente a qualsiasi utente di una stampante 3D FDM di creare parti con questi filamenti, senza la necessità di acquistare costose stampanti 3D FDM metalliche industriali. Uno dei principali vantaggi dei materiali Filamet™ è che raggiungono proprietà simili a quelle possibili con la tecnologia DMLS ma con certe limitazioni. A causa della necessità di sinterizzare i pezzi stampati con questo filamento, dove viene rimosso il PLA, i pezzi presentano porosità, perdita di volume e non isotropia. Le stampanti 3D DMLS riescono a stampare pezzi completamente solidi (simili alla fusione), con grande dettaglio, altezze di strato di 0,02 mm e senza necessità di post-elaborazione, l'unico svantaggio rispetto alla stampa 3D FDM Filamet™ è il costo del materiale, della produzione e delle stampanti stesse.

Immagine 2: Coni realizzati in Filamet™ in bronzo non sinterizzato e sinterizzato. Fonte: The Virtual Foundry

Per ottenere la parte stampata completamente metallica, deve essere sinterizzata in un forno. La sinterizzazione è un processo di produzione di pezzi solidi basato su un oggetto formato da polvere metallica compattata, a cui viene applicato un trattamento termico a una temperatura inferiore a quella di fusione, ma sufficientemente alta da legare le particelle metalliche in modo resistente, risultando in un blocco totalmente solido. Dopo la stampa con Filamet™ i pezzi devono essere sinterizzati per rimuovere il PLA che fa parte del filamento. La sinterizzazione può essere eseguita in un forno con ambiente aperto o in un ambiente sotto vuoto o inerte.

Sinterizzato in ambiente aperto

Per la sinterizzazione in un ambiente aperto è necessario del carbone di guscio di cocco per la sinterizzazione, una vasca refrattaria (crogiolo) e Al₂O₃ polvere refrattaria. Il processo inizia con la levigatura dei bordi grezzi del pezzo per ottenere i migliori risultati. 

Innanzitutto, il crogiolo dovrebbe essere riempito con la polvere refrattaria, lasciando uno spazio libero sulla superficie del crogiolo. Quindi il pezzo deve essere immerso nella polvere refrattaria, facendo attenzione a lasciare uno spazio di almeno 15 mm tra la superficie del pezzo e le pareti e le parti superiore e inferiore del crogiolo. La polvere refrattaria non deve essere compattata.

A questo punto, a seconda del materiale da sinterizzare, lo spazio libero sulla superficie del crogiolo dovrebbe essere riempito di carbonio sinterizzato o il crogiolo dovrebbe essere posizionato nel forno.

Immagine 3: Processo di sinterizzazione. Fonte: The Virtual Foundry

Sinterizzato in ambiente sotto vuoto o inerte

Per la sinterizzazione in un ambiente sotto vuoto o inerte, è necessario un crogiolo (vaso di cottura) e polvere refrattaria. Il pezzo viene preparato per la sinterizzazione posizionandolo all'interno del crogiolo e coprendolo con polvere refrattaria, tenendo presente che deve esserci almeno 10 mm di polvere tra le superfici del pezzo e del crogiolo. Il crogiolo viene quindi posizionato nel forno.

The Virtual Foundry fornisce la seguente tabella di temperature raccomandate, sia per la sinterizzazione in ambiente aperto che in ambiente sotto vuoto o inerte:

Tabella 1: Materiali e temperature massime di sinterizzazione.

L'utente deve tenere presente che questi tempi e temperature sono solo una guida e possono variare a seconda di molti aspetti, come ad esempio il modello del forno utilizzato. I filamenti della gamma Filamet non inclusi nella tabella sono considerati sperimentali, quindi il produttore non dispone di dati per la sinterizzazione.

Se non si dispone di un forno che soddisfi i requisiti per la sinterizzazione di parti stampate in 3D con filamenti Filamet™, è possibile contattarci e vi informeremo sulla fattibilità e sulle condizioni della sinterizzazione presso le nostre strutture.

Dopo la sinterizzazione (in ambiente aperto o in ambiente sotto vuoto o inerte) di qualsiasi filamento della gamma Filamet™, si ottengono tutte le parti metalliche, con le reali proprietà del metallo come la conducibilità elettrica, post-processate mediante levigatura e lucidatura o addirittura legate mediante saldatura; ma con una certa porosità e una riduzione di volume dovuta alla perdita di PLA. L'utente deve anche tenere presente che le proprietà meccaniche del prodotto finale sono direttamente correlate al tempo per cui il pezzo stampato viene mantenuto alla temperatura di sinterizzazione. Se il prodotto finale è polveroso e fragile, il tempo di sinterizzazione non è stato sufficiente. Se la stampa presenta una superficie simile alla pelle rugosa, è stata sinterizzata eccessivamente.

Post-elaborazione: Levigatura e lucidatura

Dopo la sinterizzazione il pezzo può essere levigato e lucidato allo stesso modo di un metallo ma seguendo una serie di indicazioni. Con carta vetrata ad acqua è possibile eliminare le linee di stampa e altre piccole deformazioni perché le particelle libere durante la levigatura aderiscono ai vuoti a causa del calore di attrito. In caso di utilizzo di carta vetrata o disco radiale 3M è consigliabile iniziare la levigatura con una grana di 120 (80 per il disco radiale 3M), facendo attenzione a non deformare le aree più delicate, come ad esempio gli angoli. Una volta levigata l'intera superficie, dovrebbe essere utilizzata una carta vetrata della grana successiva e così via fino a che non aumenta di 6 o 7 (4 volte per il disco radiale 3M). Prima di passare alla lucidatura finale è consigliabile utilizzare una carta vetrata da 3000 grane, con cui si ottiene un certo grado di lucentezza. Infine, una volta pulito il pezzo con un panno in flanella, è possibile lucidare il pezzo. TVF raccomanda l'uso di un attrezzo rotante con disco per la lucidatura e cera per lucidatura per rendere più veloce ed efficiente la lucidatura. Basta applicare un po' di cera per lucidatura sul disco per la lucidatura e lucidare con movimenti costanti su tutta la superficie per evitare di generare eccesso di calore, che può deformare il pezzo. Oltre alla levigatura e lucidatura delle parti prodotte con Filamet™, possono essere intagliate, fuse, saldate e appiattite con applicazione di calore.

Immagine 4: Secchio di rame lucidato. Fonte: The Virtual Foundry

Visto come ottenere parti interamente metalliche con la stampa 3D FDM possiamo concludere dicendo che questa tecnologia di stampa, con l'aiuto dei filamenti metallici di The Virtual Foundry, ha raggiunto i pochi settori che doveva conquistare, specialmente alcuni del settore industriale di ramo.