Come scegliere la tecnologia più adatta: FDM, SLA e SLS

La fabbricazione additiva è il termine utilizzato per descrivere l'intero insieme di tecnologie di produzione basate sulla formatura mediante l'aggiunta di materiale. Ciò significa che, a differenza della fabbricazione sottrattiva (che comprende i metodi tradizionali di lavorazione CNC), si basa sulla costruzione di pezzi aggiungendo strato dopo strato la quantità precisa di materiale in modo selettivo.

Tuttavia, all'interno di questa categoria, possiamo trovare molte tecnologie molto diverse, ognuna con i suoi vantaggi e svantaggi, quindi conoscere i loro principi fondamentali e le loro limitazioni è di grande importanza per poter selezionare la più adatta a ogni esigenza.

Nonostante esistano molte tecnologie e varianti, le tre più comuni e diffuse nell'industria sono:

• La modellazione a deposizione fusa (FDM)
• La fotopolimerizzazione selettiva di resine (SLA)
• La sinterizzazione laser selettiva (SLS)

Anche se la tecnologia più diffusa è senza dubbio la tecnologia FDM. Principalmente grazie all'emergere di stampanti 3D a basso costo basate su questa tecnologia, negli ultimi anni sia la tecnologia SLA che SLS hanno guadagnato terreno. Aziende come Formlabs e Sinterit commercializzano apparecchiature basate rispettivamente su SLA e SLS, capaci di raggiungere qualità industriali a prezzi davvero competitivi. Questo, insieme all'emergere di nuovi materiali, rende attualmente difficile per un'azienda o un professionista scegliere tra una tecnologia e l'altra.

Di seguito riportiamo le principali caratteristiche di ciascuna, nonché le loro differenze, vantaggi e svantaggi.

Modellazione a deposizione fusa (FDM)

È, di gran lunga, la tecnologia più popolare. Si basa sull'estrusione attraverso un ugello o "nozzle" di un termoplastico sopra la sua temperatura di fusione. Man mano che il materiale estruso esce dall'ugello in forma di filamento, viene depositato selettivamente e strato dopo strato per formare il pezzo.

Immagine 1: Stampa FDM. Fonte: commons.wikimedia.com

Nonostante sia la più comune, è la più complessa per quanto riguarda la progettazione e la preparazione dei file per la stampa. È frequente che le limitazioni della stampa 3D FDM influenzino il design stesso, quindi in generale, quando si producono pezzi con questa tecnologia, è necessario progettarli o ridisegnarli per renderli compatibili. Ciò può essere un grande problema quando l'obiettivo della stampa 3D è convalidare modelli che successivamente verranno prodotti con altri metodi produttivi.

Tra tutte le limitazioni, le più importanti sono la necessità di utilizzare supporti e l'impossibilità di ottenere l'isotropia meccanica.

Dato che non è possibile depositare il materiale fuso nell'aria, non è possibile stampare direttamente ponti o sporgenze, quindi in questi casi è necessario aggiungere delle strutture di supporto. Ciò comporta una maggiore spesa di materiale e tempo, oltre al fatto che i pezzi avranno bisogno di una post-elaborazione per rimuovere questi supporti e la qualità superficiale nella zona di contatto sarà compromessa.

Immagine 2: Pezzi stampati con supporti. Fonte: Simplify3D

Un modo per ridurre alcuni dei inconvenienti derivanti dall'uso di supporti è stamparli utilizzando un materiale solubile. Ciò faciliterà la loro rimozione e migliorerà la qualità superficiale nella zona di contatto. Per fare ciò, è necessario che la stampante disponga di un sistema a doppio estrusore come il sistema IDEX delle stampanti BCN3D Sigma e BCN3D Sigmax, o il doppio estrusore Bondtech incorporato nelle stampanti 3D Raise Pro2.

Video 1: Video del sistema IDEX BCN3D. Fonte: BCN3D

D'altra parte, come spiegato in un articolo precedente, con FDM è impossibile ottenere pezzi isotropi, il che rappresenta un problema significativo in determinate applicazioni meccaniche e strutturali.

Altre limitazioni importanti sono la bassa risoluzione e le tolleranze elevate. Anche se utilizzando ugelli di piccolo diametro è possibile ottenere risoluzioni in Z simili a quelle raggiunte con SLA o SLS, la risoluzione in XY sarà sempre molto inferiore e condizionata dal materiale utilizzato. Ciò è dovuto al fatto che la risoluzione è determinata dal diametro dell'ugello utilizzato e non tutti i materiali sono compatibili con ugelli di piccolo diametro.

Tuttavia, non tutto sono svantaggi. La tecnologia FDM ha, di gran lunga, la gamma di materiali più ampia e a un costo inferiore, oltre ai più ampi volumi di stampa, e sebbene la differenza di prezzo tra le diverse tecnologie si sia ridotta, rimane la tecnologia più economica.

Immagine 3: Piramide dei principali materiali disponibili per la stampa 3D FDM. Fonte: 3dhubs.com

Inoltre, è una tecnologia pulita e sicura, che richiede poco o nessun preparativo prima della stampa. Ciò significa che può essere utilizzata in qualsiasi ambiente e consente una maggiore immediata rispetto alla stampa SLA e SLS, che richiedono attività di preparazione e pulizia più approfondite, rendendola la tecnologia perfetta per applicazioni educative a tutti i livelli, dalle scuole elementari agli studi superiori.

È una tecnologia ideale per stampare modelli e attrezzi, pezzi di medie dimensioni o per applicazioni che richiedono materiali specifici non disponibili per altre tecnologie.

Un altro settore in cui la stampa 3D FDM offre grandi vantaggi è nella produzione di modelli architettonici. In generale, questo tipo di progetti è composto da pezzi voluminosi che non richiedono una precisione elevata. Ciò, unito alla disponibilità di materiali come Filamet, Timberfill, Smartfil EP o PLA Mukha capaci di fornire finiture metalliche, in legno o ceramiche ai pezzi senza la necessità di post-elaborazione.

Immagine 4: Modello architettonico stampato in FDM. Fonte: Raise3D

Fotopolimerizzazione Selettiva di Resine (SLA)

È la seconda tecnologia di stampa 3D più comune. Si basa sulla esposizione selettiva strato per strato di una vasca di resina fotosensibile alla luce ultravioletta. Questa esposizione selettiva può avvenire tramite scansione laser (SLA), proiettore (DLP) o led mascherato (LED-LCD/MSLA).

Immagine 5: Differenze tra SLA, DLP e MSLA. Fonte: theorthocosmos.com

Come la stampa 3D FDM, anche la stampa 3D SLA richiede supporti che devono essere rimossi dopo la stampa. Tuttavia, al momento la stampa 3D SLA non consente di stampare contemporaneamente con due materiali, quindi l'unico modo per rimuovere i supporti è meccanicamente. Ciò comporta che anche in questo caso la superficie della parte sarà influenzata nelle zone in cui è avvenuto il contatto con i supporti.

Immagine 6: Supporti di un pezzo stampato in SLA. Fonte: 3Dhubs.com

Un'altra differenza fondamentale rispetto alla stampa 3D FDM è l'uso di polimeri termoindurenti invece di termoplastici. Inoltre, i materiali per SLA tendono ad essere più costosi rispetto a quelli per FDM e presentano una certa tossicità. Ciò, unito al fatto che i pezzi richiedono operazioni di pulizia e post-elaborazione, rende questa tecnologia meno consigliabile per il settore dell'istruzione.

Tuttavia, il suo punto di forza è l'elevata risoluzione e l'eccellente finitura superficiale raggiungibile tramite la stampa 3D SLA. In generale, è possibile raggiungere risoluzioni fino a 50 µm su tutti i piani.

Nonostante esistano stampanti SLA con volumi di stampa ampi paragonabili a quelli delle stampanti 3D FDM, in generale le stampanti 3D SLA hanno volumi di stampa considerevolmente più piccoli.

È perfetta per stampare piccole parti che richiedono alta risoluzione e eccellente finitura superficiale. Attualmente è la tecnologia di stampa 3D più popolare nel settore odontoiatrico e della gioielleria. È per questo motivo che offre il catalogo più ampio di resine dentali e calcinabili.

Immagine 7: Modelli dentali stampati tramite SLA. Fonte: Formlabs.

Sinterizzazione Laser Selettiva (SLS)

È probabilmente una delle tecnologie meno conosciute, nonostante sia una delle più antiche e comuni negli ambienti industriali.

Questa situazione è dovuta al fatto che fino a poco tempo fa tutte le attrezzature per la stampa 3D SLS richiedevano installazioni adeguate e i costi sia dell'attrezzatura che dell'implementazione erano solitamente elevati. Tuttavia, negli ultimi anni questa situazione è cambiata grazie all'introduzione di stampanti SLS desktop, come le stampanti Lisa e Lisa Pro, il cui costo di acquisto e implementazione si avvicina a quello dei sistemi FDM e SLA. Sebbene questa tecnologia consenta la produzione di parti sia in termoplastici che in metallo, dato che l'obiettivo di questo articolo è comprendere le differenze tra le tre tecnologie, ci concentreremo esclusivamente sulla stampa 3D SLS di termoplastici.

La stampa 3D SLS consiste nella sinterizzazione selettiva di strati di materiale in polvere utilizzando un sistema di scansione laser. Ogni volta che uno strato viene sinterizzato, la piattaforma di costruzione si abbassa e un dispositivo speciale chiamato "recoater" o rullo applica un nuovo strato di polvere.

Immagine 8: Schema di una stampante SLS. Fonte: Sinterit.

Il principale vantaggio di questa tecnologia è la possibilità di stampare senza supporti. Ciò riduce significativamente i vincoli di progettazione rispetto alle altre tecnologie, oltre a semplificare notevolmente il post-processamento delle parti.

Unito all'alta precisione raggiunta dal laser, superiore a quella ottenuta con la stampa 3D SLA o FDM, è possibile stampare assemblaggi complessi direttamente, senza la necessità di stampare separatamente i singoli componenti.

Video 2: Cambio di bicicletta prodotto direttamente tramite stampa 3D SLS. Fonte: Sinterit.

Un altro vantaggio importante è che le parti stampate tramite SLS sono dense e presentano un'elevata isotropia, il che la rende la tecnologia ideale per la produzione di modelli e prototipi funzionali. Tutto ciò, unito al buon livello di finitura superficiale, la rende adatta anche per la produzione di piccole serie di prodotti finali.

Le stampanti 3D SLS non dispongono di una gamma di materiali compatibili così ampia come la stampa 3D FDM, tuttavia la possibilità di utilizzare materiali tecnici come diversi tipi di nylon o TPE e TPU consente di coprire la maggior parte delle applicazioni.

Video 3: Pezzo stampato in TPU tramite stampa 3D SLS. Fonte: Sinterit.

Nonostante tutti i vantaggi, il principale fattore limitante della stampa 3D SLS è il volume di costruzione. Sebbene le attrezzature industriali abbiano grandi volumi di costruzione simili a quelli dei sistemi FDM, le stampanti 3D SLS di formato "desktop" hanno volumi di stampa simili a quelli delle stampanti SLA.

Inoltre, anche se la post-elaborazione del pezzo si limita a una pulizia per rimuovere l'eccesso di polvere non sinterizzata, le stampanti 3D SLS richiedono una preparazione e una pulizia che rendono meno immediata rispetto alla stampa FDM.

Nonostante tutte queste caratteristiche abbiano reso questa tecnologia uno standard a livello industriale, i suoi alti costi hanno limitato l'accesso alle piccole e medie imprese. Con l'avvento negli ultimi anni di stampanti 3D SLS accessibili in formato desktop, come Lisa e Lisa Pro, questa situazione sta cambiando. Sebbene il loro costo sia ancora leggermente superiore rispetto ai modelli equivalenti in FDM e SLA, attualmente il costo non è più un fattore determinante nella scelta di una tecnologia rispetto all'altra.

Immagine 9: Sinterit Lisa Pro. Fonte: Sinterit.

Confronto tra FDM, SLA e SLS

Per confrontare adeguatamente le tre tecnologie, dobbiamo farlo su due livelli: in termini di caratteristiche e di limitazioni di progettazione e produzione.

Di seguito vengono confrontate le principali caratteristiche di ogni tecnologia:

Nella seguente tabella sono mostrate le limitazioni di progettazione per ogni tecnologia:

Oggi sul mercato sono disponibili attrezzature basate su queste tre tecnologie in un range di prezzo simile, come ad esempio le stampanti dei produttori Raise3D, Formlabs o Sinterit. Grazie a questo, gli unici criteri da considerare nella decisione di adottare una tecnologia rispetto a un'altra saranno i criteri tecnici.

È necessario valutare attentamente le esigenze e l'utilizzo che verrà fatto della stampante 3D per decidere quale tecnologia sia più adatta e poter così rendere redditizio l'investimento.