Polvere per stampa 3D: cos'è e come si usa?

La stampa 3D, nome più commerciale di Additive manufacturing (AM), è stata menzionata per la prima volta da Murray Leinster negli anni Quaranta. Sebbene la stampa 3D rappresenti meno dell'1% del mercato manifatturiero globale, i suoi vantaggi rispetto alla produzione tradizionale fanno sì che il mercato della stampa 3D raddoppi quasi ogni 3 anni. Si prevede che il mercato globale della stampa 3D crescerà del 20,8% all'anno dal 2022 al 2030 [1]. Grazie alla sua ampia applicazione nei settori sanitario, automobilistico, aerospaziale, della difesa e così via, la stampa 3D è senza dubbio uno dei metodi di produzione più diffusi in futuro.

La stampa 3D ha 7 divisioni: Fotopolimerizzazione in vasca, getto di materiale, estrusione di materiale, getto di legante, fusione a letto di polvere, laminazione di fogli e deposizione diretta di energia. Le ultime 4 divisioni utilizzano tutta la polvere per la stampa 3D come materia prima.

Che cos'è la polvere per la stampa 3D?

La polvere di stampa 3D si riferisce alla polvere utilizzata nella stampa 3D. Di solito è composta da metallo, lega, ceramica o polimero.

La polvere di stampa 3D può essere suddivisa in due gruppi in base alla forma: sferica e irregolare. La polvere di stampa 3D sferica presenta una migliore fluidità. In altre parole, la polvere di stampa 3D sferica può diffondersi in modo più uniforme e creare strati omogenei per realizzare componenti più resistenti. Allo stesso tempo, però, la polvere di stampa 3D sferica è più costosa di quella irregolare.

Come viene prodotta la polvere di stampa 3D?

La maggior parte degli esperimenti produce la polvere per la stampa 3D mediante atomizzazione, tra cui l'atomizzazione ad acqua e l'atomizzazione a gas.

Atomizzazione ad acqua (WA)

L'atomizzazione inizia con la fusione della lega/metallo di partenza (qualsiasi forma è accettabile) in un forno. Quindi, si tiene per qualche tempo per assicurarsi che il liquido di fusione sia distribuito in modo omogeneo. Successivamente, si trasferisce il liquido in un crogiolo con un ugello refrattario in grado di controllare la portata. Aprire l'ugello e far entrare il liquido nella camera di atomizzazione. Il liquido cade liberamente e viene quindi raffreddato, atomizzato e consolidato da getti d'acqua ad alta velocità. Infine, è possibile raccogliere la polvere sul fondo della camera. Un'altra fase necessaria è l'essiccazione della polvere.

La polvere prodotta dall'atomizzazione ad acqua è solitamente irregolare e non può essere utilizzata nella stampa 3D.

Atomizzazione a gas (GA)

L'atomizzazione a gas è simile all'atomizzazione ad acqua, tranne che per il processo di atomizzazione. Utilizza un flusso di gas ad alta pressione (solitamente gas inerte) per atomizzare la polvere. Poiché la capacità termica specifica del gas è inferiore a quella dell'acqua. Le gocce impiegheranno più tempo per raffreddarsi e consolidarsi. Il diametro della polvere, tuttavia, è difficile da controllare e varia da 0 a 500μm. Anche se utilizziamo gas inerte durante tutti i processi, possono verificarsi contaminazioni quando trasferiamo il liquido di fusione dal forno al crogiolo o in altre fasi.

Atomizzazione del gas di fusione a induzione di elettrodi (EIGA)

L'atomizzazione del gas di fusione a induzione a elettrodi (EIGA) è stata sviluppata sulla base dell'atomizzazione del gas. Invece di utilizzare il crogiolo per coprire il liquido di fusione del metallo, l'EIGA utilizza barre di metallo rotanti come materia prima, che viene fusa dal calore di induzione. Le barre di fusione possono cadere direttamente nella camera di atomizzazione.

L'EIGA è in grado di produrre polveri con una gamma di particelle più piccola e diventa gradualmente il metodo principale per produrre polveri di leghe attive come il Ti-6Al-4V.

Atomizzazione al plasma (PA)

L'atomizzazione al plasma (PA) utilizza il plasma come fonte di calore per fondere il materiale di partenza, che deve essere in polvere o in filo. Quando il materiale in entrata viene bruciato dal plasma, viene contemporaneamente fuso e atomizzato dai getti di gas inerte. Le fasi successive sono le stesse dell'atomizzazione con gas.

L'atomizzazione al plasma può produrre polveri più sferiche e di dimensioni più piccole.

LaTabella1 mostra il riepilogo dei 4 metodi di atomizzazione sopra menzionati.

Come viene utilizzata la polvere per la stampa 3D?

La polvere per la stampa 3D viene utilizzata principalmente nelle tecnologie di stampa 3D basate sul letto di polvere, come la fusione del letto di polvere e il getto di legante. Il principio fondamentale di queste tecnologie è quello di costruire i componenti strato per strato utilizzando la polvere di stampa 3D. Grazie a questo processo layer-by-layer, possiamo realizzare prodotti più complicati e personalizzati rispetto alle tecnologie tradizionali.

Un rullo/riempitore preleva la polvere (solitamente polvere sferica di metallo o polimero, come la polvere sferica di titanio) dal sistema di erogazione e ne stende uno strato sottile e uniforme sulla piastra di base. Quindi, un raggio laser fonda selettivamente la polvere. Viene prodotto uno strato sottile e quindi la piattaforma di costruzione si sposta verso il basso di una distanza pari a uno strato e il sistema di erogazione si sposta verso l'alto di una distanza pari a uno strato per continuare le fasi ripetute. Si tratta della cosiddetta fusione a letto di polvere.

Un'altra tecnologia utilizza un legante per combinare le polveri. Altri processi sono molto simili alla fusione a letto di polvere. Questo processo è chiamato "binder jetting".

La polvere è il materiale da spalmare sulla piastra per formare uno strato sottile. Per ottenere componenti più resistenti e dettagliati, i parametri della polvere sono molto importanti. La polvere irregolare non può formare strati omogenei e ad alta densità (meno porosi) e porterà a componenti a bassa densità anche se la stampa 3D si blocca durante la stampa. La polvere sferica ha prestazioni migliori, ma costa anche di più. La polvere con particelle più piccole può formare uno strato più sottile, in altre parole, con più polvere consumata per lo stesso strato spesso. Lo strato è più fine e delicato di quelli prodotti da polveri più grandi. È necessario prestare attenzione all'utilizzo di polveri di dimensioni inferiori a 20 μm, che possono incrociarsi molto facilmente e formare uno strato non uniforme. Per questo tipo di polvere sono necessarie tecnologie speciali.

Per ulteriori informazioni, visitare la Stanford Advanced Materials Homepage.

Riferimento

1. Relazione sulle dimensioni e le quote del mercato della stampa 3D, 2022-2030. (n.d.). Recuperato il 7 dicembre 2022, da https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/3d-printing-industry-analysis.