Le applicazioni AM esplodono con la stampa multimateriale

Dec 06, 2023

La produzione additiva (AM) crea una moltitudine di opportunità in tutti i settori grazie ai continui miglioramenti di macchine, metodi e materiali. E, come nel caso dei progetti multimateriali realizzati tramite processi di produzione convenzionali, il campo piccolo ma in crescita della stampa 3D multimateriale sta liberando ancora di più la potenza dell’AM.

I sistemi multimateriali consentono variazioni come costruzioni di gradienti funzionali, compositi, nuove leghe e nuovi modi di realizzare componenti elettrici ed elettronici. Il metodo viene utilizzato per realizzare dispositivi diversi come impianti articolari, pinze robotiche all'estremità del braccio e circuiti stampati.

Può anche far emergere lo scienziato nei professionisti. “Con la stampa 3D multimateriale, cosa succede se deposito selettivamente un po’ di roba A qui e un po’ di roba B lì?” ha ipotizzato Greg Paulsen, direttore dell'ingegneria delle applicazioni presso il mercato della produzione digitale Xometry Inc., North Bethesda, Md.

"Puoi creare quelli che chiamiamo materiali digitali, ovvero quando si droga un materiale rigido con un po' di materiale simile alla gomma per renderlo più morbido e flessibile", ha detto Paulsen. "Oppure puoi fare il contrario, avere una gomma molto morbida e renderla un po' più solida aggiungendo un po' di materiale rigido. E all'improvviso, in una singola stampa o tiratura, puoi creare un oggetto che può avere un sovrastampaggio simulato o può avere proprietà diverse integrate nella stessa stampa."

C'è però un avvertimento. A causa della sua novità, la maggior parte delle applicazioni multimateriali fino ad oggi sono state relegate alla ricerca e al mondo accademico, ha osservato Paulsen, caratterizzando la pratica come un “campo relativamente nuovo”.

Non è solo. Aconity3D GmbH, Herzogenrath, Germania, che produce stampanti laser-powder-bed-fusion (LPBF) per metalli, ha descritto i suoi clienti multimateriali come "early adopter" che si trovano principalmente nel mondo accademico. In effetti, il trasferimento tecnologico dall’idea alla realtà finora è stato più un rivolo che un torrente poiché la stampa multimateriale si è affermata come processo industriale.

La stampa e la post-elaborazione di due diversi materiali in AM richiedono un'attenta valutazione delle loro proprietà. “Non è certamente illimitato”, ha affermato Shawn Allan, vicepresidente di Lithoz America LLC, Troy, NY, che produce stampanti 3D ceramiche basate sulla litografia.

Quando è stato chiesto se due materiali fossero compatibili durante tutto il processo di sinterizzazione ad alta temperatura e il successivo raffreddamento, Allan ha riflettuto sulla questione. "Le cose a cui dobbiamo prestare attenzione sono: questi materiali si legano tra loro? Perché alcuni materiali quando li cuoci non vogliono rimanere collegati tra loro molto bene", ha detto. "Uno dei maggiori fattori a cui dobbiamo prestare attenzione sono i disallineamenti di espansione termica."

Se la discrepanza tra i due materiali è grave, nella parte può accumularsi stress residuo interno durante la lavorazione. Secondo Allan, ciò causerà la delaminazione dei materiali o lo "sfaldamento energetico"—ovvero l'esplosione!

La dilatometria misura sia l'espansione che la contrazione termica durante la sinterizzazione. Di conseguenza, ha affermato Allan, gli utenti possono valutare come si comportano due materiali da soli e identificare come si sovrappongono tra loro per avere "un'idea se questa è potenzialmente una buona combinazione da mettere insieme".

Oltre a combinare due ceramiche, Lithoz sta armeggiando con l'aggiunta di metalli alla ceramica. "Quindi hai la possibilità di inserire percorsi di conduttività attraverso i materiali, dove normalmente ciò dovrebbe essere fatto come due cose realizzate separatamente o tramite serigrafia", ha detto Allan. "Ma possiamo stampare tracce conduttive attraverso un isolante. In questo modo si apre la possibilità di progettazione di componenti elettrici."

Applicazioni pratiche per la stampa del metallo all'interno di una ceramica potrebbero includere reattori industriali per processi chimici e dispositivi per cauterizzazione durante gli interventi chirurgici. Tuttavia, la ceramica richiede temperature molto più elevate durante la cottura rispetto a quelle che alcuni metalli possono sopportare senza sciogliersi.

"Se qualcuno vuole mettere insieme una ceramica con l'alluminio, non funzionerà... perché l'alluminio si scioglierà a 600°, forse 660° C, ma stiamo scoprendo che la temperatura più bassa alla quale la ceramica si cuoce è di circa 1.000° C", ha detto Allan. "E di solito si tratta di speciali ceramiche di vetro progettate per funzionare bene con i metalli."