Produzione additiva
La Fusione a Letto di Polvere Laser è appena diventata più allettante con questa ultima scoperta
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Quale tecnologia dominerà la stampa 3D?
As 3D printing, also called additive manufacturing, is increasingly becoming a key component of advanced manufacturing, it is important to further optimize the process. This is because 3D printing parts and components are usually used in very demanding applications, like automotive engines, rockets, military equipment, etc. So in these circumstances, any failure of one component can trigger a catastrophic domino effect.
Questo è qualcosa che sarà cruciale per consentire all’industria di passare dalla consolidazione attuale a diventare il processo di produzione dominante rispetto ai metodi più vecchi che fondono il metallo in stampi e lavorano meccanicamente.
Una tecnica di stampa 3D in particolare è utilizzata per la produzione di precisione: laser powder bed fusion.
Ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison e del Argonne National Laboratory hanno recentemente analizzato il processo con imaging a raggi X avanzato e ritengono di poter ridurre drasticamente i difetti che si verificano durante la produzione. Hanno pubblicato i loro risultati nell’International Journal of Machine Tools and Manufacture, con il titolo “Revealing mechanisms of processing defect mitigation in laser powder bed fusion via shaped beams using high-speed X-ray imaging1”.
Fusione a Letto di Polvere Laser
Il modo in cui funziona la stampa 3D a letto di polvere è che uno strato di polvere contenente il materiale utilizzato per la manifattura additiva viene depositato in un contenitore. Un laser quindi fonde/fusione la polvere nella zona che formerà l’oggetto stampato in 3D.
Un nuovo strato di polvere viene quindi depositato sopra, e le parti che devono essere fuse e aggiunte all’oggetto sono nuovamente mirate dal laser. Dopo un tempo sufficiente, è possibile produrre forme molto complesse, nonché oggetti relativamente grandi.
Fonte: ResearchGate
Puoi vedere la fusione a letto di polvere laser in azione in questo video, oltre a qualche esempio di ciò che può essere realizzato con questa tecnica.
La fusione a letto di polvere laser può essere utilizzata per produrre oggetti in plastica, ma soprattutto in metalli, tra cui titanio, acciaio, cobalto-cromo, alluminio, ecc.
Il vantaggio di questo metodo è che crea geometrie molto precise, con tolleranze di +/- 0,2 mm, simili allo stampaggio a iniezione di metallo. Inoltre spreca pochissimi materiali, poiché la polvere inutilizzata può essere raccolta e riutilizzata.
Parti più grandi possono essere stampate rapidamente utilizzando più laser contemporaneamente, solitamente in progetti di stampanti 3D più avanzati.
Va notato che la fusione a letto di polvere laser è un termine ombrello che copre diverse sotto-tecniche:
- Selective Laser Melting (SLM) e Direct Metal Laser Sintering (DMLS), entrambi processi con marchio registrato che utilizzano un sistema laser per fondere completamente la polvere metallica.
- Electron Beam Melting (EBM), simile a SLM ma utilizza un fascio di elettroni in un’atmosfera inerte o in una camera a vuoto.
- Selective Laser Sintering (SLS), utilizza materiali polimerici in polvere poiché il laser sinterizza solo le particelle insieme e non fonde completamente il materiale.
Prevenire i guasti nella stampa 3D
In teoria, la manifattura additiva di parti metalliche è equivalente alle tradizionali parti colate. Nella pratica, possono verificarsi problemi, come pori o “vuoti”, superfici ruvide e grandi schizzi.
Tali problemi strutturali possono portare alla rottura delle parti, cosa inaccettabile in applicazioni critiche.
“Perché abbiamo compreso i meccanismi sottostanti, abbiamo potuto identificare più rapidamente le condizioni di processo corrette per produrre parti di alta qualità usando il fascio a forma di anello.”
Lianyi Chen – Associate professor of mechanical engineering at UW-Madison
Fascio laser a forma di anello
Il primo cambiamento apportato dai ricercatori al loro design di stampa 3D è stato sostituire il consueto fascio laser con un fascio laser a forma di anello, fornito da una società laser chiamata nLight, creando laser a semiconduttore.
Questa forma diversa crea una migliore circolazione del metallo fuso nella piscina di fusione complessiva e onde più piccole sulla superficie dell’oggetto appena creato. Gli schizzi sono anche meno grandi e percorrono distanze minori.
Confrontare modello e osservazioni
I ricercatori hanno confermato queste osservazioni utilizzando la struttura di raggi X sincrotrone ad alta energia del Argonne National Laboratory. L’hanno usata per creare istantanee ad alta velocità del processo di stampa 3D, consentendo di verificare se il loro modello matematico simulava correttamente la realtà.
Stampa 3D più veloce
I ricercatori sono riusciti anche a far penetrare il fascio a forma di anello più in profondità nella polvere senza creare maggiore instabilità. Ciò ha prodotto strati più spessi senza indebolire il prodotto finito.
Poiché la produzione richiede infine meno strati, ciò accelera la manifattura e aumenta la produttività complessiva della macchina.
Esempio di fusione a letto di polvere
Questo tipo di lavoro è ben lontano dall’essere solo una dimostrazione accademica. Potrebbe migliorare le macchine di fusione a letto di polvere già utilizzate nell’industria. Un buon esempio è nell’aeronautica, con l’ugello di carburante del motore GE9X di General Electric (GE.TO ), utilizzato sugli aerei Boeing 777.
Il GE9X è il più grande motore turbofan prodotto, e l’ugello fabbricato additivamente è cinque volte più durevole rispetto alle versioni precedenti.
Va notato che tali sviluppi sono ancora molto recenti, con il design GE9X approvato dalla FAA solo nel 2020.
Anche un processo di fusione a letto di polvere di qualità superiore, così come uno più veloce, potrebbe migliorare ulteriormente il design riducendone al contempo i costi.
Il futuro della stampa 3D?
Verso il dominio della manifattura avanzata
Abbiamo già discusso di come la stampa 3D si stia consolidando nel futuro della manifattura.
Ciò è vero nella manifattura avanzata, come impianti biomedicali o aeronautica. Man mano che la qualità delle parti fabbricate additivamente migliora, probabilmente diventerà il metodo dominante di produzione in queste industrie esigenti.
Probabilmente si applicherà anche alla robotica, produzione in orbita, o persino alla stampa 3D olografica direttamente all’interno dei nostri corpi.
Verso più applicazioni
Un altro cambiamento avverrà quando la stampa 3D diventerà più economica.
Ciò sarà in parte dovuto a una maggiore utilizzo, poiché la produzione di più stampanti 3D genererà economie di scala e ridurrà i costi della macchina e delle materie prime.
Un altro fattore saranno i miglioramenti della tecnologia. Può ottimizzare l’utilizzo delle materie prime (riducendo i costi operativi) o produrre parti più rapidamente (riducendo i costi CAPEX).
Ciò potrebbe includere strati più spessi con laser a forma di anello come in questo studio. O forse usare 2 laser contemporaneamente. E anche elettronica stampata in 3D da aggiungere ai materiali e alle parti stampate in 3D.
Investire nella stampa 3D
La stampa 3D sta ora raggiungendo la maturità tecnologica, così come la consolidazione del mercato. Questo offre agli investitori una maggiore visibilità rispetto al passato e conferma che questa tecnologia è lontana dall’essere una moda, ma è destinata a rimanere.
Puoi investire in società legate alla stampa 3D tramite molti broker, e su questo sito puoi trovare le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e in molti altri paesi.
Se non sei interessato a scegliere specifiche società di stampa 3D, puoi anche considerare ETF come ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) per capitalizzare sulla crescita del settore della manifattura additiva nel suo complesso.
Oppure consulta i nostri articoli “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch“, e “Top 10 Nanotechnology Stocks“.
Azienda di laser a forma di anello
LASR Grafico dei prezzi
Finora, i vincitori nella tecnologia della stampa 3D sono stati principalmente i produttori di stampanti 3D e gli utenti finali. I produttori di singole parti delle stampanti 3D sono più difficili da investire, poiché la maggior parte dipende da componenti relativamente standardizzati come i laser standard.
Questo non è il caso con l’innovazione discussa qui, con i laser a forma di anello una nuova sviluppo che potrebbe aver trovato un’applicazione rivoluzionaria.
I ricercatori hanno utilizzato un laser prodotto da nLight, più precisamente il laser a fibra a onda continua (CW) AFX1000.
La versatile gamma di impostazioni del fascio consente la lavorazione di tutti i metalli senza compromessi. Nella taglio, questi laser a fibra offrono una qualità del bordo simile a quella del CO2 per metalli spessi e i vantaggi di velocità dei laser a fibra per metalli sottili, il tutto con l’affidabilità e il basso costo di proprietà dei laser a fibra.
Questo laser è in grado di modificare la forma dell’anello per eseguire stampe 3D più o meno fini e geometrie complesse.
Fonte: Trokut Solutions
L’azienda ha visto i suoi ricavi crescere costantemente dal 2016 al 2021, per poi subire un calo principalmente dovuto alla diminuzione delle vendite in Cina. Probabilmente ciò è collegato alle crescenti tensioni commerciali tra la Cina e l’Occidente, e alla concorrenza dei produttori di laser domestici cinesi.
Con attualmente il 95% dei clienti al di fuori della Cina, è improbabile che ciò continui a influenzare l’azienda in futuro.
Fonte: nLight
I risultati misti riflettono questo cambiamento, con le vendite industriali in forte calo nel 2024, mentre i segmenti di microfabbricazione e aerospaziale sono esplosi.
Fonte: Trokut Solutions
Il recente calo delle vendite ha fatto sì che il flusso di cassa operativo tornasse in territorio negativo nel 2024. Tuttavia, se la tendenza di crescita dell’aerospazio e della microfabbricazione/stampa 3D persiste, sostenuta dalla crescita generale di questi settori e dal vantaggio tecnologico unico di nLight, nLight dovrebbe tornare alla redditività.
Riferimento allo studio:
1. Yuan, J., Guo, Q., Clark, S. J., Escano, L. I., Nabaa, A., Qu, M., Huang, J., Li, Q., Román, A. J., Osswald, T. A., Fezzaa, K., & Chen, L. (2025). Revealing mechanisms of processing defect mitigation in laser powder bed fusion via shaped beams using high-speed X-ray imaging. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232
