Abbiamo tutti costruito castelli di sabbia sulla spiaggia: mura possenti, torri maestose, fossati pieni di squali. Se sei come me, rimarrai sorpreso da quanto bene una piccola quantità d'acqua si attacchi, almeno finché non arriva il tuo fratello maggiore e la prende a calci in un impeto di gioia distruttiva.
Anche l'imprenditore Dan Gelbart utilizza l'acqua per legare i materiali, sebbene il suo progetto sia molto più duraturo di uno spettacolo da spiaggia del fine settimana.
In qualità di presidente e fondatore di Rapidia Tech Inc., fornitore di sistemi di stampa 3D in metallo con sede a Vancouver, nella Columbia Britannica, e a Libertyville, nell'Illinois, Gelbart ha sviluppato un metodo di produzione dei componenti che elimina i lunghi passaggi tipici delle tecnologie concorrenti, semplificando notevolmente la rimozione del supporto.
Inoltre, rende l'unione di più parti non più complicata del semplice immergerle in un po' d'acqua e incollarle insieme, anche nel caso di parti realizzate con metodi di produzione tradizionali.
Gelbart illustra alcune differenze fondamentali tra i suoi sistemi a base d'acqua e quelli che utilizzano polveri metalliche contenenti dal 20% al 30% di cera e polimero (in volume). Le stampanti 3D Rapidia a doppia testa per metallo producono una pasta a base di polvere metallica, acqua e un legante a base di resina in quantità che vanno dallo 0,3% allo 0,4%.
Grazie a questo, ha spiegato, viene eliminato il processo di deceraggio richiesto dalle tecnologie concorrenti, che spesso richiede diversi giorni, e il pezzo può essere inviato direttamente al forno di sinterizzazione.
Gli altri processi sono per lo più riconducibili al "consolidato settore dello stampaggio a iniezione (MIM), che richiede che i pezzi non sinterizzati contengano percentuali relativamente elevate di polimero per facilitarne il rilascio dallo stampo", ha affermato Gelbart. "Tuttavia, la quantità di polimero necessaria per unire i pezzi per la stampa 3D è in realtà molto ridotta: nella maggior parte dei casi, un decimo di punto percentuale è sufficiente".
Allora perché bere acqua? Come nel nostro esempio del castello di sabbia usato per creare una pasta (pasta metallica in questo caso), il polimero tiene insieme i pezzi durante l'asciugatura. Il risultato è un pezzo con la consistenza e la durezza del gesso da marciapiede, sufficientemente resistente da sopportare la lavorazione meccanica post-assemblaggio, una lavorazione delicata (anche se Gelbart consiglia la lavorazione meccanica post-sinterizzazione), l'assemblaggio con acqua insieme ad altri pezzi grezzi e l'invio al forno.
L'eliminazione dello sgrassaggio consente inoltre di stampare parti più grandi e con pareti più spesse, perché quando si utilizzano polveri metalliche impregnate di polimero, il polimero non può "bruciare" se le pareti della parte sono troppo spesse.
Gelbart ha affermato che un produttore di apparecchiature richiedeva spessori di parete pari o inferiori a 6 mm. "Supponiamo di costruire un componente delle dimensioni di un mouse. In tal caso, l'interno dovrebbe essere cavo o magari rivestito con una sorta di rete. Questo è ottimo per molte applicazioni, anche la leggerezza è l'obiettivo principale. Ma se è richiesta resistenza fisica, come nel caso di un bullone o di un altro componente ad alta resistenza, allora [l'iniezione di polvere metallica] o la MIM di solito non sono adatte".
Una foto di un collettore appena stampato mostra i complessi componenti interni che una stampante Rapidia può produrre.
Gelbart sottolinea diverse altre caratteristiche della stampante. Le cartucce contenenti pasta metallica sono ricaricabili e gli utenti che le restituiscono a Rapidia per la ricarica riceveranno punti per il materiale non utilizzato.
È disponibile una varietà di materiali, tra cui acciaio inossidabile 316 e 17-4PH, INCONEL 625, ceramica e zirconia, oltre a rame, carburo di tungsteno e diversi altri materiali in fase di sviluppo. I materiali di supporto, l'ingrediente segreto di molte stampanti a metallo, sono progettati per stampare substrati che possono essere rimossi o "evaporati" manualmente, aprendo la strada a interni altrimenti non riproducibili.
Rapidia è in attività da quattro anni e, bisogna ammetterlo, è appena agli inizi. "L'azienda si sta prendendo il suo tempo per sistemare le cose", ha detto Gelbart.
Ad oggi, lui e il suo team hanno implementato cinque sistemi, di cui uno presso il Selkirk Technology Access Center (STAC) nella Columbia Britannica. Il ricercatore Jason Taylor utilizza la macchina dalla fine di gennaio e ne ha riscontrato numerosi vantaggi rispetto a diverse stampanti 3D STAC esistenti.
Ha sottolineato che la capacità di "incollare insieme con acqua" i pezzi grezzi prima della sinterizzazione ha un grande potenziale. È anche esperto delle problematiche legate allo sgrassaggio, incluso l'uso e lo smaltimento di prodotti chimici. Sebbene gli accordi di riservatezza impediscano a Taylor di condividere i dettagli di gran parte del suo lavoro, il suo primo progetto sperimentale è qualcosa che molti di noi potrebbero pensare: un bastone stampato in 3D.
"È venuto perfetto", ha detto con un sorriso. "Abbiamo rifinito la superficie, praticato i fori per l'albero e ora lo sto usando. Siamo rimasti colpiti dalla qualità del lavoro svolto con il nuovo sistema. Come per tutti i pezzi sinterizzati, c'è un po' di ritiro e persino un po' di disallineamento, ma la macchina è adeguata. Di conseguenza, riusciamo a compensare questi problemi in fase di progettazione."
L'Additive Report si concentra sull'uso delle tecnologie di produzione additiva nella produzione reale. Oggi i produttori utilizzano la stampa 3D per creare utensili e attrezzature, e alcuni utilizzano persino la produzione additiva per la produzione su larga scala. Le loro storie saranno presentate qui.