Tutti abbiamo costruito castelli di sabbia sulla spiaggia: mura imponenti, torri maestose, fossati pieni di squali. Se siete come me, vi sorprenderà quanto bene una piccola quantità d'acqua riesca a rimanere compatta, almeno finché non arriva il vostro fratello maggiore a distruggerla in un impeto di gioia distruttiva.
Anche l'imprenditore Dan Gelbart utilizza l'acqua per legare i materiali, sebbene il suo progetto sia ben più resistente di un semplice spettacolo da spiaggia per il fine settimana.
In qualità di presidente e fondatore di Rapidia Tech Inc., fornitore di sistemi di stampa 3D per metalli con sede a Vancouver, nella Columbia Britannica, e a Libertyville, nell'Illinois, Gelbart ha sviluppato un metodo di produzione di componenti che elimina le fasi dispendiose in termini di tempo tipiche delle tecnologie concorrenti, semplificando notevolmente la rimozione dei supporti.
Inoltre, rende l'unione di più parti estremamente semplice, basta immergerle in un po' d'acqua e incollarle insieme, anche per componenti realizzati 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 a doppia testa Rapidia producono una pasta composta da polvere metallica, acqua e un legante in resina in quantità che variano dallo 0,3% allo 0,4%.
Per questo motivo, ha spiegato, viene eliminato il processo di rimozione del legante richiesto dalle tecnologie concorrenti, che spesso richiede diversi giorni, e il pezzo può essere inviato direttamente al forno di sinterizzazione.
Gli altri processi sono perlopiù nel settore consolidato dello stampaggio a iniezione (MIM), che richiede che i pezzi non sinterizzati contengano proporzioni relativamente elevate di polimero per facilitarne l'estrazione dallo stampo", ha affermato Gelbart. "Tuttavia, la quantità di polimero necessaria per legare i pezzi per la stampa 3D è in realtà molto piccola: un decimo dell'uno per cento è sufficiente nella maggior parte dei casi."
Quindi perché bere acqua? Come nel nostro esempio del castello di sabbia usato per fare la pasta (pasta metallica in questo caso), il polimero tiene insieme i pezzi mentre si asciugano. Il risultato è un pezzo con la consistenza e la durezza del gesso da marciapiede, abbastanza resistente da sopportare la lavorazione post-assemblaggio, una lavorazione delicata (anche se Gelbart raccomanda la lavorazione post-sinterizzazione), l'assemblaggio con acqua con altre parti non finite e l'invio al forno.
L'eliminazione dello sgrassaggio consente inoltre di stampare pezzi più grandi e con pareti più spesse, perché quando si utilizzano polveri metalliche impregnate di polimero, quest'ultimo non può "bruciarsi" se le pareti del pezzo sono troppo spesse.
Gelbart ha affermato che un produttore di apparecchiature richiedeva spessori delle pareti pari o inferiori a 6 mm. "Quindi, supponiamo di dover costruire un componente delle dimensioni di un mouse per computer. In tal caso, l'interno dovrebbe essere cavo o magari costituito da una sorta di rete. Questo è ottimo per molte applicazioni, anche quando l'obiettivo è la leggerezza. Ma se è richiesta resistenza meccanica, come nel caso di un bullone o di un altro componente ad alta resistenza, allora l'iniezione di polveri metalliche o la MIM (Metal Injection Molding) di solito non sono adatte."
La foto di un collettore appena stampato mostra la complessa struttura interna che una stampante Rapidia è in grado di realizzare.
Gelbart evidenzia diverse altre caratteristiche della stampante. Le cartucce contenenti pasta metallica sono ricaricabili e gli utenti che le restituiscono a Rapidia per la ricarica riceveranno dei punti per il materiale non utilizzato.
È disponibile un'ampia varietà di materiali, tra cui acciaio inossidabile 316 e 17-4PH, INCONEL 625, ceramica e zirconia, nonché rame, carburo di tungsteno e molti altri materiali in fase di sviluppo. I materiali di supporto – l'ingrediente segreto di molte stampanti per metalli – sono progettati per stampare substrati che possono essere rimossi o "evaporati" manualmente, aprendo la strada a interni altrimenti irriproducibili.
Rapidia è in attività da quattro anni e, a dire il vero, è solo all'inizio. "L'azienda si sta prendendo il tempo necessario per sistemare le cose", ha affermato Gelbart.
Ad oggi, lui e il suo team hanno installato cinque sistemi, tra cui uno presso il Selkirk Technology Access Center (STAC) nella Columbia Britannica. Il ricercatore Jason Taylor utilizza la macchina dalla fine di gennaio e ha riscontrato numerosi vantaggi rispetto ad alcune stampanti 3D già presenti presso lo STAC.
Ha osservato che la capacità di "incollare insieme con l'acqua" le parti grezze prima della sinterizzazione ha un grande potenziale. È anche esperto delle problematiche legate allo sgrassaggio, compreso l'uso e lo smaltimento dei prodotti chimici. Sebbene gli accordi di riservatezza impediscano a Taylor di condividere i dettagli di gran parte del suo lavoro, il suo primo progetto di prova è qualcosa a cui molti di noi potrebbero pensare: un bastone stampato in 3D.
"È venuto perfetto", ha detto con un sorriso. "Abbiamo finito la parte frontale, 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 certo ritiro e persino un leggero disallineamento, ma la macchina è adeguata. Riusciamo sempre a compensare questi problemi in fase di progettazione."
Il rapporto sull'additività si concentra sull'utilizzo delle tecnologie di produzione additiva nella produzione reale. Oggi i produttori utilizzano la stampa 3D per creare utensili e attrezzature, e alcuni impiegano la produzione additiva anche per la produzione di grandi volumi. Le loro storie saranno presentate in questa sede.