Tutto quello che c’è da sapere sulla stampa 3D del rame

Il rame è un metallo popolare grazie alle sue eccezionali proprietà fisiche. Queste caratteristiche lo hanno reso un materiale chiave in una varietà di settori, dall’elettronica alla creazione di parti di uso finale. Con i progressi della stampa 3D, il rame ha trovato un nuovo campo di applicazione, consentendo la creazione di progetti complessi e personalizzati che prima erano difficili da realizzare. Vediamo meglio inq uesta guida le proprietà di questo metallo, i vantaggi che apporta alle parti stampate in 3D e i principali produttori presenti sul mercato.

Caratteristiche del materiale

Il rame (Cu), numero atomico 29, è un elemento chimico. È il terzo metallo più utilizzato al mondo, dopo il ferro e l’alluminio, e un’opzione sempre più popolare nella produzione additiva. La popolarità del rame deriva dalle sue interessanti proprietà, in particolare dalla sua conduttività. Grazie alla sua buona conducibilità elettrica, duttilità e malleabilità, è uno dei metalli più utilizzati per la fabbricazione di componenti elettrici.

Se ci concentriamo sul suo utilizzo nella stampa 3D, troviamo diverse leghe a base di rame, ma con leggere variazioni tra loro. Di seguito elenchiamo alcune delle leghe più comuni e le loro caratteristiche specifiche:

• Cu (rame puro): eccellente conducibilità elettrica e termica, utilizzato nei componenti elettrici;
• CuCrZr (rame-cromo-zirconio): migliora la resistenza alla deformazione e la durezza;
• CuCP (rame e fosforo): resistente alla corrosione e duttile;
• CuSn (rame stagnato): migliora la resistenza alla corrosione e la durezza;
• CuNi30 (rame-nichel 30): offre una maggiore resistenza alla corrosione e proprietà meccaniche.

Polvere di rame (crediti fotografici: Inoxia)

L’estrazione di questo materiale inizia nelle miniere (a cielo aperto o sotterranee), dove il minerale di rame viene estratto dalla terra. Una volta estratto, il minerale viene frantumato e macinato per ridurlo in particelle più piccole, facilitando la liberazione del rame dagli altri minerali. Successivamente, una serie di processi, come la concentrazione, la fusione o la raffinazione elettrochimica, trasformano il minerale grezzo nel metallo e nelle sue leghe con vari gradi di purezza. È durante questa fase di trasformazione che viene definita la forma del rame (polvere o filo) da utilizzare nella produzione additiva.

Stampa 3D del rame

Come già accennato, il rame offre una buona resistenza alla corrosione, che prolunga la vita delle parti stampate in ambienti ostili. Inoltre, con un’adeguata ottimizzazione del processo, può presentare proprietà meccaniche competitive, tra cui durezza e resistenza all’usura. Tuttavia, la stampa 3D del rame presenta anche delle difficoltà.

Ad esempio, il suo punto di fusione relativamente basso può complicare la fusione dei materiali e influire sulla qualità del legame tra gli strati. Inoltre, l’elevata conducibilità termica del rame può causare problemi di deformazione durante il raffreddamento, incidendo sulla precisione dimensionale delle parti. Tuttavia, questo metallo può essere utilizzato nella produzione additiva per creare parti per i settori più esigenti.

Oggi sono disponibili molte tecnologie di stampa 3D compatibili con il rame, le più comuni delle quali si basano su sistemi a polvere. In primo luogo, la produzione additiva a letto di polvere metallica (L-PBF, DMLS o SLM) è un processo utilizzato per creare parti finali e prototipi in quasi tutte le leghe metalliche, compreso il rame. La qualità, la resistenza e la densità di questa tecnologia sono di gran lunga superiori a quelle delle tecniche tradizionali. La fusione a fascio di elettroni, nota anche come EBM (Electron Beam Melting), è un’opzione compatibile con le leghe di rame, ideale per la prototipazione di alto livello e la produzione di piccole serie.

Parti in rame stampate in 3D (crediti fotografici: EOS)

È anche possibile realizzare parti in rame con il binder jetting. Sebbene il rame puro sia un materiale difficile da lavorare ad alta densità con questo metodo, alcune aziende hanno sviluppato soluzioni proprie per raggiungere questo obiettivo. In questo modo, possiamo sfruttare la libertà geometrica e i costi ridotti della produzione additiva, creando parti con questo metallo conduttivo.

Un’altra tecnologia di produzione additiva compatibile con il rame è la Directed Energy Deposition (DED). A seconda della macchina, il metallo può essere in polvere o in filo. A differenza di altre tecnologie per i metalli, la stampa 3D DED si basa sull’aggiunta di materiale attraverso un processo di fusione in tempo reale, consentendo una grande flessibilità nella creazione di geometrie complesse e la possibilità di riparare componenti esistenti.

Infine, esistono due tecnologie che vengono generalmente utilizzate con materiali plastici, ma che, in alcune eccezioni, possono creare parti in rame. Si tratta della stampa 3D a estrusione (FFF/FDM) e della fotopolimerizzazione.

Nel primo caso, Markforged ha sviluppato soluzioni di estrusione in grado di lavorare con fili metallici. È il caso di Metal X, una stampante 3D FFF in grado di lavorare polvere di metallo, racchiusa in un legante plastico che viene depositato strato per strato. Dopo la stampa, il pezzo deve essere lavato e posto in un forno per rimuovere termicamente il legante rimanente e conferirgli tutte le sue proprietà. Per quanto riguarda la seconda tecnica, aziende come holo, Admatec e Incus hanno sviluppato le proprie stampanti 3D in metallo, compatibili con il rame e basate sulla produzione con litografia liquida.

Applicazioni principali

Date le interessanti proprietà del rame, si può prevedere un’ampia gamma di applicazioni. Indipendentemente dalla tecnologia additiva utilizzata, il rame si distingue per la sua elevata conducibilità termica ed elettrica. Per questo motivo molte aziende utilizzano questo materiale per creare componenti che richiedono una buona conducibilità elettrica, come bobine di induzione, avvolgimenti di motori per veicoli elettrici, bobine elettromagnetiche, guide d’onda e antenne, tra gli altri esempi.

Inoltre, è un metallo molto utile per la dissipazione del calore e per i componenti di scambio termico, come piastre di raffreddamento, dissipatori di calore e tubi di calore, scambiatori di temperatura, dispositivi di raffreddamento, inserti per stampi di raffreddamento, ecc. Infine, nell’industria aerospaziale, questo materiale metallico è spesso utilizzato per i sistemi di propulsione e le parti dei motori a razzo.

Produttori

A seconda della tecnologia utilizzata per creare parti in rame, il metallo può presentarsi in varie forme (principalmente polvere e filo). Diverse aziende offrono attualmente le loro leghe di rame sul mercato della produzione additiva. Tra queste Sandvik, Höganäs, Safina e Mitsubishi Materials, oltre a EOS, 3D Systems ed Elementum.

Ci sono molte aziende sul mercato che sviluppano non solo leghe di rame, ma anche soluzioni di produzione additiva compatibili con il rame (foto: Beamler).

Oltre al materiale in sé, vale la pena menzionare le aziende che hanno sviluppato soluzioni di produzione additiva compatibili con questo metallo. Tra queste, le già citate Markforged, Holo, Admatec, Incus e 3D Systems. Ma ce ne sono anche molte altre, come Colibrium Additive (ex GE Additive), Desktop Metal con ExOne, SLM Solutions, Renishaw, Optomec, DMG Mori e l’italiana 3D4MEC – l’elenco non è esaustivo.

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*Crediti foto di copertina: GKN Powder Metallurgy