Il trattamento termico nella stampa 3D

Il post-processing è una fase chiave nella produzione additiva e finora abbiamo visto diversi metodi utilizzati nell’industria, indipendentemente dal processo di stampa 3D utilizzato: pulizia, rimozione dei supporti, colorazione, ecc. Ora è il momento di approfondire un altro argomento: il trattamento termico delle parti stampate in 3D. Questo può assumere diverse forme a seconda dei risultati attesi, del materiale utilizzato e della tecnologia preferita. Si parlerà allora di sinterizzazione, di ricottura per i metalli, di polimerizzazione (curing) o ancora di pressatura isostatica a caldo. Questa fase di post-processing ha un obiettivo preciso: ridurre le sollecitazioni interne di un pezzo stampato in 3D e migliorarne le proprietà meccaniche. A seconda della tecnica scelta, si otterranno risultati diversi, ovviamente, ma lo scopo è quello di influenzare le sollecitazioni residue che possono apparire durante la stampa. Vediamo quindi quali sono i vari metodi di trattamento termico e come funzionano.

Nella produzione additiva, le parti prodotte sono sottoposte a diverse temperature e passano attraverso fasi di riscaldamento e raffreddamento più o meno importanti a seconda del processo di stampa scelto. Queste fasi hanno un impatto diretto sulle parti che accumulano sollecitazioni residue. Passare attraverso un trattamento termico dopo la stampa è quindi fondamentale in quanto si tratta di eliminarli ma anche di giocare sulle caratteristiche meccaniche dei pezzi come la resistenza alla flessione, la duttilità o ancora la durezza finale.

Diverse attrezzature consentono di realizzare trattamenti termici in produzione additiva (crediti foto: Markforged)

La sinterizzazione

La sinterizzazione è uno dei trattamenti termici che possono essere utilizzati nella produzione additiva. Si richiama l’attenzione sul fatto che si tratta più di una fase del processo di fabbricazione piuttosto che di un metodo di post-processing. In effetti, è obbligatorio ad esempio se si utilizza il Binder Jetting o processi che utilizzano filamenti di plastica con particelle di metallo. La sinterizzazione della parte verde ottenuta dopo la stampa elimina il legante e solidifica le particelle di metallo tra loro. Per questo è necessario un forno di sinterizzazione: si fa salire la temperatura, appena al di sotto della temperatura di fusione del materiale utilizzato. Questa tecnica consente di rimuovere le particelle di polvere originali, ridurre la porosità dei pezzi e aumentarne la durezza. Si userà principalmente con polveri metalliche o ceramiche.

Prendi in considerazione il fenomeno di ritrazione del pezzo finale. Infatti, durante la sinterizzazione, le particelle di materiale si legano tra loro e prendono il posto del legante che ridurrà le dimensioni della tua parte originale. Questa diminuzione è dell’ordine del 15-20%.

Curing per polimeri

Per quanto riguarda i polimeri nella produzione additiva, esiste una tecnica per trattare le parti e migliorare le loro proprietà finali. Si tratta di una fase di polimerizzazione, anche nota come curing. Questa viene utilizzata principalmente nella stampa 3D in resina. La resina è composta da diversi monomeri che non sono legati tra loro allo stato liquido, quando viene esposta a una sorgente UV, questi monomeri si legano tra loro per formare la parte desiderata. Tuttavia, dopo la stampa, alcune aree non saranno reticolate in modo ottimale e potrebbero compromettere la resistenza generale del componente stampato. È qui che la fase di curing può essere interessante perché permetterà di effettuare tutte le reticolazioni possibili.

Crediti foto: Formlabs

Una volta creata la parte, viene pulita per rimuovere l’eccesso di resina non fotopolimerizzata e rimuovere i supporti di stampa. È possibile inserire il pezzo in una macchina adatta – di solito, i produttori di stampanti 3D in resina offrono la loro stazione di polimerizzazione, come Formlabs e la sua soluzione Form Cure. Si tratta di una camera UV che permette di indurire il pezzo stampato e conferirgli le sue proprietà finali. Si riduce la sua fragilità e diminuisce il rischio di rotture. La polimerizzazione permette anche di fissare il colore della resina e renderlo più sicuro nella sua manipolazione. Si ottiene un pezzo più resistente nel tempo che è un aspetto cruciale in molti settori.

Fattori come il tipo di resina utilizzata o le dimensioni del pezzo influiranno direttamente su questa fase di trattamento termico. Più grande è il pezzo, più tempo ci vorrà per indurire. Questo è un dato da considerare nel vostro processo di produzione.

La ricottura nella stampa 3D

Questo metodo di trattamento termico comporta l’esposizione del pezzo stampato 3D a una certa temperatura, più o meno alta a seconda del materiale utilizzato. Una volta riscaldato, viene raffreddato gradualmente per aumentarne la solidità. È una tecnica molto usata per i metalli, ma anche per il vetro. Alcune materie plastiche possono anche essere sottoposte a ricottura come il PLA e il PETG. Per altre termoplastiche, come l’ABS per esempio, non sarà il prcesso adatto perché il calore tenderà a creare warping o deformazioni.

Alcune termoplastiche sono compatibili con la ricottura (crediti foto: UltiMaker)

In pratica, la ricottura consiste a riscaldare il materiale ad una temperatura superiore alla sua temperatura di cristallizzazione ma inferiore al suo punto di fusione. Con i polimeri, questo permetterà alle molecole di riorganizzarsi migliorando la stabilità del pezzo finale. Con i metalli, la ricottura darà la possibilità ai grani di aumentare le loro dimensioni grazie alla ricristallizzazione. In entrambi i casi, la durata della ricottura influirà sulla struttura del pezzo finale: più a lungo è esposto al calore, più la sua struttura cambierà. Ad esempio, i componenti in plastica possono diventare più piccoli dopo la fase di ricottura, poiché il calore accelera il loro ritiro. Questo è un aspetto importante da tenere in considerazione quando si progetta il pezzo. Nella stampa 3D dei metalli, la ricottura migliora la duttilità e la resistenza dei pezzi creati. Si tratta di una tecnica particolarmente utilizzata con l’acciaio.

Metodi di trattamento termico per metalli

Concludiamo la nostra guida con alcuni metodi di trattamento termico aggiuntivi utilizzati specificamente per i metalli. Possiamo citare la pressatura isostatica a caldo o Hot Isostatic Pressing (HIP). Combina temperature molto elevate e una pressione isostatica di gas inerte che, applicate contemporaneamente, permettono di aumentare la densità di un pezzo e la sua resistenza. In pratica, il pezzo viene chiuso in un contenitore ad alta pressione che sarà esposto a questa combinazione calore/pressione. Questo rimuoverà tutti i vuoti interni e la porosità residua.

La vasca HIP è installata sopra il pezzo stampato in 3D (Crediti foto: Bodycote)

Si possono anche rinforzare parti metalliche stampate in 3D grazie alla tempra: si tratta di un’operazione che consiste nel riscaldamento del pezzo ad una temperatura molto elevata e raffreddarlo molto rapido. Questo avrà un impatto sulla microstruttura del componente. La tempra richiede spesso l’utente di un fluido per raffreddare il pezzo.

Esistono di certo altri metodi di trattamento termico oggi compatibili con la produzione additiva, l’elenco non è quindi esaustivo. Ma ora hai una buona panoramica delle tecniche disponibili e della loro importanza!

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*Crediti foto di copertina: Mark3D