Tutto quello che c’è da sapere sulla stampa 3D della sabbia

Quasi sicuramente hai già sentito parlare di stampa 3D in plastica e metallo. Ma lo sapevi che anche la sabbia è un potenziale materiale di stampa 3D? In effetti, può essere una soluzione economica per una vasta gamma di settori ed è particolarmente complementare alla colata in sabbia tradizionale. Ma come funziona la stampa 3D in sabbia e in che modo la colata in sabbia tradizionale può trarre vantaggio da questo processo additivo? Diamo un’occhiata più da vicino a queste domande in questo articolo.

Per comprendere l’importanza della stampa 3D in sabbia per la fusione, è necessario innanzitutto comprendere il tradizionale processo di colata in sabbia. La colata in sabbia è un processo di colata utilizzato per produrre parti finali in metallo e altri materiali. Lo stampo in cui viene versato il materiale liquido è fatto di sabbia, che resiste alle alte temperature. Il processo di fusione originale è stato provato e testato per millenni, risalendo al 3.200 a.C. circa. Naturalmente, il processo di produzione ha subito varie fasi di sviluppo, ma il concetto di base è rimasto invariato.

Il processo inizia con un disegno 2D dell’oggetto da fabbricare. Sulla base di questo concetto, viene prodotto un modello, ma nel caso di un utilizzo per parti metalliche finali, le sue dimensioni vengono aumentate per consentirne il ritiro. Inoltre, il modello deve includere canali di colata. Lo stampo negativo prodotto viene pressato in una scatola di costruzione riempita di sabbia. Un’immagine del modello – lo stampo – viene quindi formata nella sabbia. Il materiale liquido (alluminio, acciaio, magnesio, ferro) viene versato in questo stampo e rimosso non appena si è raffreddato. Nelle fasi di finitura, è inoltre necessario rimuovere i canali di colata e i condotti di alimentazione.

Sebbene la colata in sabbia abbia una lunga tradizione e consenta di ottenere risultati accurati, le fasi descritte sopra mostrano come si tratti di un processo complesso e articolato. È qui che entra in gioco la stampa 3D. La combinazione tra stampaggio tradizionale e manifattura additiva rende il processo più efficiente, poiché gli stampi o i nuclei delle parti con cavità vengono progettati digitalmente tramite CAD e realizzati mediante stampa 3D della sabbia. In questo modo, vengono eliminate le fasi di progettazione e creazione del modello, nonché viene anche meno la stessa impressione nei telai di stampaggio. In breve, la stampa 3D offre una scorciatoia per l’obiettivo desiderato, risparmiando tempo, costi e risorse.

Prima di discutere dei numerosi vantaggi in modo più dettagliato, concentriamoci invece sulla tecnica stessa della stampa 3D in sabbia. Al posto della sabbia tradizionale che si trova nei parco giochi o in spiaggia, si usa la sabbia di quarzo, che a sua volta è costituita principalmente da grani di quarzo. Possono essere utilizzati diversi tipi di sabbia, a seconda della lega di colata della parte finale. La sabbia di quarzo SH-F01 è opaca e nera, mentre SH-P14 è beige e tipicamente color sabbia. Entrambi offrono elevata resistenza al calore e agli urti. Può essere utilizzata anche sabbia sintetica SH C052. Quest’ultima è a base ceramica e offre proprietà simili a quelle dei tipi sopra menzionati. Nella stampa 3D della sabbia, la sabbia viene trasformata in stampi per la colata in sabbia mediante binder jetting, invece di utilizzare le polveri tradizionali (metalliche o plastiche).

Vantaggi e applicazioni

Il metodo del Binder Jetting è considerato particolarmente efficiente rispetto ad altre tecnologie di stampa 3D. Ciò vale non solo per la lavorazione di polveri polimeriche o metalliche, ma anche per la sabbia. Il metodo del Binder Jetting non solo consente agli utenti di saltare le numerose fasi dello stampaggio a sabbia convenzionale, ma consente anche di produrre stampi in modo particolarmente efficiente. Il tempo risparmiato in produzione si traduce anche in guadagni finanziari. Ad esempio, la produzione degli stampi tramite stampa 3D può ridurre i costi fino al 75% sull’intero ciclo di produzione.

Il modello 3D è progettato al computer, rendendo più facile apportare modifiche e adattamenti individuali. Si possono realizzare anche geometrie complesse, e produrle in qualsiasi scala. Un altro vantaggio è che gli stampi in sabbia realizzati con tecnologia binder jetting offrono un’elevata precisione dimensionale e possono essere prodotti in qualsiasi quantità. Ciò offre anche vantaggi competitivi, poiché consente di soddisfare meglio le esigenze dei clienti.

Oltre a risparmiare tempo e denaro, la stampa a sabbia consente anche di risparmiare risorse. Non è più necessario lavorare i materiali per creare un modello fisico. Poiché i processi additivi utilizzano in gran parte solo i materiali effettivamente richiesti, generano anche meno rifiuti. La sabbia di quarzo è considerata un materiale ecologico, è disponibile in quantità praticamente illimitate e anche la polvere di stampa inutilizzata può essere parzialmente riutilizzata. In questo senso, la stampa 3D in sabbia contribuisce a una produzione più sostenibile.

La stampa 3D della sabbia può essere presa in considerazione per la realizzazione di stampi in diversi ambiti applicativi, soprattutto quando è necessaria una produzione efficiente di parti complesse. Questo è il caso dell’industria automobilistica o aerospaziale, come ad esempio nelle applicazioni concrete di ruote o eliche. Per citare un esempio concreto, ricordiamo come la stessa British Boro Foundry abbia utilizzato la stampa 3D a sabbia per produrre pezzi di ricambio. La tecnologia può essere utilizzata anche per la produzione di mobili di design, nell’arte e nel restauro, in quanto è possibile creare prototipi e piccole serie.

Produttori di stampanti 3D a sabbia

All’interno del panorama 3D, ci sono alcuni produttori specializzati nella lavorazione della sabbia. La società tedesca Voxeljet, in particolare, si è distinta in questo settore. Voxeljet offre una serie di sistemi di stampa 3D in sabbia, tra cui le macchine VX 200, 500, 1000, 2000 e 4000, che dispongono di un vassoio di stampa di varie dimensioni. Oltre a Voxeljet, vale la pena menzionare anche ExOne (acquisita da Desktop Metal nel 2021 ma che gestisce ancora il lato sabbia del business), che si è concentrato anche sui sistemi di binder jetting ed è uno dei leader in questo campo.

Sebbene la stampa 3D a sabbia copra una gamma più ristretta di applicazioni rispetto alla stampa 3D di resine, polimeri e metalli, trova il suo punto forte nel soddisfare esigenze specifiche. Ecco perché sempre più fornitori di servizi lo stanno aggiungendo alla loro offerta, per soddisfare al meglio le esigenze dei clienti e aiutare le piccole fonderie che vogliono riformare la colata in sabbia con la stampa 3D, ma non hanno le risorse per investire in un macchinario specifico.

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*Crediti foto di copertina: ExOne