Letto in polvere e stampa 3D a getto d’inchiostro

Il letto di polvere e la stampa 3D a getto d’inchiostro, noti come “binder jetting” e “drop-on-powder” – o semplicemente “3D printing” (3DP) – sono una tecnologia di prototipazione rapida e additiva per creare oggetti descritti da dati digitali come un file CAD.

Storia
Questa tecnologia fu sviluppata per la prima volta al Massachusetts Institute of Technology nel 1993 e nel 1995 la Z Corporation ottenne una licenza esclusiva. Il termine “Stampa tridimensionale” era un marchio commerciale dello stesso.

Descrizione
Come in molti altri processi di produzione additiva, la parte da stampare è costituita da molte sezioni sottili del modello 3D. Una testina di stampa a getto d’inchiostro si muove attraverso un letto di polvere, depositando selettivamente un materiale legante liquido. Un sottile strato di polvere si sviluppa lungo la sezione completata e il processo viene ripetuto con ogni strato aderente all’ultima.

Quando il modello è completo, la polvere non legata viene automaticamente e / o rimossa manualmente in un processo chiamato “depolverazione” e può essere riutilizzata in una certa misura.

La parte depolverata potrebbe opzionalmente essere sottoposta a vari infiltrati o altri trattamenti per produrre proprietà desiderate nella parte finale.

Tecnologia
Nella stampa 3D, i pezzi vengono costruiti strato dopo strato. Dati 3D (ad es. Dati CAD) vengono utilizzati per calcolare la geometria da generare per ogni singolo strato. Nella stampa 3D, uno strato di polvere o granuli viene applicato a un tavolo regolabile in altezza e incollato mediante un legante nei punti che appartengono al pezzo. Questo è simile a una stampante a getto d’inchiostro convenzionale, una testina di stampa utilizzata, che applica il rilegatore al posto dell’inchiostro. Successivamente, la tabella viene abbassata di uno spessore di strato e applicato un nuovo strato di polvere. Questo viene ripetuto fino a quando il pezzo è completamente formato, che viene poi completamente nascosto dalla polvere circostante. Successivamente, la polvere supernatante viene restituita per un ulteriore utilizzo, il pezzo viene rimosso dalla stampante e liberato da residui di polvere.

Il principio di processo è quindi simile alla fusione selettiva del laser, in cui una polvere metallica viene localmente fusa da un laser.

materiale
Nelle implementazioni originali, l’intarsio di amido e gesso riempiono il letto di polvere, il “legante” liquido è principalmente acqua per attivare l’intonaco. Il legante include anche i coloranti (per la stampa a colori) e gli additivi per regolare la viscosità, la tensione superficiale e il punto di ebollizione in base alle specifiche della testina di stampa. Le parti di intonaco risultanti tipicamente mancano di “forza verde” e richiedono l’infiltrazione di cera fusa, colla cianoacrilica, resina epossidica, ecc. Prima della normale manipolazione.

Sebbene non utilizzi necessariamente la tradizionale tecnologia a getto d’inchiostro, varie combinazioni di raccoglitori di polvere possono essere dispiegate per formare oggetti con mezzi chimici o meccanici. Le parti risultanti possono quindi essere sottoposte a diversi regimi di post-elaborazione, come l’infiltrazione o il bakeout. Ciò può essere fatto, ad esempio, per eliminare il legante meccanico (ad es. Bruciando) e consolidare il materiale del nucleo (ad esempio mediante fusione), oppure per formare un materiale composito che miscela le proprietà di polvere e legante. A seconda del materiale, la stampa a colori può essere o meno un’opzione. A partire dal 2014, inventori e produttori hanno sviluppato sistemi per la formatura di oggetti da sabbia e carbonato di calcio (formando un marmo sintetico), polvere acrilica e cianoacrilato, polvere ceramica e un legante liquido, zucchero e acqua (per fare caramelle), ecc. il primo prodotto disponibile in commercio che incorporava l’uso del grafene, era un composito in polvere utilizzato nella stampa 3D a getto d’inchiostro a letto di polvere.

La tecnologia di stampa 3D ha un potenziale limitato per variare le proprietà dei materiali in una singola build, ma è generalmente limitata dall’uso di un materiale di base comune. Nei sistemi Z Corporation originali, le sezioni trasversali sono tipicamente stampate con profili solidi (che formano un guscio solido) e un modello interno a bassa densità per accelerare la stampa e garantire la stabilità dimensionale mentre la parte si indurisce.

caratteristiche
Oltre al colore volumetrico mediante l’uso di più testine di stampa e rilegature colorate, il processo di stampa 3D è generalmente più veloce di altre tecnologie di produzione additiva come il materiale di modellazione con deposizione fusa che richiede il 100% di materiale di costruzione e supporto da depositare alla risoluzione desiderata . Nella stampa 3D, la maggior parte di ogni strato stampato, indipendentemente dalla complessità, viene depositata dallo stesso processo di diffusione rapida.

Come con le altre tecnologie a letto in polvere, le strutture di supporto non sono generalmente necessarie poiché la polvere sciolta supporta le caratteristiche sporgenti e gli oggetti impilati o sospesi. L’eliminazione delle strutture di supporto stampate può ridurre i tempi di costruzione e l’utilizzo del materiale e semplificare sia l’attrezzatura che la post-elaborazione. Tuttavia, depolverarsi può essere un compito delicato, disordinato e che richiede tempo. Alcune macchine quindi automatizzano la depolverazione e il riciclaggio delle polveri fino a che punto sia fattibile. Poiché l’intero volume di costruzione è pieno di polvere, come per la stereolitografia, i mezzi per evacuare una parte vuota devono essere adattati al progetto.

Come altri processi a letto in polvere, finitura superficiale e precisione, densità degli oggetti e, a seconda del materiale e della forza della parte del processo, può essere inferiore a tecnologie come la stereolitografia (SLA) o la sinterizzazione laser selettiva (SLS). Sebbene le proprietà dimensionali “scale-stepping” e asimmetriche siano caratteristiche della stampa 3D come la maggior parte degli altri processi di produzione a strati, i materiali di stampa 3D sono generalmente consolidati in modo tale da ridurre al minimo la differenza tra la risoluzione verticale e quella interna. Il processo si presta anche alla rasterizzazione dei layer con risoluzioni target, un processo veloce che può contenere solidi intersecanti e altri artefatti di dati.

Le stampanti 3D a letto di polvere e a getto d’inchiostro hanno in genere un prezzo compreso tra $ 50.000 e $ 2.000.000, tuttavia esiste un kit fai-da-te hobbista che vende da $ 800 per convertire una stampante FDM di consumo in una stampante a getto d’inchiostro.

Vantaggi e svantaggi
In teoria, tutti i materiali possono essere utilizzati fino a quando possono essere incollati al legante. In particolare, possono essere trattati alimenti o sostanze sensibili alla temperatura come i medicinali. Inoltre, è possibile utilizzare leganti diversi all’interno di un unico pezzo per creare aree con proprietà meccaniche diverse. Come legante, possono essere usate numerose sostanze, per. Ad esempio quelli a base di acqua, resina sintetica o cellule viventi. In linea di principio, le polveri non devono essere identiche in ogni strato.

Inoltre, in Binder Jetting, simile alla sinterizzazione laser, non è necessario alcun materiale di supporto poiché il pezzo viene trasportato dalla polvere durante il processo di produzione.

Tuttavia, la stampa 3D non fornisce un pezzo molto forte. Soprattutto quando si usano metalli come materiali, i pezzi devono essere successivamente rimossi dal legante e sinterizzati per garantire una resistenza sufficiente. Questo porta a un restringimento, in modo che la geometria finale sia difficile da impostare in anticipo, ma questo è fondamentalmente gestibile con abbastanza esperienza.