La stampa 3D in metallo senza supporti secondo la filosofia EOS

La stampa 3D per metalli si evolve verso l’eliminazione dei supporti

La tecnologia conosciuta come Laser Powder Bed Fusion (LPBF), anche nota con l’acronimo DMLS (Direct Metal Laser Sintering), è una tecnologia di stampa 3D impiegata per realizzare parti in metallo a partire da un letto di polveri metalliche fuse da un laser ad alta potenza e con un fascio concentrato. Più precisamente, uno strato finissimo di polvere metallica viene distribuito sulla piattaforma di costruzione. Poi, un potente laser presente nella stampante 3D fonde la polvere esattamente nei punti definiti dal modello CAD. In questo modo, si completa il primo strato della parte stampata in 3D; tale procedura si ripete fino alla crescita completa del pezzo. Si tratta di una delle tecnologie più avanzate e affidabili al mondo nella produzione additiva di metalli e viene utilizzata per la produzione in serie di parti metalliche (industriali) stampate in 3D per un’ampia gamma di settori. Le applicazioni principali sono quelle aerospaziali, automobilistiche, mediche, utensili e turbomacchine.

Tra le aziende che realizzano macchine con tecnologia DMLS, EOS è il principale fornitore globale. L’Azienda utilizza la tecnologia DMLS da oltre tre decenni ed è leader di innovazione nel settore. Tra le ultime novità che propone ai suoi Clienti vi è la stampa 3D in metallo senza supporto (support-free) che si riferisce all’utilizzo solo parziale o totalmente priva di supporti durante la fase di costruzione del pezzo.

Ma andiamo con ordine. Innanzitutto, cosa sono i supporti e perché si utilizzano? Lo spiega Davy Orye, Team Manager Additive Minds Consulting di EOS, in un recente evento online organizzato da EOS: «Si tratta di elementi comunemente utilizzati nel processo di costruzione per rinforzare e mantenere la struttura del pezzo creato a seconda delle dimensioni e della forma del pezzo da produrre». Tre sono i motivi principali per cui si utilizzano supporti nella stampa 3D a metallo:

  1. Per favorire la dissipazione del calore che si crea a causa dell’uso del laser
  2. Per prevenire le deformazioni del pezzo dovute alle sollecitazioni termiche durante la costruzione
  3. Per compensare le forze del recoater

A guardar bene, dunque, vi sono importanti ragioni per l’utilizzo di supporti nella stampa DMLS. Allora perché cercare di eliminarli? Spiega Orye: «Le ragioni per eliminare i supporti sono fondamentalmente di due tipi: economiche e tecniche. Usare i supporti è fondamentalmente uno spreco di materiale e di tempo, soprattutto nella fase di post processing. Si tratta di materiali che, una volta realizzato il pezzo, vengono eliminati e questo richiede utilizzo di risorse in termini di tempo e utensili. Dal punto di vista tecnico, poi, rimuovere i supporti dopo la stampa DLMS può risultare abbastanza difficoltoso o addirittura certe volte impossibile. Questo può essere il caso nella produzione di giranti per cui, se si vogliono realizzare questi componenti in maniera efficiente, è ovviamente più vantaggioso evitare la costruzione dei supporti».  

Davy Orye
(Foto: Tobias Hase)

I tre pilastri di EOS per la stampa DMLS senza supporto

Sono tre i pilastri su cui EOS basa la sua offerta ai clienti per poter realizzare una stampa DMLS “support free” o priva di supporti:

  • soluzioni plug&play, che i clienti possono semplicemente utilizzare nelle loro applicazioni e raccoglierne i benefici;
  • software adeguati;
  • corsi di formazione per acquisire la giusta conoscenza e imparare come utilizzare questi strumenti software.

Soluzioni Plug&Play

EOS offre e offrirà diversi parametri di processo ottimizzati che consentono la realizzazione senza supporti di piani inclinati fino a 20° rispetto alla piattaforma di costruzione.  «Nel passato avevamo diversi livelli di layer. In passato un set di materiali EOS conteneva un solo processo, ad esempio IN718 40 µm. Oggi lo stesso set di materiali contiene più processi, offrendo quindi più valore ai clienti. Sempre nel caso del set di materiali IN718, questo ora contiene 3 processi: il processo standard 40 µm, il processo ad alta produttività 80 µm e il processo senza supporto 40 µm.». Ricordiamo qui che, in linea di massima, per le stampanti a letto di polvere per metalli, l’altezza del layer può variare da un minimo di 20-30 µm ad un massimo di 100µm. Maggiore è l’altezza del layer, più rapidi saranno i tempi di produzione, a svantaggio, però, della finitura superficiale e del livello di dettaglio dei componenti prodotti. «Nella costruzione di una girante presso un cliente, con l’utilizzo della stampa senza supporto con la stampante EOS M 400-4 IN718 da 40 µm si è si è potuto ottenere il 33% in meno di supporti e 1,5 ore di post processing in meno». Il messaggio che si vuole trasmettere? La stampa senza o con un uso limitato di supporti permette un risparmio effettivo e misurabile sia di tempo che di materiale.

Strumenti software

«Un messaggio importante che vogliamo trasmettere è che, attraverso le nostre macchine, i nostri clienti ricevono accesso a tutti i nostri software di cui essi possono utilizzare ciascuna delle funzioni che abbiamo sviluppato per loro e adattarle ulteriormente ai propri bisogni e alle proprie applicazioni, sviluppandole ulteriormente. Ad esempio, modulando la potenza del laser o armonizzando l’input di energia, etc. Molte di queste possibilità sono già oggi disponibili, altre ne arriveranno nel futuro prossimo. Ma, al contempo, stiamo lavorando con clienti “pilota” per poter sviluppare funzioni che davvero rispondano alle necessità». Un importante esempio in questa direzione è il potente strumento “smart fusion” di EOS di imminente uscita.

Smart fusion: costruire strato dopo strato

La funzione “smart fusion”, che EOS metterà prossimamente a disposizione (prevista per il 2023), è un potente strumento che utilizza speciali algoritmi per assicurare la qualità della stampa. Esso permette di scansionare il pezzo in stampa e monitorarlo costantemente nel suo insieme tramite un apposito algoritmo. Tale algoritmo permette di evidenziare, in ogni strato che si sta formando, quali sono i punti di “overheating” (ad esempio, per mancanza di supporti) e quali invece i punti che richiederebbero un’immissione di energia superiore  (“cold spot”), permettendo quindi di correggere l’energia del laser nel layer successivo. In questo modo, si ha un continuo processo di ottimizzazione della stampa e un continuo bilanciamento tra l’energia immessa nei vari strati per ottenere un prodotto nel suo insieme più omogeneo.  La “smart fusion” non permette solo un controllo della qualità e un’ottimizzazione del processo “on the flight”, ma anche una maggiore precisione di lavorazione e, quindi, una riduzione degli scarti e dei tempi di lavorazione post- stampa.

In un esempio applicativo per la stampa di bracket in titanio, la smart fusion ha permesso di diminuire l’uso di supporti per l’80%, il tempo di stampa del 40% e il costo per pezzo del 34%.

La formazione per il Cliente

Come portare il Know how di EOS sulla stampa “support-free” ai clienti? Questa è una domanda cardine per l’Azienda che ha risposto con la creazione di Additive Minds, il più grande dipartimento di consulting e progettazione all’interno dell’industria additiva. «La nostra mission è aiutare i nostri clienti ad avere successo con la nostra tecnologia, sia che questo avvenga attraverso il training professionale, sia che questo avvenga tramite e-learning offerta da Additive Minds Academy per qualunque applicazione tale formazione sia pensata. Attraverso l’offerta formativa noi insegniamo ai clienti a tradurre i nostri tre pilastri in applicazioni di successo ed eventualmente ad ottimizzare le stesse. Additive Minds sta al fianco del cliente durante la scelta della tecnologia da applicare e durante la pianificazione del progetto per suggerire i migliori tools a seconda delle necessità e per indicare le varie possibilità disponibili per la realizzazione dei progetti» afferma Orye. E aggiunge: «In EOS siamo profondamente convinti che i nostri prodotti sono un successo solo se con essi anche i nostri clienti hanno successo nella realizzazione dei loro progetti, indipendentemente da quanto sfidanti questi possano essere. In EOS facciamo di tutto affinché il cliente raggiunga i suoi obiettivi, anche coinvolgendolo nello sviluppo stesso dei nostri strumenti. Il riscontro del cliente è, in effetti, la migliore conferma che possiamo avere sull’efficacia delle nostre soluzioni»

A colpo d’occhio: i vantaggi della stampa 3D “support-free” di EOS
• Diversi sono i metodi disponibili e ciascun cliente, con l’assistenza di EOS, può scegliere quello più idoneo al proprio business case • Disponibilità di strumenti per la formazione professionale sul tema • Gli strumenti di EOS per la stampa “support-free” sono personalizzabili e open source • Il business case del cliente è sempre al centro del progetto e in base ad esso si trova la soluzione di stampa migliore, senza compromessi • Il metodo è applicabile a ogni sistema e materiale • I sistemi sono Plug&Play per alcuni materiali
La tecnologia “support free” di EOS per la produzione di giranti in KSB
L’azienda KSB è un cliente particolare per EOS, un “early adopter” e un pioniere nell’adozione di soluzioni EOS. Per questo, la sua esperienza con le tecnologie di EOS è un’“esperienza con il futuro” e di particolare importanza. KSB ha adottato le tecnologie di EOS in successivi steps, legati anche all’evoluzione delle macchine per la costruzione di giranti. Tra il 2019 e il 2022, i risultati di KSB nella costruzione di giranti con l’adozione graduale delle tecnologie di EOS possono essere così riassunti (i dati sono da intendersi per ciascun pezzo):  Riduzione del tempo di stampa da 77,34 ore a 16,19 ore  Riduzione del materiale usato da 3,8 kg a 2,85 Kg  Riduzione del supporto interno usato da 0,18 kg a 0 Kg  Riduzione tempo di post-processing da 6 ore a 0,5 ore  Riduzione dei costi totali dell’80%