Parti funzionali stampate in 3D con la sinterizzazione laser selettiva

La sinterizzazione è un processo che consiste nell'applicare calore e/o pressione a pezzi di metallo, ceramica e altri materiali fusi in una massa solida. Ma non si tratta certamente di una novità. In natura i minerali sedimentari vengono fusi da tempi immemorabili in ardesia e quarzite, e l'uomo ha iniziato a usare i metodi simili molti millenni fa, per ottenere mattoni e porcellana. Oggi, la sinterizzazione viene impiegata per la fabbricazione di moltissimi tipi di prodotti, dagli ingranaggi alle bielle, dalle ruote dentate ai cuscinetti. Viene anche usata per la stampa in 3D di pezzi.

La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è un parente stretto della sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS), ma i pezzi sono realizzati in plastica anziché in metallo. La SLS si avvale di un fascio laser CO2 controllato da computer anziché del laser a fibra ND YAG utilizzato dalla DMLS; entrambi i processi "disegnano sezioni" di un modello CAD in un letto di materiale in polvere, fondendone uno strato alla volta.

La SLS non necessita delle strutture di supporto caratteristiche della DMLS; tuttavia, a differenza della stereolitografia (SL) — il terzo processo di fabbricazione additiva (AM) mediante laser offerto da Protolabs — la SLS crea pezzi interamente funzionali utilizzando un nylon industriale. Questo aspetto rende la SLS una modalità eccellente per prototipare prodotti stampati a iniezione e in alcuni casi può anche essere utilizzata anche come alternativa allo stampaggio in termini di produzione di volumi ridotti.

Il nylon è alla base di tutto

Come per qualsiasi processo additivo, è importante comprendere le diverse considerazioni di progettazione relative alla SLS. Una di queste riguarda il materiale. Nonostante siano diffusamente utilizzati, tutti i pezzi ottenuti mediante SLS sono attualmente limitati ai materiali in nylon, ovvero alle stesse termoplastiche con le quali si producono dispositivi di fissaggio, giubbotti antiproiettile, e migliaia di altri articoli di uso quotidiano. Protolabs offre sei materiali diversi (cinque poliammidi e un TPU):

• PA 12 Bianco Smooth / Vapour Smooth Bianco è un materiale economico per prototipi funzionali e parti di uso finale. Offre un'elevata resistenza agli urti e alle temperature, è molto durevole e rimane stabile in diverse condizioni ambientali. Il materiale in nylon presenta una finitura bianca con una struttura superficiale leggermente più ruvida rispetto ad altri nylon.

• PA 12 Glass Filled Bianco Smooth è una polvere di poliammide caricata con sfere di vetro che aggiungono rigidità e stabilità dimensionale. Il materiale possiede una maggiore resistenza termica rispetto alle poliammidi non caricate e presenta un'eccellente resistenza all'usura a lungo termine. Grazie all'additivo di vetro, presenta una minore resistenza all'impatto e alla trazione rispetto ad altri nylon.

• PAx Naturale Smooth / Vapour Smooth Naturale è una poliammide versatile, caratterizzata da un'eccellente tenacità e flessibilità in qualsiasi direzione, incluso il piano z. Il materiale possiede una grande stabilità e durata a lungo termine e può essere utilizzato sia per la produzione di prototipi sia per la produzione di parti destinate all'uso finale.
Il materiale è molto versatile, per cui le applicazioni spaziano dalle cerniere e dagli attacchi a scatto alle attrezzature, agli involucri e alle ortesi.

• PA 12 Carbon Filled Smooth Nero è un nylon grigio antracite caratterizzato da estrema rigidità e resistenza alle alte temperature, unitamente a proprietà di conducibilità elettrica e leggerezza. Può essere utilizzato sia per prototipi funzionali che per parti destinate all'uso finale. Il riempimento in fibra di carbonio fornisce proprietà meccaniche diverse in base alla direzione dei tre assi considerati. Questo materiale presenta una buona qualità superficiale e una finitura più liscia rispetto ad altri nylon SLS.

• PA 12 Flex Pure Nero è un nylon nero/antracite caratterizzato da un'eccellente flessibilità e resistenza agli urti. Il PA 12 Flex Black combina le proprietà positive del PA12 e del PP. La resistenza e la rigidità sono simili a quelle del PA 12. L'allungamento è paragonabile a quello del PP non caricato. L'allungamento è paragonabile a quello del PP non caricato. La sua elevata durata lo rende una scelta eccellente non solo per la prototipazione, ma anche per i pezzi destinati all'uso finale.

• TPU-88A Pure Nero è un nylon grigio antracite caratterizzato da estrema rigidità e resistenza alle alte temperature, unito a proprietà di conducibilità elettrica e leggerezza. Può essere utilizzato sia per prototipi funzionali che per parti destinate all'uso finale. Il riempimento in fibra di carbonio fornisce proprietà meccaniche diverse in base alla direzione dei tre assi considerati. Questo materiale presenta una buona qualità superficiale e una finitura più liscia rispetto ad altri nylon SLS.

Processo SLS

Gestire la progettazione

I differenti gradi di nylon offerti da Protolabs sono tra i più richiesti e possono essere utilizzati in molte applicazioni nonstante la crescente popolarità delle versioni rinforzate con differenti fibre.

Questi tipi di materiali in nylon coprono molte applicazioni diverse. La maggior parte del materiale SLS consumato da Protolabs è Nylon 12, ma molti clienti scelgono materiali più rigidi (le varianti caricate con carbonio e vetro) o più flessibili (TPU) in base ai loro requisiti specifici. La progettazione efficace di un pezzo va tuttavia ben oltre la scelta del materiale e il controllo delle arricciature durante la produzione e della deformazione post-trattamento, che si riscontrano comunemente con la fabbricazione additiva, sono aspetti di importanza primaria per garantire la buona qualità del pezzo.

Gran parte di questo controllo viene eseguito da Protolabs. Per assicurare che i pezzi risultino dritti e precisi, spesso i nostri tecnici li inclinano leggermente nella camera di processo; se per esempio progettate la scatola di un videogioco portatile, l'inclinazione del composto di 10-15 gradi sugli assi X e Y durante la progettazione è probabilmente tutto ciò che occorrerà per mantenere le pareti quadrate e far sì che il coperchio della scatola si chiuda perfettamente su di essa. È importante notare che l'impiego di questa tecnica potrebbe causare la formazione di "scalinatura" per cui è importante identificare le superfici cosmetiche quando inviate il vostro disegno a Protolabs per richiedere il preventivo e l'analisi.

Per i pezzi particolarmente impegnativi, è possibile usare nervature per rafforzare le superfici piatte di grandi dimensioni; se la progettazione del vostro videogioco manuale richiede un coperchio sottile, la realizzazione di un motivo ad alveare o a scacchiera nella superficie interna non solo rafforzerà il coperchio, ma ridurrà anche il costo del materiale e la sua possibile deformazione.

Non è mai troppo tardi per migliorare la stampabilità

Molte delle regole applicate allo stampaggio ad iniezione valgono anche per la SLS, facendo di questo processo una scelta valida per la realizzazione dei pezzi che saranno eventualmente stampati. L'impiego di borchie per fori e perni di supporto, e l'assenza di sezioni trasversali spesse rappresentano buone pratiche per entrambi i processi di produzione. Tra le altre considerazioni da tenere a mente durante la progettazione citiamo:

la curvatura degli angoli nei punti d'incontro delle pareti per ridurre le sollecitazioni
l'uniformità dello spessore delle pareti: raccomandiamo uno spessore compreso tra 1,5 mm e 3,8 mm per ridurre arricciatura e deformazione durante la lavorazione
l'inserimento di nervature per ridurre la deformazione

Nei casi in cui i pezzi stampati a iniezione contengano contenere boccole metalliche sovrastampate o inserti filettati, i pezzi realizzati mediante SLS possono offrire una funzionalità comparabile con l'aggiunta di inserti mediante inserimento a caldo post produzione — nel nostro esempio del videogioco, gli inserti filettati possono essere applicati in ciascun angolo della scatola con un processo secondario per rendere più solido l'assemblaggio.

Aspetto e sensazione al tatto

La finitura della superficie ottenuta mediante SLS è leggermente più ruvida rispetto a quella prodotta con le altre tecnologie di fabbricazione additiva, variando da 100 a 250 RMS (valore quadratico medio), ma continua ad essere adatta alla maggior parte dei prototipi funzionali. Protolabs effettua anche la perlatura sulla maggior parte dei pezzi dei clienti, per rimuovere la polvere sparsa e creare una finitura liscia opaca. Occorre tenere in considerazione anche il testo molto fine, dato che le dimensioni minime di questa caratteristica ottenibili mediante SLS sono di 0,76 mm. I caratteri molto piccoli tendono a rimanere intrisi di polvere, rendendo lettere e numeri di difficile lettura. L'adozione del testo incassato offre risultati migliori, ma continua a presentare limiti dimensionali in quanto le caratteristiche non devono essere più piccole di circa 0,5 mm. Infine, la SLS è leggermente meno precisa degli altri processi di sinterizzazione laser; mentre la DMLS presenta tolleranze previste di ±0,1 mm oltre ad un ulteriore 0,001 mm/mm sulle parti metalliche, con la SLS è solitamente possibile ottenere ±0,25 mm più ±0,001 mm/mm su pezzi ben progettati.

L'aspetto positivo è che la SLS si avvale di un telaio di processo di 482 mm x 482 mm x 558 mm, 700mm x 380mm x 580mm molto più grande di quello impiegato per la produzione di metalli. E poiché non c'è alcuna struttura di supporto, è possibile usare tutto lo strato di polvere, facilitando la convivenza di diversi pezzi in un unico processo di stampa. Questo fa della SLS una valida alternativa alla lavorazione a macchina della plastica, un passaggio logico verso lo stampaggio a iniezione, e un ottimo modo per produrre pezzi funzionali in nylon in volumi più elevati di quelli solitamente ottenibili con la fabbricazione additiva.

Per maggiori informazioni sulla SLS, vi invitiamo a leggere le linee guida di progettazione di Protolabs e a contattare per qualsiasi domanda uno dei nostri tecnici del Servizio clienti via email all'indirizzo [email protected] oppure al numero +39 0321 381 211

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