Perché Il Rame Potrebbe Essere Il Prossimo Materiale D’oro Per La Produzione Additiva
Il rame è un materiale relativamente raro nelle operazioni di produzione additiva, ma ciò potrebbe cambiare nei prossimi anni.
Conosciamo tutti il rame, quel materiale color oro che si vede nel cablaggio e nei contatti elettrici. Per un materiale così noto, potresti pensare che sarebbe più frequentemente utilizzato nella stampa 3D.
Ma ci sono molte sfide per la stampa 3D del rame.
Innanzitutto, è un metallo e questo da solo lo colloca automaticamente nella classe più difficile dei materiali stampabili 3D. I metalli possono essere stampati in 3D, ovviamente, ma richiedono apparecchiature costose e complesse e talvolta richiedono persino ambienti della stanza controllati con precisione. Richiedono anche una notevole post-elaborazione e persino squadre di ingegneri per mettere a punto i lavori di stampa in modo che gli oggetti non si deformino in modo innaturale se esposti al tremendo calore della stampa 3D.
E poi c’è il rame.
La maggior parte delle configurazioni di stampa 3D in metallo, in particolare quelle utilizzate per la produzione, utilizza il processo di fusione a letto di polvere (PBF). In questo processo un letto piano di polvere metallica fine viene fuso selettivamente da una fonte di energia, tipicamente un laser molto potente. I successivi strati di polvere vengono fusi in modo simile e gradualmente è possibile costruire un oggetto completamente 3D.
Questo processo funziona abbastanza bene per molti metalli popolari stampabili in 3D, come alluminio, acciaio, nichel o titanio. Ma raramente vedi qualcuno menzionare il rame.
I metalli popolari hanno trovato spazio in diversi settori, tra cui quello aerospaziale in particolare, dove la combinazione di parti già costose e la capacità di creare parti “impossibili” era irresistibile: le aziende aerospaziali potevano costruire parti incredibilmente leggere che si sono dimostrate estremamente vantaggiose – e redditizio.
Perché non è successo qualcosa di simile con il materiale in rame?
Sfide della stampa 3D in rame
Un problema è che il rame risulta essere incredibilmente difficile da stampare in 3D utilizzando il processo PBF. Il rame ha due proprietà impegnative: è altamente riflettente e trasmette molto bene il calore e l’elettricità.
Il trasferimento di calore causa difficoltà nella camera di costruzione, che deve essere mantenuta a temperature molto precise per garantire stampe 3D in metallo di successo. È possibile che il calore del pool di fusione laser “coli” nelle aree vicine e ciò potrebbe comportare l’uso di livelli di potenza inferiori e quindi stampe molto più lente.
La riflettività potrebbe essere un altro problema. Iniettando enormi quantità di energia nella camera di costruzione con potenti laser, vuoi che la maggior parte di quell’energia venga assorbita dal materiale il più possibile. Ecco perché diversi sistemi PBF SLS termoplastici utilizzano polvere di nylon scura anziché polvere bianca: il nero assorbe più luce.
Se quell’energia non viene assorbita dal materiale di rame, dove va? Bene, schizza all’interno della camera di costruzione stessa, generalmente riscaldando tutto ciò che può raggiungere. Questo non solo rovina il riscaldamento di precisione, ma può anche danneggiare i componenti interni, come lenti, cinghie, componenti elettronici o altro.
In altre parole, devi davvero riprogettare le parti interne della tua stampante 3D PBF in metallo per ospitare materiale in rame. Alcune stampanti 3D stanno iniziando a farlo e potremmo vederne altre in futuro.
Stampa 3D in rame
Esistono processi di stampa 3D alternativi che possono stampare il rame in 3D. Due che mi vengono in mente sono Fabrisonic e SPEE3D .
Fabrisonic utilizza un approccio di laminazione in cui fogli di praticamente qualsiasi tipo di metallo possono essere fusi insieme utilizzando vibrazioni ultrasoniche.
SPEE3D utilizza un estrusore (letteralmente) supersonico per far saltare polvere di metallo fine su un bersaglio. L’energia cinetica del movimento delle particelle le fa fondere insieme. Spostando la punta degli attrezzi, puoi costruire rapidamente oggetti metallici, anche con il rame.
Tuttavia, nessuno di questi approcci è facilmente in grado di produrre le geometrie complesse desiderate da molte industrie, e quindi la stampa 3D in rame è raramente vista.
Nuovi lavori nella stampa 3D in rame stanno emergendo da aziende come Markforged , Xact Metal e Additive Drives .
Sembra che ci siano due aree di notevole interesse per la futura stampa 3D in rame: antenne e scambiatori di calore.
Le antenne sono utilizzate in tutti i dispositivi mobili e in molte installazioni remote per la comunicazione. Ma per alcuni tipi di progettazione di antenne è richiesta una capacità omnidirezionale. Ciò significa che il progetto potrebbe includere un gran numero di mini-antenne orientate in direzioni diverse.
Se qualcosa suona come una geometria complessa adatta agli approcci di stampa 3D, quella sarebbe una.
Un altro sarebbero gli scambiatori di calore. Si tratta di dispositivi che solitamente trasportano un fluido e trasferiscono il calore da una zona all’altra, e poiché il rame è un fantastico vettore di calore, è il materiale ideale. Uno scambio termico ottimale comporterebbe la massima quantità di superficie esposta al fluido e, come si potrebbe sospettare, anche questa è una geometria molto complessa.
Può essere ancora più complesso, tuttavia, poiché alcuni scambiatori di calore devono essere installati in spazi ristretti, il che comporta maggiori sfide di progettazione.
Ancora una volta, un sospetto ideale per la futura stampa 3D in rame.
Questo è il mercato che attende quei produttori di stampanti 3D che sono in grado di adattare le loro apparecchiature (o inventarne nuove) per la stampa 3D in rame.
