Il Forschungsinstitut für Glas | Keramik GmbH, noto come FGK, e D3-AM GmbH hanno avviato una collaborazione per adattare la produzione additiva alla lavorazione delle vetroceramiche. Il progetto punta alla realizzazione di componenti leggeri, di grandi dimensioni e caratterizzati da geometrie difficili da ottenere attraverso pressatura, colaggio, lavorazione meccanica o altre tecniche convenzionali.
Il lavoro congiunto si concentra sulla tecnologia Micro Particle Jetting sviluppata da D3-AM GmbH e sul sistema di stampa LAB II. FGK metterà a disposizione le proprie competenze nella formulazione e nella caratterizzazione dei materiali, mentre D3-AM GmbH si occuperà dell’impianto, del controllo del processo e del trasferimento verso condizioni produttive ripetibili.
L’obiettivo non consiste soltanto nel dimostrare che una vetroceramica può essere depositata strato dopo strato. FGK e D3-AM GmbH dovranno definire l’intera catena produttiva, dalla preparazione della sospensione fino al trattamento termico finale, controllando ritiri, deformazioni, porosità, formazione delle fasi cristalline e precisione geometrica.
Che cosa distingue una vetroceramica da un vetro tradizionale
Le vetroceramiche vengono prodotte sottoponendo un vetro di partenza a una cristallizzazione controllata. Il trattamento termico determina la nucleazione e la crescita di una o più fasi cristalline all’interno della matrice vetrosa residua.
Il risultato è un materiale composto da una parte amorfa e da una parte cristallina. Variando la composizione chimica, la percentuale delle diverse fasi, le temperature e i tempi di trattamento, è possibile modificare proprietà come espansione termica, resistenza meccanica, durezza, trasparenza, comportamento elettrico e resistenza agli agenti chimici.
In alcune formulazioni, la fase vetrosa tende a espandersi con l’aumento della temperatura, mentre le fasi cristalline presentano un comportamento opposto. Bilanciando questi contributi si possono ottenere coefficienti di espansione termica prossimi allo zero entro intervalli di temperatura definiti.
Questa caratteristica permette a un componente di mantenere dimensioni e geometria anche in presenza di variazioni termiche. La stabilità dimensionale è importante quando pochi micrometri di spostamento possono modificare l’allineamento di un sistema ottico, la posizione di un wafer o la precisione di una struttura metrologica.
Un riferimento industriale è ZERODUR, la vetroceramica a bassa espansione prodotta da SCHOTT AG. SCHOTT AG non partecipa alla collaborazione tra FGK e D3-AM GmbH, ma l’impiego di ZERODUR nella litografia, nell’astronomia e nella metrologia mostra il valore applicativo dei materiali vetroceramici dimensionalmente stabili.
Le competenze messe a disposizione da FGK
Forschungsinstitut für Glas | Keramik GmbH opera da oltre quarant’anni nella ricerca, nello sviluppo e nella caratterizzazione di vetri, ceramiche e materie prime minerali. FGK dispone di infrastrutture dedicate alla macinazione, alla dispersione delle polveri, alla preparazione delle sospensioni, alla formatura additiva e ai trattamenti termici.
Nel progetto con D3-AM GmbH, uno dei primi compiti di FGK sarà definire le caratteristiche delle particelle vetroceramiche. Dimensione, distribuzione granulometrica, forma, composizione superficiale e tendenza all’agglomerazione influenzano il comportamento della sospensione e la qualità del materiale depositato.
FGK dovrà studiare anche la quantità di solido presente nella formulazione. Una sospensione con un basso contenuto di particelle può essere semplice da movimentare, ma produce un corpo verde poco denso e soggetto a un ritiro elevato durante la consolidazione. Una concentrazione troppo alta può invece aumentare la viscosità, ostacolare la formazione delle gocce e rendere instabile il processo di stampa.
Un altro elemento è la dispersione omogenea delle particelle. Gli agglomerati possono ostruire il sistema di deposizione, modificare localmente la densità e generare difetti che diventano visibili durante l’essiccazione o il trattamento termico.
FGK potrà analizzare le diverse formulazioni attraverso prove reologiche, analisi granulometriche, microscopia, misure di densità, dilatometria e cicli termici controllati. Queste attività serviranno a collegare i parametri del materiale alle caratteristiche finali del componente.
Come funziona il Micro Particle Jetting di D3-AM
La tecnologia Micro Particle Jetting di D3-AM GmbH utilizza sospensioni a base acquosa contenenti un’elevata quantità di particelle solide. Un sistema di deposizione progettato da D3-AM GmbH genera e posiziona le gocce in modo controllato, costruendo il componente secondo i dati del modello digitale.
Il processo differisce dai sistemi nei quali una testina deposita soltanto un legante liquido sopra un letto di polvere. Nel Micro Particle Jetting di D3-AM GmbH, il materiale ceramico è già contenuto nella sospensione che viene espulsa dalla testina.
La gestione delle gocce rappresenta una parte centrale del processo. Volume, velocità, frequenza, traiettoria e comportamento all’impatto devono restare costanti. Le gocce devono unirsi senza creare vuoti, accumuli irregolari o variazioni di spessore tra una zona e l’altra.
D3-AM GmbH dichiara di avere sviluppato una testina specifica per sospensioni acquose ad alto contenuto di solido e per particelle con dimensioni maggiori rispetto a quelle gestite dai comuni sistemi inkjet. Questo consente a D3-AM GmbH di lavorare materie prime ceramiche disponibili sul mercato, riducendo la necessità di utilizzare soltanto particelle ultrafini o precursori chimici dedicati.
La possibilità di impiegare sospensioni acquose può inoltre limitare la quantità di componenti organici presenti nella formulazione. La reale composizione del materiale vetroceramico sviluppato da FGK e D3-AM GmbH, compresa l’eventuale presenza di leganti, disperdenti o additivi, non è stata però comunicata.
Le caratteristiche della piattaforma LAB II
Il sistema LAB II di D3-AM GmbH dispone di un volume di costruzione dichiarato di 400 × 480 × 160 millimetri. D3-AM GmbH indica una risoluzione verticale tipica di 0,15 millimetri e una risoluzione nativa sul piano superiore a 300 × 300 dpi.
La piattaforma può gestire, secondo i dati pubblicati da D3-AM GmbH, materie prime con particelle fino a 62 micrometri nella frazione D99. Questo significa che il 99% delle particelle deve avere una dimensione inferiore al valore indicato.
D3-AM GmbH ha sviluppato LAB II per materiali ceramici tecnici come ossido di alluminio e carburo di silicio sinterizzato. L’estensione alle vetroceramiche richiederà una nuova qualificazione del materiale e dei parametri di processo. I dati nominali della macchina non devono quindi essere interpretati come prestazioni già ottenute con la formulazione vetroceramica studiata da FGK.
D3-AM GmbH ha presentato LAB II anche come piattaforma per componenti ceramici di grande formato, strutture con pareti spesse e geometrie dotate di canali interni, reticoli o superfici continue complesse. La collaborazione con FGK dovrà verificare quali di queste possibilità geometriche siano compatibili con la stabilità del corpo verde e con i trattamenti termici richiesti dalla vetroceramica.
Dal corpo verde al componente consolidato
Il pezzo appena stampato, definito corpo verde, non possiede ancora le proprietà finali della vetroceramica. La struttura contiene particelle solide, acqua e gli eventuali additivi necessari alla dispersione e alla stabilizzazione.
La prima fase critica è l’essiccazione. Se l’acqua evapora con velocità diverse tra superficie, pareti esterne e zone interne, nel componente possono comparire tensioni, deformazioni o fessure. Il problema diventa più complesso nei pezzi di grandi dimensioni, nelle pareti spesse e nelle strutture che alternano zone massicce e sezioni sottili.
Dopo l’essiccazione può essere necessario eliminare i componenti organici attraverso un ciclo di rimozione del legante. Il riscaldamento deve permettere ai prodotti della decomposizione di uscire dal componente senza creare pressioni interne o danneggiare la struttura.
Segue la fase di consolidazione. Le particelle devono avvicinarsi, unirsi e ridurre la porosità attraverso un trattamento termico. Nel caso delle vetroceramiche, il ciclo deve anche controllare la nucleazione e la crescita delle fasi cristalline.
La finestra termica dovrà essere scelta con attenzione. Una temperatura insufficiente può lasciare porosità residua e una struttura meccanicamente debole. Una temperatura troppo alta o mantenuta per un tempo eccessivo può provocare deformazione, crescita incontrollata dei cristalli o modifica delle proprietà previste.
La cristallizzazione può inoltre cambiare densità e volume del materiale. FGK e D3-AM GmbH dovranno quindi distinguere il ritiro prodotto dall’essiccazione, quello associato alla sinterizzazione e quello derivante dalla trasformazione del vetro in vetroceramica.
Il controllo del ritiro e della precisione geometrica
Il ritiro non è necessariamente un problema, purché sia uniforme, prevedibile e ripetibile. Il modello digitale può essere ingrandito prima della stampa per compensare la riduzione dimensionale prevista durante il trattamento termico.
La compensazione diventa però difficile quando il ritiro varia tra le direzioni di stampa oppure tra zone con spessori differenti. Una parete massiccia e una struttura reticolare possono asciugarsi e consolidarsi con velocità diverse, causando distorsioni locali.
FGK e D3-AM GmbH dovranno costruire modelli di compensazione basati su provini, geometrie campione e componenti dimostrativi. Le misure dovranno essere ripetute su più lotti per verificare se il processo produce lo stesso risultato nel tempo.
Per componenti destinati alla metrologia, all’ottica o alla produzione di semiconduttori non è sufficiente misurare le dimensioni esterne. Sarà necessario analizzare planarità, parallelismo, rettilineità, forma delle superfici, posizione dei canali interni e variazioni locali del materiale.
La produzione additiva potrebbe essere affiancata da lavorazioni finali come rettifica, lappatura e lucidatura. La stampa 3D fornirebbe in questo caso una preforma vicina alla geometria richiesta, mentre le superfici funzionali verrebbero portate alle tolleranze finali con processi sottrattivi.
Possibili applicazioni nella produzione di semiconduttori
Nel settore dei semiconduttori, le variazioni di temperatura possono modificare la posizione relativa tra wafer, sistemi ottici, sensori e strutture di movimentazione. Materiali con bassa espansione termica vengono utilizzati per limitare questi spostamenti e mantenere la precisione delle apparecchiature.
La tecnologia sviluppata da FGK e D3-AM GmbH potrebbe essere valutata per supporti, telai metrologici, elementi di posizionamento, strutture alleggerite e componenti destinati a sistemi ottici o di ispezione.
La produzione additiva permetterebbe di integrare nervature, cavità e strutture reticolari all’interno dello stesso componente. In questo modo sarebbe possibile ridurre la massa senza rinunciare alla rigidezza richiesta. Una massa inferiore può facilitare il controllo dei movimenti e ridurre l’inerzia dei sistemi di posizionamento.
Per entrare in questo settore, FGK e D3-AM GmbH dovranno però dimostrare non soltanto la stabilità termica, ma anche pulibilità, rilascio di particelle, compatibilità con il vuoto, comportamento nel tempo e capacità di mantenere tolleranze strette dopo ripetuti cicli termici.
Impieghi nel settore aerospaziale e nelle applicazioni ottiche
Nel comparto aerospaziale e spaziale, la combinazione tra peso ridotto e stabilità dimensionale è importante per supporti ottici, strutture di misura, telai di strumenti e componenti esposti a variazioni di temperatura.
Le geometrie alleggerite ottenibili mediante produzione additiva possono ridurre il materiale presente nelle zone che non contribuiscono alla funzione strutturale. Reticoli, superfici giroidali e nervature interne permettono di distribuire il materiale secondo i carichi previsti.
La possibilità di stampare canali interni potrebbe essere utilizzata anche per la gestione termica. Il comportamento finale dipenderebbe però dalla conducibilità della vetroceramica, dalla qualità delle pareti, dalla porosità residua e dalla possibilità di pulire o ispezionare i passaggi interni.
Per le applicazioni ottiche, un altro tema è la qualità superficiale. La superficie prodotta direttamente dalla macchina LAB II di D3-AM GmbH potrebbe non essere adatta a una funzione ottica senza lavorazioni successive. Il progetto dovrà quindi stabilire quanto materiale lasciare sulle superfici da rettificare o lucidare e come evitare che la lavorazione esponga pori o difetti interni.
I vantaggi potenziali rispetto ai processi convenzionali
La lavorazione meccanica delle vetroceramiche può richiedere utensili dedicati, tempi lunghi e numerose fasi di finitura. La rimozione di grandi quantità di materiale per ottenere strutture alleggerite aumenta costi, scarti e durata del ciclo produttivo.
La formatura convenzionale può essere efficiente per geometrie semplici e volumi elevati, ma richiede stampi e attrezzature. Canali interni curvi, cavità chiuse, reticoli e variazioni continue dello spessore possono richiedere più componenti separati da assemblare.
Il processo studiato da FGK e D3-AM GmbH potrebbe ridurre il numero di parti, integrare più funzioni nello stesso elemento e consentire la produzione di piccoli lotti senza realizzare uno stampo dedicato.
Il vantaggio economico non è però automatico. Deve essere calcolato considerando preparazione del materiale, tempo di stampa, essiccazione, trattamento termico, tasso di scarto, controlli, finitura e durata complessiva del ciclo.
I dati che FGK e D3-AM devono ancora rendere disponibili
La collaborazione tra FGK e D3-AM GmbH si trova in una fase di sviluppo e qualificazione. Non sono stati pubblicati valori specifici relativi alla vetroceramica per densità finale, porosità, resistenza meccanica, coefficiente di espansione termica, precisione dimensionale o rugosità superficiale.
Mancano anche indicazioni sulla dimensione massima dei componenti effettivamente prodotti in vetroceramica, sul ritiro dopo il trattamento termico, sulla percentuale di pezzi conformi e sulla ripetibilità tra diverse sessioni di stampa.
Per valutare l’impiego industriale saranno necessari provini standardizzati e dimostratori rappresentativi. FGK e D3-AM GmbH dovranno misurare le proprietà in diverse direzioni, verificare l’uniformità all’interno del volume di costruzione e controllare eventuali differenze tra la superficie e il centro dei componenti.
Un ulteriore passaggio sarà il confronto con pezzi ottenuti attraverso processi convenzionali. La stampa 3D dovrà offrire un vantaggio misurabile in almeno uno degli aspetti rilevanti: geometria, massa, tempi di sviluppo, numero di componenti, consumo di materiale o costo per piccoli lotti.
Un progetto orientato alla qualificazione industriale
La collaborazione unisce due competenze complementari. Forschungsinstitut für Glas | Keramik GmbH dispone delle conoscenze necessarie per formulare, trattare e caratterizzare vetri e ceramiche. D3-AM GmbH porta nel progetto la tecnologia Micro Particle Jetting, la piattaforma LAB II e l’esperienza del Durst Group AG nello sviluppo di sistemi inkjet.
Il risultato dipenderà dalla capacità di FGK e D3-AM GmbH di controllare ogni fase della produzione. La precisione della deposizione deve essere accompagnata da un’essiccazione uniforme, da un ciclo termico stabile e da una cristallizzazione ripetibile.
La stampa 3D di componenti vetroceramici dimensionalmente stabili potrebbe aprire possibilità interessanti per strutture alleggerite, parti con canali interni e componenti personalizzati. Prima di una diffusione produttiva, FGK e D3-AM GmbH dovranno però dimostrare prestazioni, ripetibilità e sostenibilità economica attraverso dati misurabili e prove su componenti rappresentativi delle applicazioni finali.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)