La stampa metal 3D batte regolarmente la stampa 3d FDM su quasi tutti i fronti, ma la plastica emerge ancora vittoriosa in due battaglie: i costi e le possibilità di rimozione della struttura di supporto.
Infatti, mentre le strutture di sostegno in metallo devono essere rimosse attraverso una difficile lavorazione (che avolte danneggia la stampata), l’accuratezza delle stampe di plastica grazie ai supporti solubili – come ad esempio i supporti PLA o per le parti ABS, che vengono rimossi con una miscela di idrossido di alcool isopropilico e potassio che lascia intatto l’ ABS.
Ma anche in questo senso, la stampa 3D metal potrebbe rimontare lo svantaggio. Alcuni ricercatori hanno appena completato un test con strutture in acciaio al carbonio solubili, che fungono da supporto per le stampe 3d in acciaio inox.Primo tentativo nel suo genere il supporto metallico solubile viene rimosso con una tecnica di attacco elettrochimico con acido nitrico e gorgogliare e ossigeno – senza intaccare l’acciaio inox.
Questo notevole passo avanti è stato dettagliato in un articolo intitolato Dissolvable Metal Supports for 3D Direct Metal Printing, nel quale una struttura metallica con una inclinazione di 90 gradi è in mostra. Secondo gli autori Owen Hildreth (Arizona State University), Abdalla Nassar e Timothy Simpson, (Pennsylvania State University), e Kevin Caccia (Naval Surface Warfare Center), questa scoperta potrebbe aprire la strada a significative innovazioni nella stampa 3D metal. In particolare, credono che ridurrà drasticamente la quantità di post-elaborazione che è necessaria – che potrebbe migliorare notevolmente la capacità della tecnologia per la produzione di strutture molto complesse.
Come spiegano i ricercatori, le innovazioni reali di produzione sono innumerevoli come per esempio le superfici sporgenti, che richiedono strutture di supporto per ridurre al minimo la distorsione indotta termicamente. Purtroppo, queste richiedono una vasta lavorazione post-processo per rimuovere i supporti . Ma, come rivelano, c’è un precedente per un supporto metallico solubile: gli anodi sacrificali. “Gli anodi sacrificali sono spesso utilizzati per proteggere le parti importanti dalla corrosione galvanica quando due metalli diversi sono in contatto con un elettrolita o se lo stesso materiale viene esposto a diversi ambienti elettrolitici (ad esempio, sopra e sotto la linea di galleggiamento dello scafo di una nave),” spiegano. “Un anodo sacrificale è un materiale con un potenziale di riduzione più negativo rispetto al materiale che verrà preferenzialmente ossidato .”
Traslandoo questo concetto alla stampa metal 3D, hanno combinato un materiale strutturale chimicamente resistente (acciaio inox AISI tipo 431) con un metallo sacrificale con una minore resistenza chimica: (acciaio dolce) l’acciaio al carbonio Metco 91. Invece di usare le acque salate del mare, questo acciaio dolce viene rimosso con una soluzione di acido nitrico. “L’acciaio inossidabile ha un’ottima resistenza all’acido nitrico, mentre l’acciaio al carbonio viene rapidamente chimicamente sciolto dall’ acido nitrico, con o senza una polarizzazione esterna”,
Per illustrare questo straordinario processo, hanno realizzato un prototipo ponte stampato su una Optomec Laser Engineered Net Shaping [LENS] MR-7 3D con due alimentatori in polvere, che utilizza il sistena DED . “Nei processi DED AM, la polvere di metallo viene soffiata da un filo alimentato in un pool di fusione formato da un raggio laser o di elettroni. Questo materiale aggiunto aumenta la riserva di fusione, e le parti sono costruite layer-by-layer spostando il substrato rispetto alla testina “, spiegano.
In particolare, hanno stampato in 3d un massello di acciaio, di cui il terzo medio del componente è stata fatto dall’ acciaio al carbonio Metco 91, circondano su tre lati da acciaio inossidabile depositato (compresa la parte superiore). Dopo la stampa 3D, questo blocco è stato esposto all’acido nitrico attraverso un attacco elettrochimico – inizialmente in assenza di ossigeno. “Immediatamente prima della reazione elettrochimica , i campioni sono stati immersi in acetone ed infine essiccati con Azoto,” aggiungono.
Ma i risultati iniziali non erano così impressionante : “La velocità di attacco è troppo lenta per le applicazioni pratiche, ci sono voluti 10 h per rimuovere 1,4 millimetri di acciaio al carbonio da ogni estremità”, dicono. “Abbiamo aumentato la velocità di attacco in modo significativo facendo gorgogliare l’ossigeno sulla sezione in acciaio al carbonio Metco 91. L’Ossigeno gassoso aiuta a rompere l’ acciaio al carbonio passivato, e una corrente anodica si sviluppa. Questo aumenta la velocità di attacco drasticamente, e le rimanenti 7 mm di sezione di acciaio al carbonio sono state rimosse in 6 ore, “rivelano.
Con quella piccola modifica, le strutture di supporto solubili diventano improvvisamente praticabili. ”
I ricercatori ritengono che questo stesso principio può essere applicato ad una gamma molto ampia di metalli e anche ossidi, mediante dissoluzione chimica selettiva. Ma ci sono ovviamente alcune condizioni che devono essere soddisfatte. “In particolare, l’anodo sacrificale deve essere metallurgicamente compatibile con il materiale della componente: deve avere struttura cristallina simila conducibilità termica simila, e simile coefficiente di dilatazione termica, e dovrebbe evitare la formazione di componenti intermetallici indesiderati. Questa compatibilità garantisce che l’interfaccia tra l’anodo sacrificale e il componente sarà meccanicamente abbastanza forte per gestire le sollecitazioni provocate dal ciclo termico estremo che si verifica nella stampa DED dei metalli, “dicono. “Inoltre, un elettrolita corrosivo deve essere identificato in modo da scioglie l’anodo sacrificale con elevata selettività (> 100: 1 preferito). Rispetto al materiale del componente”
Ma se si verificano tali circostanze, questa scoperta potrebbe certamente aprire la strada a molte più opportunità nella stampa 3d metal . Skylar Tibbits del MIT era molto impressionato. “Questo innovativo approccio utilizzando la Directed Energy Deposition per la stampa 3D di componenti metallici solubili, senza la necessità di operazioni di lavorazione per rimuovere i materiali di supporto sacrificali, crea opportunità per i nuovi tipi di applicazioni,” ha detto. “Sono entusiasta di vedere quali effetti questa ricerca avrà sul futuro della stampa in metallo.”