La stampa 3D in ceramica rappresenta una potenziale rivoluzione per molti settori industriali. Dall'aerospaziale al dentale passando per difesa e semiconduttori le possibilità di realizzare geometrie complesse e ad alta definizione con materiali al 99% ceramici è realtà.
STAMPA 3D CERAMICA
Grazie alla stampa 3d ceramica possiamo realizzare prototipi con materiali tecnici speciali come aluminia e zirconia con geometrie complesse e alta risoluzione.
Il processo di stampa 3D ceramica
Partendo da un modello CAD, il primo passo nel processo di stampa 3D è, come per le stampe 3D in materiale plastico, la preparazione del lavoro e l’ottimizzazione del design. Le informazioni per il lavoro di stampa vengono trasferite digitalmente direttamente dal computer a una stampante 3D. Il processo di costruzione del prototipo è sempre un processo che procedere per layer, quanto più sottili sono i layer tanto più preciso e dettagliato è il risultato finale.
Al termine del processo di stampa otteniamo quello che viene comunemente chiamato pezzo verde e che dovrà poi essere trattato termicamente per rimuovere il legante chimico e ottenere componenti ceramici completamente densi. Il risultato finale è dunque un componente ceramico puro al 99% con caratteristiche termiche e meccaniche ad alte prestazioni.
Applicazioni
Grazie alle proprietà eccellenti, la stampa 3D ceramica viene utilizzata in numerosi settori industriali, aerospaziale, medico, automobilistico ed elettronico.
Nel settore aerospaziale per esempio le aspettative sono elevatissime. Ad oggi la stampa 3D ceramica soddisfa numerose richieste relative a veicoli senza pilota, ma l’obiettivo finale potrebbe essere benissimo quello di incrementare le performances di satelliti, strumentazione ottica e di misura. Infatti il vantaggio principale dell’uso dei materiali ceramici è la possibilità di ridurre la massa, il peso e il volume delle apparecchiature.
Buoni riscontri in campo medicale vengono da reparti quali quello dentale, ortopedico, maxillo-facciale e della chirurgia plastica. I materiali utilizzati nella stampa 3D ceramica infatti hanno prestazioni ottimali in termini di biocompatibilità, capacità osteoconduttiva e riassorbimento.
Le proprietà meccaniche, elettriche, termiche e chimiche altamente specifiche trovano vasto impiego in diversi settori industriali: chimica, petrolio e gas, trattamento delle acque, elettronica, automobilistica.
Dal momento che l’isolamento elettrico e la conduzione ionica sono le caratteristiche principali dei materiali ceramici stampati in 3D questa tecnologia può essere impiegata per la prototipazione di supporti rigidi per dispositivi elettronici, alloggiamenti per componenti, parti per emettitori infrarossi, bobine di induzione.
I vantaggi
Personalizzazione di massa a costi contenuti grazie a una facile scalabilità
I processi di produzione tradizionali come lo slipcasting richiedono stampi e attrezzature costosi per ogni componente. Con la stampa 3D ceramica i dati CAD possono essere adattati istantaneamente ai desideri del cliente. L’approccio alla produzione in lotti combina la possibilità di personalizzazione con tutti i vantaggi della produzione industriale di massa.
Accelera il time-to-market senza le tradizionali attrezzature
Eliminando la necessità di strumenti costosi, le modifiche al progetto possono essere apportate direttamente ai dati CAD. I test sui prodotti sono accelerati e il time-to-market è notevolmente ridotto.
Ciò conferisce alla tecnologia di stampa 3D ceramica un vantaggio competitivo decisivo nel rispondere rapidamente alle nuove opportunità di vendita. Inoltre, si risolve il problema della sformatura delle geometrie e riduce il rischio di errori causati dalle macchine, soddisfacendo allo stesso tempo tutte le esigenze in termini di proprietà ceramiche dei pezzi finiti.
Aumento delle vendite grazie a un design intelligente e funzionale
Nella progettazione delle applicazioni la stampa 3D per materiali ceramici supera i limiti delle tecnologie convenzionali. Il miglioramento del prodotto e l’ampliamento delle funzionalità non solo aumentano il valore del prodotto per i clienti esistenti, ma offrono anche un vantaggio competitivo decisivo nel rapido sviluppo di nuove opportunità di vendita.
Da cosa dipendono tempi e costi di realizzazione?
Dipendono da materiale, dimensioni, volume, geometria, quantità e durata dei cicli termici. Incidono inoltre tolleranze, campioni di compensazione, controlli dimensionali, rilavorazioni e finiture richieste.
La stampa 3D ceramica è adatta anche alle piccole produzioni?
Sì. Consente di realizzare prototipi, varianti geometriche e piccole serie senza investire immediatamente in uno stampo. Per quantità elevate e geometrie stabili deve essere confrontata con processi come stampaggio o lavorazione da semilavorato.
È possibile eseguire lavorazioni o finiture dopo la sinterizzazione?
Sì. Superfici funzionali, sedi, piani o diametri possono essere rettificati, lappati o lucidati quando il progetto lo consente. Le lavorazioni sulla ceramica sinterizzata richiedono utensili dedicati e devono essere limitate alle zone realmente necessarie.
I componenti possono essere utilizzati in alto vuoto o per realizzare tenute ermetiche?
La ceramica sinterizzata presenta elevata densità e può risultare compatibile con ambienti ad alto vuoto. L’ermeticità dipende però anche da geometria, superficie, giunzioni e sistema di tenuta e deve essere verificata con prove specifiche.
In quali condizioni operative possono essere utilizzati i componenti?
Le ceramiche tecniche sono adatte ad alte temperature, isolamento elettrico, usura, corrosione e ambienti chimicamente aggressivi. Trovano applicazione anche in elettronica, semiconduttori, aerospazio, dispositivi medicali e sistemi ad alto vuoto.
Il componente finale è una resina caricata con ceramica?
No. Dopo la stampa, il pezzo viene sottoposto alla rimozione del legante e alla sinterizzazione. Il risultato è un componente ceramico denso, le cui proprietà dipendono dal materiale e dal grado di purezza indicati nella relativa scheda tecnica.
È possibile produrre canali interni e cavità chiuse?
Canali interni e geometrie cave sono realizzabili quando sono presenti aperture adeguate per eliminare il materiale residuo. Cavità completamente chiuse, passaggi molto lunghi o sezioni estremamente ridotte richiedono una verifica specifica.
È possibile realizzare fori con diametro inferiore a un millimetro?
Sì, sono valutabili anche fori passanti inferiori al millimetro. Il diametro minimo dipende però dalla profondità, dal rapporto tra diametro e lunghezza, dall’orientamento e dalla possibilità di liberare completamente il foro dopo il processo.
Il ritiro durante la sinterizzazione viene compensato?
Sì. Il modello viene maggiorato considerando il ritiro previsto nelle diverse direzioni. Quando sono richieste tolleranze strette può essere necessario produrre, misurare e correggere un primo campione prima di stabilizzare i parametri.
Quali tolleranze dimensionali si possono ottenere?
Le tolleranze dipendono da dimensioni, geometria, orientamento e distribuzione degli spessori. Su componenti piccoli e ben bilanciati possono essere valutate tolleranze nell’ordine di ±0,05 mm, mentre geometrie più grandi richiedono margini più ampi.
Quali sono le dimensioni massime realizzabili?
Il volume nominale di costruzione arriva indicativamente a 150 × 100 × 50 mm. Le prestazioni dimensionali migliori si ottengono tuttavia su componenti più piccoli; parti lunghe, massicce o con spessori non uniformi devono essere valutate singolarmente.
Quali informazioni servono per valutare la fattibilità di un componente?
Occorrono il modello CAD 3D, il numero di pezzi, il materiale richiesto e un disegno 2D con quote e tolleranze critiche. Devono inoltre essere indicate temperatura, carichi, agenti chimici, requisiti elettrici e condizioni ambientali.
Qual è la differenza tra alumina e zirconia?
L’alumina offre elevata durezza, isolamento elettrico, stabilità termica e resistenza all’usura e alla corrosione. La zirconia presenta una maggiore tenacità alla frattura ed è preferibile quando il componente deve sopportare urti o sollecitazioni meccaniche più severe.
Quali materiali ceramici sono disponibili?
I principali materiali disponibili sono Alumina e Zirconia. Il materiale viene scelto considerando isolamento elettrico, temperatura, resistenza chimica, usura, tenacità, biocompatibilità e condizioni operative.
Quando conviene scegliere la stampa 3D ceramica?
È indicata per componenti piccoli e complessi, con canali, cavità, pareti sottili o dettagli difficili da ottenere mediante lavorazione meccanica. Per geometrie semplici, piane o ricavabili da lastra può risultare più conveniente la fresatura della ceramica.