Secondo la definizione dettata dalla norma ASTM F2792-10, la fabbricazione additiva contempla le tecnologie che sfruttano un “processo di unione di materiali per ottenere oggetti da modelli 3d, usualmente attraverso deposizione di strati successivi, al contrario delle di fabbricazione sottrattiva quali le tradizionali lavorazioni alle macchine utensili”. Gli specifici processi adatti ai metalli che rientrano in questa definizione sono molteplici ed esiste un’ampia varietà di termini ed acronimi per distinguerli, come illustrato in figura. Dall’inglese, il termine Additive Manufacturing viene comunemente adottato in ambito industriale/tecnico mentre l’indicazione di stampa 3D è correntemente utilizzata in ambiti meno scientifici.

Le diverse tecnologie AM

Nell’ampio panorama delle tecnologie additive, è conveniente fare riferimento ad alcune principali famiglie che consentono di inquadrarne le più importanti caratteristiche:

• Deposizione diretta / Direct metal deposition
• Deposizione da letto di polveri / Powder bed deposition
• Processi ibridi / Hybrid processes

I processi di deposizione diretta prendono origine da tecniche relativamente consolidate quali il laser cladding, la deposizione con sistemi di placcatura mediante plasma ad arco trasferito (PTA) oppure  ad arco con elettrodo in tungsteno (TIG), originariamente utilizzati per produrre rivestimenti superficiali relativamente spessi, ora spinti alla creazione di spessori rilevanti, spesso per ottenere pareti estese o volumi pieni.

    

[fonte: www.twi-global.com]

Molte delle applicazioni basate sulla deposizione diretta sono state sviluppate anche per grandi strutture con approcci sfruttando la generazione di nuovi volumi attraverso la fusione di polvere metallica oppure di filo (rispettivamente: «powder blown deposition» o «wire deposition»).

I processi di deposizione da letto di polvere si basano invece sulla rifusione localizzata di strati successivi di polvere, stesi e trattati mediante un fascio laser oppure di elettroni, in modo da creare un volume tridimensionale. il processo viene svolto all’interno di una camera di dimensioni relativamente contenute (un volume tipico di costruzione del pezzo può per esempio essere 250 x 250 x 250 mm³) in atmosfera di gas inerte oppure sotto vuoto nel caso del fascio elettronico.

[fonte: ge-energy.com]

Infine si citano i processi ibridi combinano tecniche di deposizione diretta con tecniche sottrattive più classiche in un unico centro di lavoro per fabbricare parti meccaniche e completarle con le necessarie lavorazioni di finitura.

[fonte: dmgmori.com]

Vantaggi e svantaggi delle tecnologie additive nei metalli

Tra i principali benefici offerti dalle tecnologie additive si elencano:

• maggiore libertà di design rispetto ai processi tradizionali quali fonderia o lavorazioni alle macchine utensili
• alleggerimento delle strutture reso possibile dall’uso di strutture trabecolari e dall’uso di parti a sezione variabile, utilizzando il materiale solo dove questo è necessario ai fini della resistenza
• nuove funzioni quali la possibilità di implementare canali interni a geometria complessa o di produrre insiemi di parti pre-assemblate in un’unica fase
• fabbricazione net shape, con minimo scarto di materiale rispetto alle lavorazioni sottrattive, importante per materiali costosi o particolarmente difficili da lavorare
• produzione senza la necessità di stampi o altre attrezzature
• cicli di produzione (dal design alla parte finita) molto rapidi, ove la complessità geometrica influenza in misura marginale i tempi di fabbricazione.

Considerando queste caratteristiche, I processi AM si rivelano ottimali per le produzioni di parti complesse in piccolo serie. È inoltre bene considerare anche gli aspetti meno favorevoli associati alla fabbricazione additiva:

• dimensione delle parti: per i processi a letto di polvere limitata dalla dimensione della camera. Le dimensioni possono essere anche maggiori per i processi basati su deposizione diretta
• Per parti di dimensioni rilevanti, considerando il basso spessore del singolo layer (ordine di grandezza di poche decine di micron), il processo può risultare molto lungo e di conseguenza anche costoso
• I processi sono quindi inadatti a produzioni in grandi o medie serie, risultando invece appropriati per produzioni di parti singole/personalizzate o in piccoli lotti
• Per i sistemi a letto di polvere, il design di forme libere implica tuttavia l’utilizzo di supporti quando le superfici hanno genericamente inclinazione inferiore a 45°
• Sono disponibili diverse opzioni per la scelta dei materiali ma solo all’interno delle leghe classificate genericamente come saldabili
• Le caratteristiche dei materiali sono anisotrope, mostrando in particolare una differenza tra le proprietà lungo l’asse verticale e quelle nel piano di deposizione
• Con densità vicine al 100% del valore teorico, le parti hanno proprietà meccaniche superiori a quelle di analoghe leghe ottenute da getti e confrontabili con leghe da deformazione plastica; possono tuttavia contenere rilevanti tensioni residue da rimuovere eventualmente con adatti trattamenti termici