Stampa 3D col rame

3D printing copper

Il rame è sempre stato un materiale molto popolare grazie alla sua conduttività termica ed elettrica. Recenti sviluppi hanno aperto nuove possibilità alla fabbricazione additiva.

Il rame è un materiale di grande interesse per le sue proprietà di conducibilità e per la sua elevata malleabilità.

Queste stesse proprietà ne hanno inibito l’applicazione nella stampa 3D. Ora, invece, la situazione è cambiata.

La tecnica più comune per la stampa 3D del rame è la Powder Bed Fusion. Usa travi elettroniche per fondere le polveri e “incollare” il materiale. Quando la temperatura scende, il materiale si solidifica.

I processi più popolari di Powder Bed Fusion sono noti come Selective Laser Sintering (SLS), per materie plastiche, e Selective Laser Melting (SLM), per i metalli.

Nonostante l’SLM sia un eccellente processo di stampa per molti metalli, la stampa 3D col rame ha presentato delle sfide particolari.

Le proprietà di conducibilità del materiale fanno sì che il calore dei raggi elettronici venga riflesso anziché assorbito.

Un altro problema ricorrente è il fatto che la parte stampata si frantuma quando la sua temperatura scende troppo velocemente e/o troppo in basso.

Verso una soluzione: laser verde e preriscaldamento

Durante lo scorso anno, i ricercatori dell’Istituto Fraunhofer in Germania hanno sfidato lo status quo e sviluppato una tecnica che ha reso possibile la stampa 3D di componenti in rame di alta qualità.

La loro soluzione consisteva nell’impiegare un laser verde invece di un laser ad infrarossi in una macchina SLM. Un processo semplice?

Non proprio. Laser è l’acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. In breve, i laser sono fonti di luce caratterizzate dalla loro lunghezza d’onda nel vuoto. Ogni tipo di laser proietta un fascio concentrato che viene amplificato mediante radiazione stimolata.

La luce di questo laser verde per stampanti SLM, sviluppata dall’istituto tedesco, viene assorbita meglio dal rame, facilitando la fusione del materiale.

Nonostante ciò, il problema della frammentazione dovuta alla caduta di temperatura era ancora presente. La soluzione era preriscaldare il materiale prima di iniziare il processo di stampa, una tappa sufficiente per evitare un forte calo di temperatura.

Questa tecnica rappresenta la prima vera alternativa alla stampa 3D in rame, offrendo una fantastica opportunità per i produttori.

Il produttore di macchine TRUMPF ha impiegato queste tecnologie nella sua nuova macchina, la TruPrint 5000.

Questa macchina utilizza TruPrint Laser Metal Fusion (LMF), un laser verde e preriscalda il materiale a 500 ° C.

La TruPrint 5000 è stata dimostrata al Formnext, fiera della stampa 3D a Francoforte nel Novembre 2018.

La macchina può stampare anche altri metalli preziosi, non solo il rame.

green laser

Lo strato di rame in polvere viene esposto a un laser verde durante il processo di stampa 3D SLM. Fonte: Fraunhofer ILT

Polvere di rame

Se le sfide per la stampa con il rame vengono effettivamente superate, il rame ha il potenziale di essere ampiamente adottato nella produzione additiva.

Come sottolineato: il rame ha interessanti proprietà termiche e insieme ai vantaggi della fabbricazione additiva, in particolare: la libertà di progettazione, che rende il processo di FA vantaggioso per molte applicazioni termiche.

Per anticipare la domanda di rame nell’FA, diverse aziende stanno sviluppando polveri speciali di rame e leghe di rame per il mercato della stampa 3D, in particolare Heraeus, Oerlikon e Stratasys.

Heraeus

Heraeus è un gruppo tecnologico tedesco specializzato in metalli preziosi e rari, tra cui il rame. La loro divisione di fabbricazione additiva sta lavorando su una gamma di metalli preziosi per la stampa 3D.

Il gruppo ha sviluppato una polvere di rame altamente conduttiva con una densità di rame solido del 99,8 percento e una conduttività di circa il 95 percento di IACS (International Annealed Copper Standard. Circa l’85 percento di IACS è tipico sul mercato).
Heraeus ha presentato i suoi componenti in rame stampati in 3D altamente conduttivi al Formnext 2018.

Oerlikon

Oerlikon è un gruppo tecnologico quotato con sede a Pfäffikon, Svizzera. E’ un produttore di materiali per l’industria aerospaziale, automobilistica, energetica e degli utensili. Negli ultimi anni, hanno iniziato a sviluppare polveri metalliche per la produzione additiva presso la loro sede di FA. La loro gamma di materiali include leghe di nichel, leghe cromo-cobalto e leghe d’acciaio. il CuNi2SiCr è la loro lega di rame termicamente curabile, sviluppata appositamente per essere applicata nell’FA.

Stratasys

Anche il produttore di macchinari e materiali Stratasys offre il rame come materiale di stampa 3D: il rame (C18150) ed una lega di cromo zirconio rame (CuCr1Zr).
Il materiale è stato testato con aziende aerospaziali.

Applicazioni

Il rame è un metallo morbido, malleabile e duttile. Il rame è un metallo nativo con una colorazione rosso-arancio. Ha conducibilità termica ed elettrica molto elevate.

Le applicazioni del rame sono:

  • cablaggio elettrico: il rame è un conduttore di calore ed elettricità, materiale da costruzione per coperture, impianti idraulici, elementi decorativi e sculture (ad esempio, la Statua della Libertà è realizzata in rame). Il rame si ossida e diventa di colore verde chiaro.
  • componente di varie leghe metalliche, come bronzo (una lega di rame-stagno) e ottone (una lega di rame-zinco) e argento (lega di argento-rame)
  • macchinari e motori
  • applicazioni marine: il rame è biostatico, i batteri o altre forme vive non cresceranno su di esso. È stato utilizzato nelle spedizioni per impedire la distruzione degli scafi
  • lavandini, rubinetti, maniglie delle porte, corrimano ecc. Poiché il rame è biostatico, viene utilizzato (in varie leghe) in apparecchi gestiti da molte persone, per evitare la diffusione di batteri.

 

Conclusione

In sintesi, la stampa 3D col rame sta rapidamente diventando una realtà. Gli ostacoli tecnici sono in via di superamento e le grandi aziende stanno sviluppando varie leghe di rame in previsione della domanda sul mercato.

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