Stampa MJF e SLS: confronto tra stampanti 3D a fusione su letto di polvere di plastica

Pur non essendo un'invenzione recente, la tecnologia di stampa 3D a fusione su letto di polvere è una delle sottocategorie del settore della stampa 3D che cresce più rapidamente. I due metodi più popolari per la stampa 3D in polvere di plastica sono la sinterizzazione laser selettiva (SLS) e la tecnologia a fusione multi-getto (MJF).

Grazie alle innovazioni in ambito di hardware, software e materiali, i produttori di stampanti 3D stanno ampliando il campo di applicazione delle stampanti 3D SLS e MJF, arrivando a includere la produzione con volumi ridotti di parti per utilizzo finale, la prototipazione funzionale, gli strumenti di produzione e le parti sostitutive. Queste due tecnologie a fusione su letto di polvere presentano vantaggi e svantaggi specifici. Perciò, prima di optare per l'una o per l'altra, è necessario considerare fattori quali i costi, l'ingombro, l'applicazione prevista e la capacità in termini di volume.

In questa guida discuteremo di come funziona ognuna di queste tecnologie, inclusi i loro vantaggi e svantaggi, e delle diverse applicazioni in cui possono essere utilizzate al meglio.

Le stampanti a fusione su letto di polvere hanno dimensioni solitamente più grandi rispetto alle comuni tecnologie di modellazione a deposizione fusa (FDM) o di stereolitografia (SLA), e sono quindi più adatte alla produzione di molte parti per stampa. La camera di stampa e la natura autoportante del letto di polvere permettono di impilare le parti in verticale e nidificarle tra loro. Questa caratteristica consente agli operatori delle stampanti 3D SLS o MJF di sfruttare al meglio lo spazio e posizionare nella camera il maggior numero possibile di parti. L'assenza di strutture di supporto significa anche che la post-elaborazione sarà più semplice e richiederà meno manodopera, consentendo una produzione di parti sempre uniforme e su larga scala.

Ad esempio, nelle stampanti 3D SLS serie Fuse di Formlabs, questa funzione è diventata automatica grazie a un algoritmo di posizionamento ottimizzato che orienta le parti in modo da riempire ogni centimetro disponibile. Una camera di stampa completamente riempita permette anche di allineare la densità di stampa al tasso di rigenerazione, in questo modo tutta la polvere non sinterizzata può essere riutilizzata per un workflow di stampa senza sprechi. 

In sintesi, la stampa 3D a fusione su letto di polvere con una camera di stampa completamente riempita consente di abbattere il costo per parte nei seguenti modi:

• Producendo più parti con meno stampe, aumentando l'efficienza complessiva e riducendo i tempi di realizzazione.
• Ottimizzando la quantità di polvere non sinterizzata per ridurre al minimo gli sprechi o eliminarli del tutto.

Il principale gruppo di materiali usato nella stampa SLS e MJF è il nylon, una termoplastica ingegneristica altamente efficace adatta sia alla prototipazione funzionale sia alla produzione per utilizzo finale, impiegata per un'ampia gamma di prodotti industriali e beni di consumo odierni. Il nylon è in grado di resistere ai raggi UV, alla luce, al calore, all'umidità, ai solventi, agli sbalzi termici e all'acqua. Le parti stampate in 3D in nylon possono anche essere biocompatibili e non sensibilizzanti, il che significa che sono idonee al contatto con la pelle e sicure da usare in numerosi ambiti.

Molte aziende che si rivolgono a produttori a contratto o fornitori di servizi esterni per la produzione delle parti non conoscono appieno le differenze tra la tecnologia SLS e MJF, ma hanno comunque familiarità con il materiale. Ciò significa che l'adozione di tecnologie di stampa 3D a polvere risulterà più facile rispetto a molti altri processi.

La stampa 3D SLS è stata la prima tecnologia di stampa 3D su letto di polvere ed è ormai da decenni una scelta diffusa per chi si occupa di ingegneria e produzione. La sinterizzazione laser selettiva è stata inventata nel 1982 da un team di ricerca dell'Università del Texas ad Austin, e si tratta di una tecnologia in cui un laser ad alta potenza sinterizza uno strato sottile di polvere dall'alto per formare una sezione trasversale piena con la geometria desiderata. Dopo ogni strato, la stampante sparge un altro strato sottile di polvere sulla parte superiore della camera di stampa mentre questa si abbassa. In questo modo si crea lo strato successivo. Questo metodo di fusione su letto di polvere laser ha suscitato l'interesse di molti team di produzione, ingegneria e design di prodotto per via del suo costo per parte ridotto, dell'elevata capacità in termini di volume e della familiarità con il materiale.

Le stampanti SLS industriali esistono da decenni e sono state utilizzate negli anni come un qualsiasi altro macchinario pesante o apparecchio industriale. Erano in grado di svolgere in modo eccellente il loro lavoro, ma potevano essere installate esclusivamente in strutture molto grandi, dotate dei giusti finanziamenti e di operatori dedicati. 

Produttori come EOS o 3D Systems progettano questi sistemi per clienti con esigenze molto specifiche. Si tratta di aziende che investono ogni anno grandissime somme, persino milioni, in macchinari e manutenzione e dispongono di magazzini e infrastrutture adatte per la loro installazione. Non si tratta di start-up, piccole aziende o singoli, semplicemente perché le soluzioni di stampa 3D a polvere sono fuori dalla loro portata. 

Negli ultimi anni sono stati compiuti sforzi per ideare soluzioni di stampa 3D SLS meno costose e su scala ridotta, cosa non possibile con la tecnologia MJF, in quanto fornisce solo opzioni di grande formato. 

La stampante Fuse 1 di Formlabs è stata la prima stampante 3D SLS da banco in grado di produrre parti di qualità industriale comparabili a quelle ottenute con i costosi sistemi SLS tradizionali. Grazie a un ingombro dimezzato rispetto a una macchina EOS primo prezzo, un workflow semplificato e una fascia di prezzo accessibile, la Fuse 1 (18 999 $) e la nuova Fuse 1+ 30W (27 999 $) hanno permesso a centinaia di piccoli e medi produttori di adottare la sinterizzazione laser selettiva in-house, e ai grandi produttori di incrementare la capacità delle macchine e decentralizzare alcuni aspetti della produzione.

La stampa 3D a fusione multi-getto è una tecnica di produzione additiva a fusione su letto di polvere che serve a creare parti in maniera simile alla sinterizzazione laser selettiva, ma con un processo leggermente diverso. Per formare le parti, la stampante eroga un agente legante liquido sul letto di polvere attraverso alcuni piccoli ugelli, portando le polveri a uno stato semi-solido e terminando il processo con l'applicazione di calore. La fonte di calore a infrarossi, in seguito, polimerizza la forma a croce semi-solida. Dopo di che, viene depositato un altro strato di polvere e il processo ricomincia daccapo. Il processo è stato inventato nel 2016 da Hewlett Packard (HP) e rimane tuttora brevettato a nome del marchio.

Le stampanti a fusione multi-getto vengono spesso considerate intercambiabili con le stampanti 3D SLS, specialmente nei casi in cui le aziende affidano la stampa 3D delle parti a fornitori di servizi esterni. Questi ultimi offrono molte opzioni di tecnologie di stampa 3D, ma spesso non fanno distinzione tra le due diverse tipologie di parti stampate a fusione su letto di polvere perché le proprietà finali sono piuttosto simili.

Come nel caso delle stampanti 3D SLS, le parti MJF non necessitano di supporti e offrono dunque una maggiore libertà di design, senza i complicati passaggi di post-elaborazione richiesti da altri processi di stampa 3D. La combinazione di agente legante liquido e calore permette di creare parti con proprietà meccaniche quasi identiche a quelle create mediante sinterizzazione laser, e in larga parte sono isotropiche.

HP detiene un brevetto sulla tecnologia di stampa 3D MJF, pertanto le stampanti MJF sul mercato fanno parte della linea di HP: la serie Multi Jet Fusion 3D. HP controlla anche il software brevettato necessario per utilizzare le stampanti. Le stampanti 3D di HP, con una fascia di prezzo che va da 340 000 $ a oltre 500 000 $, permettono di ottenere parti ad alta precisione ma richiedono un maggiore investimento in termini di costi, tempo, manutenzione continua e infrastrutture, come nel caso delle soluzioni di stampa 3D SLS tradizionali. Le stampanti 3D MJF di HP sono usate soprattutto da fornitori di servizi e grandi laboratori di produzione additiva in-house per aziende incluse nella lista Fortune 500 e, per via della loro capacità di produrre parti multicolori, sono spesso al centro di iniziative di produzione avanzata di strutture sanitarie. In passato, HP offriva anche una stampante 3D MJF di formato più piccolo destinata a designer e team di sviluppo di prodotto, ma di recente ne ha sospeso la produzione.

Il workflow per le stampanti SLS e MJF è molto simile: la polvere deve essere mantenuta in un ambiente controllato, sottoposta a post-elaborazione con hardware e strumenti accessori e, per la maggior parte delle stampanti, può essere riciclata in stampe successive. 

Sia le stampanti SLS tradizionali che la stampante 3D MJF di HP richiedono una formazione intensiva per la configurazione iniziale, durante la quale il personale tecnico dell'azienda può istruire l'utente sul workflow e sui passaggi di manutenzione necessari. È inoltre necessario effettuare alcuni passaggi di manutenzione continua tra una stampa e l'altra, pertanto tutti gli addetti a questo compito devono riceve una formazione specifica per ogni macchina. Per la maggior parte delle grandi aziende, le cui stampanti 3D si trovano in un ambiente di produzione insieme a diverse altre macchine avanzate, ciò non comporta costi aggiuntivi. Per le strutture sanitarie, le piccole aziende e gli istituti d'insegnamento, invece, dover aver a disposizione eventuale personale specializzato comporta costi aggiuntivi. 

Al contrario, le stampanti 3D SLS serie Fuse sono pronte all'uso e richiedono una configurazione semplice di una o due ore prima di poter eseguire la prima stampa. In alternativa è disponibile anche una formazione virtuale. Le piccole e medie imprese possono installare stampanti serie Fuse senza l'aiuto di personale tecnico a tempo pieno, grazie alla natura semplificata della post-elaborazione, all'intuitiva configurazione pre-stampa su PreForm, all'assenza di manutenzione giornaliera e all'ingombro ridotto. Un team di design di prodotto può avviare una stampa ed eseguire la post-elaborazione ogni giorno, mantenendo sempre il suo normale workflow.

Sebbene sulla carta le stampanti HP abbiano tassi di rigenerazione leggermente migliori (richiedono circa il 20% di polvere nuova, rispetto al 30% della maggior parte delle stampanti SLS), la loro densità di stampa possibile è molto inferiore (circa il 10%), e questo comporta un volume maggiore di polvere inutilizzata che deve essere riciclata. Anche con un buon tasso di rigenerazione, ad esempio del 20%, viene comunque generata più polvere inutilizzabile rispetto a una stampante SLS con densità di stampa elevate. 

Se le densità di stampa sono ottimali e si crea un ambiente di stampa efficiente, le stampanti SLS possono realizzare workflow senza sprechi, in cui tutta la polvere acquistata viene utilizzata. Con le stampanti HP Jet Fusion Series, gli utenti devono scartare una quantità di polvere pari a quella utilizzata per produrre le parti.

Le stampanti SLS e MJF sono commercializzate come macchine di produzione, caratterizzate da velocità elevata e grandi volumi di stampa e in grado di produrre centinaia di parti in ogni ciclo di produzione. Le stampanti MJF di HP e i sistemi SLS tradizionali hanno grandi volumi di stampa, ma le stampanti HP Multi Jet Fusion sono in grado di stampare più rapidamente di quelle SLS. Infatti, l'erogazione di agente legante e l'esposizione al calore a infrarossi impiegano meno tempo per strato rispetto alla velocità di scansione dei laser impiegati nelle stampanti 3D SLS. 

Tuttavia, la temperatura elevata generata durante la stampa SLS e MJF richiede un processo di raffreddamento più lungo per le stampanti di grandi dimensioni, che può arrivare a durare fino a 48 ore. HP offre una funzione che permette di velocizzare il tempo di raffreddamento delle camere di stampa, ma ha un ingombro notevole e un costo più elevato. Nel complesso, ciò significa che le stampanti MJF possono generalmente avere un rendimento superiore rispetto a quelle SLS di grande formato. Le stampanti SLS più compatte, come la Fuse 1+ 30W, hanno un volume di stampa minore e un tempo di raffreddamento più breve di sole 14 ore per una stampa completa, consentendo così agli utenti di ottenere le parti finite più rapidamente rispetto alla clientela degli apparecchi MJF e SLS di grandi dimensioni.

Anche la scalabilità è un aspetto importante: un'azienda può acquistare otto soluzioni Fuse 1+ 30W complete allo stesso prezzo di una singola HP Jet Fusion 4200, ottenendo un rendimento comparabile. La velocità di stampa migliorata della Fuse 1+ 30W consente anche di raddoppiare la produzione del modello precedentemente generato. La maggior parte dei produttori non possiede prodotti in un solo materiale, di conseguenza la capacità di stampare con più materiali deve essere tenuta in considerazione quando si pensa al rendimento.

Le stampanti SLS e MJF tradizionali richiedono la configurazione di tre prodotti: la camera di stampa, che si inserisce nella stampante, e la postazione di post-elaborazione. Insieme, questi tre componenti occupano uno spazio considerevole e richiedono molte prese elettriche. Le stampanti SLS compatte, come la serie Fuse, permettono di ottenere un workflow semplificato ed efficiente grazie all'inclusione della Fuse Sift, una stazione integrata di recupero, pulizia e riciclaggio della polvere. Le stampanti della serie Fuse non richiedono un cablaggio specializzato e funzionano con una normale alimentazione a corrente alternata. 

Le stampanti MJF presentano un grande vantaggio: la stampa 3D a colori senza passaggi di elaborazione post-stampa. L'agente legante erogato dai getti può includere uno o più colori. Mentre gli utenti SLS devono verniciare, tingere o placcare le parti per ottenere una finitura colorata, gli utenti MJF possono aggiungere l'opzione dei colori direttamente nel software. Nel settore sanitario, le parti a colori hanno grande valore, perché i medici possono ottenere modelli anatomici multi-colore senza manodopera aggiuntiva. 

La produzione di parti a colori, però, è possibile solo sui sistemi più costosi. La maggior parte delle stampanti HP produce parti di colore grigio chiaro e richiede gli stessi passaggi di verniciatura e tintura delle parti SLS. Anche la stampa a colori offre opzioni di finitura superficiale limitate. Di conseguenza, i clienti delle stampanti 3D a polvere decidono spesso di eseguire la finitura e la verniciatura in base ai requisiti delle parti finali.

Quando si commissionano parti a un fornitore di servizi, il prodotto finale può essere praticamente identico, che sia prodotto da una stampante SLS o da una stampante MJF. Per le parti singole o per le nuove aziende impegnate nella produzione del loro primo prodotto, i fornitori di servizi sono un'ottima opzione e le differenze tra le stampanti SLS e MJF non sono rilevanti. Tuttavia, con un volume maggiore, è più conveniente adottare una stampante 3D a fusione su letto di polvere in-house. 

Prima di confrontare le specifiche tecniche (materiali, requisiti di infrastruttura), ogni utente deve prima pensare al costo di investimento iniziale. Le stampanti SLS e MJF sfruttano tecnologie leggermente diverse, hanno dimensioni differenti e ammettono l'uso di cataloghi di materiali diversi, ma la differenza più grande è senza dubbio il prezzo di acquisto. 

La maggior parte delle piccole e medie imprese non può permettersi un investimento iniziale di 340 000 $ per la stampa MJF, senza menzionare i costi operativi e dei contratti di assistenza, che limitano il mercato target di queste macchine ai grandi produttori e ai fornitori di servizi con esigenze di stampa 3D dai volumi elevati e prevedibili.

Esistono più opzioni per la stampa SLS che per la stampa MJF, e data la qualità di stampa comparabile delle due soluzioni, più aziende ricorreranno alla SLS, perché rientra nei loro budget. Fattori come la stampa a colori, la disponibilità dei materiali, il workflow e l'ingombro, una volta stabilito il budget, iniziano a ricoprire un ruolo più importante. Una stampante SLS più compatta come la Fuse 1+ 30W è ideale per un budget più modesto. Rispetto ai costi dell'esternalizzazione, la maggior parte delle aziende impiega solo un paio di mesi per recuperare la spesa di acquisto iniziale. 

Per determinare se le stampanti serie Fuse sono adatte alla tua applicazione, puoi richiedere un campione gratuito dei nostri quattro materiali ad alte prestazioni oppure parlare con uno dei nostri specialisti di stampa SLS oggi stesso.