Tecnologie di stampa 3D a confronto: modellazione a deposizione fusa, stereolitografia e sinterizzazione laser selettiva
La produzione additiva, o stampa 3D, riduce i costi e i tempi e permette di superare i limiti dei processi di fabbricazione nello sviluppo dei prodotti. Da modelli concettuali e prototipi funzionali nei processi di prototipazione rapida fino a dime, fissaggi o addirittura parti destinate all'utente finale nella produzione, le tecnologie di stampa 3D offrono soluzioni versatili e adatte a una vasta gamma di applicazioni.
Negli ultimi anni le stampanti 3D ad alta risoluzione sono diventante meno costose, più affidabili e facili da usare. Di conseguenza, questa tecnologia è ora accessibile a molte aziende, ma la scelta tra le diverse soluzioni 3D disponibili non è sempre facile.
Quale tipo di tecnologia è più adatto per le tue particolari applicazioni? Quali materiali sono disponibili? Di che attrezzature hai bisogno e che tipo di formazione devi svolgere prima di poter iniziare a utilizzare queste stampanti? E quali sono i costi e il ritorno d'investimento?
In questo articolo analizziamo le tre tecnologie di stampa 3D attualmente più in uso per la plastica: modellazione a deposizione fusa, in inglese "fused deposition modeling" (FDM), stereolitografia (SLA) e sinterizzazione laser selettiva (SLS).
Come scegliere una tecnologia di stampa 3D
Non sai quale tecnologia di stampa 3D è più adatta alle tue esigenze? In questa guida confrontiamo le tecnologie di stampa 3D FDM, SLA ed SLS in base alle valutazioni di acquisto più comuni.
Scarica qui la versione in alta risoluzione di questa infografica.
Modellazione a deposizione fusa (FDM)
La modellazione a deposizione fusa è la forma di stampa 3D più diffusa tra i consumatori, soprattutto grazie a un numero crescente di hobbisti. Le stampanti 3D FDM creano le parti fondendo ed estrudendo il filamento termoplastico, che un ugello di stampa deposita strato per strato nell'area di stampa.
La modellazione a deposizione fusa può essere utilizzata con una vasta gamma di termoplastiche standard, ad esempio ABS, PLA e le loro varie miscele. Questa tecnica è adatta per modelli Proof-of-Concept di base, nonché per la prototipazione veloce e a basso costo di parti semplici, come quelle che normalmente vengono lavorate.
Le linee degli strati tendono a essere visibili nelle parti FDM, che possono anche presentare imprecisioni attorno alle caratteristiche complesse. Questo esempio è stato stampato su una stampante 3D FDM industriale di Stratasys uPrint con supporti solubili (macchina a partire da 15 900 $).
La modellazione a deposizione fusa offre una risoluzione e una precisione inferiore rispetto alla stereolitografia e alla sinterizzazione laser selettiva, e non è l'opzione più adatta per la stampa di design complessi o parti con dettagli elaborati. Si possono ottenere delle finiture di alta qualità tramite processi di lucidatura meccanica e chimica. Le stampanti 3D FDM industriali utilizzano supporti solubili per ridurre al minimo queste problematiche e offrire una vasta gamma di termoplastiche ingegneristiche, ma hanno un costo decisamente elevato.
Le stampanti FDM hanno maggiori difficoltà con design complessi o parti con dettagli elaborati (a sinistra) rispetto alle stampanti SLA (a destra).
Stereolitografia (SLA)
La stereolitografia, inventata negli anni '80, è stata la prima tecnologia di stampa 3D al mondo ed è ancora una delle tecnologie più diffuse a livello professionale. La stereolitografia utilizza un laser per polimerizzare la resina liquida in plastica dura: questo processo viene chiamato fotopolimerizzazione.
Scopri come funziona la stereolitografia.
Le parti stampate in stereolitografia presentano una migliore risoluzione e precisione, dettagli più accurati e finiture superficiali più lisce rispetto a tutte le altre tecnologie di stampa 3D, ma il suo vantaggio principale è la versatilità. I produttori di materiali hanno creato innovative formulazioni di resina per la stereolitografia, con una vasta gamma di proprietà ottiche, meccaniche e termiche in grado di imitare quelle delle termoplastiche industriali, standard e ingegneristiche.
Le parti stampate in stereolitografia hanno bordi ben definiti, una finitura superficiale liscia e linee che separano gli strati poco visibili. Questa parte di esempio è stata stampata su una stampante 3D SLA desktop, la Form 2 di Formlabs (macchina a partire da 3750 $).
La stereolitografia è un'ottima scelta per i prototipi ricchi di dettagli e che richiedono tolleranze strette e superfici lisce, come stampi, modelli e parti funzionali. La stereolitografia viene ampiamente utilizzata in numerosi settori, dall'ingegneria al design di prodotto, la manifattura, l'odontoiatria, la gioielleria, il modellismo e l'istruzione.
Stampa 3D desktop stereolitografica
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Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
La sinterizzazione laser selettiva è la tecnologia di produzione additiva più comune per le applicazioni industriali.
Le stampanti 3D SLS utilizzano un laser ad alta potenza per fondere piccole particelle di polvere di polimeri. La polvere non fusa sostiene la parte durante il processo di stampa ed elimina la necessità di strutture di supporto dedicate. Ciò rende la sinterizzazione laser selettiva ideale per geometrie complesse, tra cui dettagli interni, effetti inversi, pareti sottili e dettagli in negativo. Le parti prodotte tramite stampa SLS hanno delle caratteristiche meccaniche eccellenti, con una forza simile a quella delle parti create a iniezione.
Le parti SLS hanno finiture superficiali leggermente ruvide, ma linee dei livelli quasi invisibili. Questa parte di esempio è stata stampata su una stampante 3D SLS da banco, la Fuse 1 di Formlabs (macchina a partire da 18500 $).
Il materiale più utilizzato per la sinterizzazione laser selettiva è il nylon, una termoplastica ingegneristica molto diffusa con proprietà meccaniche eccellenti. Il nylon è leggero, resistente e flessibile, nonché stabile se sottoposto a impatti, sostanze chimiche, calore, raggi UV, acqua e sporco.
La combinazione di costo ridotto per parte, alta produttività e materiali diffusi rendono la sinterizzazione laser selettiva una scelta molto comune tra gli ingegneri per la prototipazione funzionale, oltre che un'alternativa dal costo contenuto per lo stampaggio a iniezione per la manifattura ponte o di un numero limitato di parti.
Introduzione alla stampa 3D tramite sinterizzazione laser selettiva (SLS)
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Confronta le tecnologie di stampa 3D FDM, SLA e SLS
Ciascuna tecnologia di stampa 3D ha i suoi punti di forza, i suoi punti deboli, i suoi requisiti ed è adatta per diverse applicazioni e aziende. La seguente tabella riassume alcune delle caratteristiche e delle considerazioni principali.
| Modellazione a deposizione fusa (FDM) | Stereolitografia (SLA) | Sinterizzazione laser selettiva (SLS) | |
|---|---|---|---|
| Risoluzione | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Precisione | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★★ |
| Finitura superficiale | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Rendimento | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Design complessi | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Facilità di utilizzo | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Vantaggi | Veloce Macchine e materiali a basso costo per consumatori | Ottimo rapporto qualità-prezzo Alta precisione Finitura superficiale liscia Gamma di applicazioni funzionali | Parti funzionali resistenti Libertà di progettazione Strutture di supporto non necessarie |
| Svantaggi | Scarsa precisione Pochi dettagli Capacità di progettazione limitata | Volume di stampa medio Sensibile alle lunghe esposizioni ai raggi UV | Finitura superficiale ruvida Disponibilità limitata nella scelta dei materiali |
| Applicazioni | Prototipazione rapida a costo ridotto Modelli Proof-of-Concept semplici | Prototipazione funzionale Modelli, stampi e strumenti Applicazioni odontoiatriche Prototipazione e fusione a cera persa per gioielleria Modellismo | Prototipazione funzionale Manifattura personalizzata, ponte o a breve termine |
| Volume di stampa | Fino a circa 300 x 300 x 600 mm (stampanti 3D desktop) | Fino a 145 x 145 x 175 mm (stampanti 3D desktop) | Fino a 165 x 165 x 300 mm (stampanti 3D da banco) |
| Materiali | Termoplastiche standard, ad esempio ABS, PLA e le loro varie miscele. | Varietà di resine (plastiche termoindurenti). Standard, ingegneristiche (simil-ABS, simil-polipropilene, flessibile, resistente al calore), colabile, dentale e medica (biocompatibile). | Termoplastiche ingegneristiche. Nylon 11, Nylon 12 e i loro composti. |
| Formazione | Formazione minima su impostazione di stampa, utilizzo della macchina e finitura; formazione moderata su manutenzione. | Plug and play. Formazione minima su impostazione di stampa, manutenzione, utilizzo della macchina e finitura. | Formazione moderata su impostazione di stampa, manutenzione, utilizzo della macchina e finitura. |
| Requisiti della struttura | Aria condizionata o preferibilmente ventilazione personalizzata per macchine desktop. | Le macchine desktop sono adatte per gli uffici. | Officina con requisiti moderati di spazio per sistemi da banco. |
| Attrezzatura aggiuntiva | Sistema di rimozione dei supporti per le macchine con supporti solubili (può essere automatizzato), strumenti di finitura. | Postazione di polimerizzazione post-stampa, postazione di lavaggio (può essere automatizzata), strumenti di finitura. | Postazione di post-elaborazione per la pulizia delle parti e il recupero dei materiali. |
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Costi e ritorno d'investimento
In conclusione, dovresti scegliere la tecnologia più adatta alla tua azienda. Negli ultimi anni i prezzi sono calati drasticamente e, al momento, tutte e tre le tecnologie sono disponibili in sistemi compatti e dal costo accessibile.
Il calcolo dei costi non si deve limitare a considerare solo l'acquisto dell'attrezzatura. I costi associati a materiali e mano d'opera influiscono in maniera significativa sul costo per parte, a seconda del tipo di applicazione e delle necessità di produzione.
Ecco un elenco dettagliato diviso per tecnologia:
| Modellazione a deposizione fusa (FDM) | Stereolitografia (SLA) | Sinterizzazione laser selettiva (SLS) | |
|---|---|---|---|
| Costo dell'attrezzatura | Le stampanti desktop di fascia media costano a partire dai 2000 $, mentre i sistemi industriali sono disponibili a partire dai 15 000 $. | Le stampanti desktop professionali costano a partire dai 3500 $, mentre le macchine industriali per grandi volumi sono disponibili a partire dagli 80 000 $. | I sistemi industriale da banco costano a partire dai 18 500 $ e le stampanti 3D SLS industriali tradizionali. sono disponibili a partire dai 100 000 $. |
| Costo dei materiali | 50-150 $/kg per la maggior parte dei filamenti standard e ingegneristici e 100-200 $/kg per i materiali di supporto. | 149-200 $/L per la maggior parte delle resine standard e ingegneristiche. | 100 $/kg per il nylon. La sinterizzazione laser selettiva (SLS) non richiede strutture di supporto e la polvere non fusa può essere riutilizzata, riducendo quindi il costo dei materiali. |
| Manodopera necessaria | Rimozione dei supporti manuale (può essere automatizzata in gran parte per i sistemi industriali con supporti solubili). È necessario un lungo processo di post-elaborazione per ottenere finiture di alta qualità. | Lavaggio e polimerizzazione post-stampa (entrambi possono essere automatizzati in larga parte). Post-elaborazione semplice per rimuovere i segni lasciati dai supporti. | Pulizia semplice per rimuovere la polvere in eccesso. |
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Speriamo che questo articolo ti abbia aiutato a capire meglio quale tecnologia di stampa 3D è più adatta per te.
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