Il Material Jetting è una tecnica di produzione additiva per la stampa 3D utilizzata per realizzare componenti 3D strato per strato. Il Material Jetting (MJ) consente la produzione di componenti con geometrie estremamente precise e finiture superficiali lisce. Questa tecnica di produzione avanzata ha attirato l'attenzione degli ingegneri grazie alle sue straordinarie proprietà. Il MJ è ora utilizzato in vari settori, tra cui quello automobilistico, aerospaziale e medicale, sia per la prototipazione che per la produzione.
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Cos’è la stampa 3D a getto di materiale?
Nel processo di stampa 3D a getto di materiale, il materiale viene spruzzato su una piattaforma prefabbricata utilizzando una testina a getto d'inchiostro a movimento controllato, proprio come nella stampa 2D. Questo materiale fotosensibile viene quindi indurito con radiazioni UV per ottenere un componente preciso con una tolleranza tipica di ± 0.3 mm. Per la produzione dei componenti è possibile utilizzare numerosi materiali, come cere, polimeri, ceramiche o persino metalli.
Come funziona il getto di materiale?
Preparazione del materiale
Il primo passaggio del processo di getto di materiale è la preparazione della materia prima, dove la resina fotopolimerica viene riscaldata a 30-60 °C per ridurne la viscosità. Questo garantirà il flusso ottimale della resina durante il getto.
Deposizione di goccioline
Il materiale viene quindi caricato sulla testina di stampa, che si muove lungo la piattaforma di stampa. La testina a getto d'inchiostro rilascia centinaia di minuscole goccioline di resina in punti specifici, in base alla geometria della sezione del modello. Il meccanismo di iniezione seguito è il seguente:
- Il getto piezoelettrico viene applicato ai materiali non volatili.
Indurimento degli strati
Non appena la goccia raggiunge la piattaforma per costruire il materiale, la polimerizzazione finale dello strato formato avviene tramite riscaldamento o tramite radiazione UV. Non appena le gocce atterrano sul vassoio, la polimerizzazione avviene istantaneamente sotto i LED UV integrati..
Levigatura della superficie
In alcuni sistemi a base di cera, un cutter può passare sopra lo strato stampato per garantire una superficie piana e uniforme prima di applicare lo strato successivo.
Movimento della piattaforma
Una volta completata la polimerizzazione del primo strato, la piastra si sposta verso il basso di uno strato, lasciando spazio al deposito dello strato successivo.
Stampa strato per strato
Ora i passaggi precedenti, come il getto del materiale e la sua solidificazione, vengono ripetuti finché l'intero componente non viene prodotto secondo un modello suddiviso in sezioni 3D.
Stampa multimateriale
È possibile allineare più testine di stampa una accanto all'altra per depositare materiali diversi contemporaneamente. Ciò consente la stampa multi-materiale, a colori e con strutture di supporto in un unico passaggio.
Rimozione del supporto
La struttura di supporto viene utilizzata nel processo di stampa 3D a getto di materiale ed è solitamente costituita da materiale solubile. Questa struttura di supporto viene rimossa in fase di post-elaborazione, immergendola in un bagno a ultrasuoni o sottoponendola a pressione d'acqua.
Macchina per il getto di materiale
. macchina per il getto di materiale combina microugelli precisi, polimerizzazione UV e temperatura controllata per depositare e solidificare con precisione i materiali liquidi strato per strato.
Testina di stampa con micro ugelli
Il sistema Material Jetting è costituito da una testina di stampa dotata di una serie di ugelli ultrasottili. Questi ugelli espellono minuscole goccioline di materiale in modo controllato sulla piattaforma di stampa.
Serbatoio di materiale
Il serbatoio del materiale di questo sistema è anche noto come cartuccia. Si tratta di un contenitore che contiene il materiale liquido. Questi serbatoi vengono ricaricati manualmente o sono disponibili come cartucce sigillate per garantire una manipolazione sicura.
Sistema di polimerizzazione UV
Questa è la fonte di radiazione UV situata vicino alla testina di stampa. Fornisce radiazioni UV dell'intensità necessaria per polimerizzare il materiale liquido in uno strato solido.
Camera di stampa riscaldata
Nel caso di NJP, dove ceramiche e metalli vengono utilizzati per il getto, è presente una camera riscaldata. Questa camera viene utilizzata per mantenere la temperatura necessaria per un'evaporazione e una coalescenza ottimali.
Tipi di getto di materiale per la produzione additiva
Tecnologia PolyJet
PolJet è uno dei metodi più comuni di stampaggio a getto di materiale per la produzione additiva, in cui un sottile strato di fotopolimero viene steso su un vassoio di stampa e polimerizzato con radiazioni UV. Il sistema utilizza un'ampia gamma di ugelli per depositare il materiale in modo preciso e rapido sulla superficie di stampa. Può essere utilizzato per stampare più materiali e colori contemporaneamente, ottenendo prototipi visivi ad alta risoluzione e parti sovrastampate.
Caratteristiche
- PolyJet offre una risoluzione molto elevata, con spessori degli strati pari a soli 14-16 micron.
- Produce parti con finiture raffinate e dettagli raffinati.
- Supporta la stampa multi-materiale e multicolore in un'unica sessione.
- Permette la produzione di pareti sottili e geometrie complesse.
Getto di nanoparticelle (NPJ)
NPJ è un processo di stampa 3D a getto di materiale che utilizza la sospensione di metallo o ceramica per la produzione di componenti o modelli. In questo processo, i materiali vengono alimentati alla testina a getto d'inchiostro tramite una cartuccia sigillata. Invece di radiazioni UV, viene utilizzata una fonte di calore per solidificare lo strato di particelle di materiale. I componenti ottenuti vengono quindi sinterizzati per formare il pezzo finale.
Caratteristica
- NPJ garantisce una risoluzione delle caratteristiche e una levigatezza delle superfici eccezionali grazie alle dimensioni ridotte delle nanoparticelle.
- Le parti stampate presentano elevata densità e resistenza del materiale.
- Il processo è relativamente pulito e sicuro grazie alle cartucce sigillate e all'assenza di polvere sciolta.
Consegna su richiesta (DOD)
La tecnologia DOD non funziona depositando un flusso continuo di fotopolimero, ma lo deposita goccia a goccia quando necessario. Funziona con due testine di stampa, una per il materiale di costruzione e l'altra per il materiale di supporto. È adatta per la stampa di modelli in cera e per la microfusione.
Caratteristiche
- DOD garantisce una precisione e una finitura superficiale eccezionali, con spessori degli strati pari a soli 6 micron e risoluzioni XY di circa 22 micron.
- Può produrre modelli in cera estremamente lisci e precisi, ideali per la fusione a cera persa.
- Materiali utilizzati nel getto di materiale
Materiale utilizzato nella produzione additiva Getto di materiale
A differenza dei metodi di fusione a letto di polvere come sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS), che utilizza polveri metalliche come acciaio inossidabile e titanio, il Material Jetting utilizza fotopolimeri e cere. Questo limita la resistenza, ma consente dettagli precisi, stampe a colori e costruzioni multi-materiale.
Fotopolimeri
I fotopolimeri sono i materiali più comunemente utilizzati per la stampa a getto di materiale. Si tratta di resine liquide che polimerizzano rapidamente se esposte alla luce ultravioletta. Possono simulare un'ampia gamma di proprietà, dalle plastiche rigide ai materiali flessibili simili alla gomma, fino a opzioni trasparenti o biocompatibili.
Metalli e Ceramica
Nel NanoParticle Jetting (NPJ), metalli e ceramiche vengono utilizzati sotto forma di nanoparticelle sospese in un vettore liquido. I materiali più comuni includono acciaio inossidabile, titanio, zirconia e allumina.
Cere e resine speciali
I sistemi Drop-on-Demand (DOD) utilizzano principalmente materiali in cera per produrre modelli di fusione ad alta precisione. Queste cere fondono facilmente e bruciano in modo pulito, il che le rende ideali per la microfusione in gioielleria e odontoiatria.
Vantaggi del getto di materiale
Risoluzione e precisione di stampa
Il getto di materiale per la stampa 3D offre un'elevata risoluzione, fino a 13-16 micrometri (0.013-0.016 mm), garantendo una riproduzione precisa dei dettagli del modello. Non solo, i componenti o il modello ottenuti con il getto di materiale sono dettagliati e dimensionalmente coerenti.
Finitura di superficie
I componenti ottenuti tramite MJ hanno un aspetto lucido, il che li rende ideali per prototipi visivi e funzionali.
Stampa multimateriale
Il metodo di iniezione del materiale supporta la stampa simultanea di più materiali in un unico lavoro.
Ciò consente di miscelare materiali con diverse proprietà meccaniche, come:
Zone rigide e flessibili in una parte.
- Combinazioni trasparenti e opache.
- Diversi livelli di rigidità o consistenze simili alla gomma.
Stampa a colori
MJ è in grado di produrre modelli 3D a colori per un approccio realistico. Questo non solo rende il modello visivamente accattivante, ma è anche prezioso per la comprensione concettuale.
Proprietà dei materiali omogenei
I componenti o il modello ottenuti con l'ausilio di MJ presentano proprietà termiche e meccaniche uniformi.
Basso spreco di materiale
Poiché il getto di materiale DOD utilizza il materiale solo su richiesta, non genera una potenza di materiale particolarmente elevata.
Stampa ad alta velocità
Il processo MJ utilizza testine di stampa larghe, consentendo un'elaborazione più rapida rispetto ai metodi tradizionali come FDM.
Svantaggi del getto di materiale
Opzioni materiali limitate
- Il Material Jetting è limitato principalmente ai fotopolimeri e alle cere, il che ne limita l'impiego a una gamma ristretta di applicazioni.
- Il metallo e i polimeri ad alte prestazioni non sono supportati, rendendo MJ inadatto per parti funzionali di livello ingegneristico.
Scarse proprietà meccaniche
- Le parti stampate sono generalmente fragili e presentano un basso allungamento alla rottura, pertanto non sono adatte ad applicazioni funzionali o portanti.
- I materiali fotosensibili si degradano nel tempo, soprattutto se esposti ai raggi UV, riducendo l'affidabilità a lungo termine dei componenti.
Costi elevati
- I costi dei materiali sono tra i più elevati nella stampa 3D e spesso superano i 1000 dollari al kg.
- Le macchine MJ sono costose sia da acquistare che da utilizzare, il che ne limita l'accessibilità per le piccole imprese o per progetti a basso budget.
Requisiti di materiale di supporto e post-elaborazione
- MJ necessita spesso di strutture di supporto, aumentando l'utilizzo di materiale e i tempi di stampa.
- Spesso è necessaria la post-polimerizzazione UV per indurire completamente i pezzi, aggiungendo complessità al flusso di lavoro.
Applicazioni del getto di materiale
Medicina e sanità
Grazie alla sua elevata precisione, accuratezza e biocompatibilità, viene utilizzato nel settore medico e sanitario per la produzione di modelli anatomici e dispositivi medici come gli strumenti chirurgici.
Gioielli, accessori moda
Il getto di metallo trova applicazione anche nella creazione di gioielli dal design coerente e complesso, nonché nella fusione. Nella fusione, la tecnologia DOD consente di ottenere dettagli minuscoli e dai bordi nitidi, ideali per pezzi di lusso e artistici.
Ingegneria
Gli ingegneri utilizzano questa tecnologia per realizzare parti meccaniche complesse con elevata precisione.
Aerospaziale e automobilistico
Nel settore automobilistico e aerospaziale, dime leggere e utensili personalizzati vengono prodotti più velocemente rispetto alle lavorazioni meccaniche tradizionali utilizzando la tecnologia MJ. Non solo, vengono realizzati cruscotti e prototipi di interni con texture e finiture realistiche.