Corso di Stampa 3D: 8 Stampa con Polveri (SLS, Binder Jetting, MJF)

8 – Stampa con Polveri (SLS, Binder Jetting, MJF)

Questa famiglia di tecnologie rappresenta un vero salto qualitativo rispetto alle tecniche a filamento o resina. Il motivo?

• Non servono supporti → la polvere stessa funge da sostegno.

• Si possono ottenere geometrie complesse (canali interni, reticoli, parti mobili).

• Le proprietà meccaniche sono eccellenti, spesso superiori alle FDM.

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a) SLS – Sinterizzazione Laser Selettiva

Materiali

• Polimeri: PA11, PA12 (nylon), TPU (elastomeri), compositi caricati con fibre di vetro o carbonio.

Processo

1. Uno strato sottile di polvere (tipicamente 0,1 mm) viene steso sul piano.

2. Un laser CO₂ fonde selettivamente le particelle secondo la sezione CAD.

3. Nuovo strato → ripetizione fino al completamento del pezzo.

4. Rimozione del pezzo dal letto di polvere, sabbiatura o lucidatura.

Principio energetico

Per la fusione serve energia:

$$E = P \cdot t$$

dove:

• $P$ = potenza laser (W),

• $t$ = tempo di esposizione (s).

👉 Se $E > E_{fusione}$ del materiale, la polvere sinterizza correttamente.

Vantaggi

• Resistenza meccanica elevata, vicina a quella dei pezzi stampati a iniezione.

• Libertà geometrica assoluta.

• Nessun supporto.

Applicazioni

• Ingranaggi, cerniere, parti funzionali.

• Protesi medicali personalizzate.

• Componenti aerospaziali leggeri e resistenti.

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b) Binder Jetting

Materiali

• Metalli (acciaio, rame, titanio).

• Sabbia (per stampi di fonderia).

• Ceramiche.

Processo

1. Un rullo stende la polvere sul piano.

2. Un getto di testine inkjet deposita collante liquido nelle aree desiderate.

3. Il pezzo “verde” (debole) viene sinterizzato o infiltrato in forno → aumento resistenza.

Principio volumetrico

La densità relativa prima della sinterizzazione è:

$$\rho_{verde} = \frac{M}{V}$$

dopo il trattamento termico, con riduzione di volume $ΔV$:

$$\rho_{finale} = \frac{M}{V - ΔV}$$

👉 questo spiega il tipico ritiro del 15–20%.

Vantaggi

• Velocità altissima (stampa a “righe” invece che punto-punto come nel laser).

• Possibilità di grandi lotti in parallelo.

• Materiali metallici complessi.

Applicazioni

• Componenti metallici per automotive e meccanica.

• Stampi in sabbia per fonderia.

• Modelli architettonici o prototipi ceramici.

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c) HP Multi Jet Fusion (MJF)

Materiali

• Nylon PA11, PA12.

• TPU.

Processo

1. Polvere stesa sul piano (come in SLS).

2. Testine inkjet depositano agente di fusione nelle aree utili e agente di raffreddamento nelle zone da non fondere.

3. Una lampada IR fonde simultaneamente l’intera area → altissima produttività.

Principio termico

L’agente abbassa la temperatura di fusione locale:

$$T_{fusione}^{eff} = T_{fusione} - ΔT$$

👉 questo consente fusione rapida e uniforme.

Vantaggi

• Superfici più lisce e più isotrope rispetto a SLS.

• Tempi di stampa molto ridotti.

• Ideale per piccole serie industriali.

Applicazioni

• Componenti automotive in serie (clip, connettori).

• Custodie elettroniche.

• Parti funzionali leggere e robuste.

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Attività pratica (120 min)

Obiettivo: progettare e stampare (in simulazione) un ingranaggio cavo ottimizzato.

1. Modellazione CAD: ingranaggio Ø 40 mm, spessore 10 mm, alleggerito con reticolo gyroid.

2. Scelta tecnologia:

   • SLS se richiesto nylon ad alta resistenza.

   • Binder Jetting se necessario in metallo.

   • MJF se serve produzione in serie con superfici uniformi.

3. Analisi FEM:

   • Carico: 100 N su denti.

   • Nylon PA12 ($\sigma_{amm} = 45 \ \text{MPa}$).

   • Calcolo sezione minima →

   $$A = \frac{F}{\sigma_{amm}} = \frac{100}{45 \cdot 10^6} \approx 2,2 \cdot 10^{-6} \ m^2$$

   → sezione reale progettata: 10 mm² ⇒ sicurezza garantita.

4. Post-processing: sabbiatura (SLS/MJF) o sinterizzazione (Binder Jetting).

5. Confronto: peso vs resistenza tra le tre tecnologie.

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Conclusioni

• SLS: ideale per prototipi funzionali complessi e robusti.

• Binder Jetting: vincente per metalli e grandi lotti.

• MJF: produttività industriale e superfici ottimizzate.

👉 Con questo modulo, lo studente capisce differenze, punti di forza e limiti delle tre principali tecnologie a polveri, e sa scegliere consapevolmente quale usare in base al progetto.