Come è nata la Metal Additive Manufacturing?

Lavorazione Metalli

Le prime tracce di manifattura additiva (più comunemente nota con il termine inglese, Additive Manufacturing) di metalli, sebbene possa sembrare una tecnologia nata negli ultimi quarant’anni, risalgono a più di cento anni fa. In questo articolo Marta Invernizzi ci racconta come è nata la Metal Additive Manufacturing.

LOM, Laminated Object Manufacturing

È datato infatti 1892 il brevetto di J.E. Blanther che descrive un processo di taglio e impilaggio di fogli di cera per creare un set di stampi per la pressatura di fogli di carta. Questo brevetto fu fondamentale per Di Matteo e Nakagawa, che quasi cento anni dopo, nel 1976, decisero di sostituire ai fogli di cera fogli di acciaio. Lo stesso metodo di produzione, essendo estremamente intuitivo, venne sviluppato nel 1991 dalla società americana Helisys, che utilizzava una resina attivata dal calore per creare strato su strato oggetti composti da fogli di carta. Nacque così quella che è nota come LOM (Laminated Object Manufacturing), una delle più antiche tecniche di stampa 3D ad oggi conosciute.

WAAM, Wire and Arc Additive Manufacturing

Un altro timido passo verso la stampa 3D di metalli è stato fatto nel 1925, con un brevetto di Bake per la creazione di oggetti artistici in metallo. La sua tecnica consisteva nel sovrapporre cordoni di saldatura fino a costruire un oggetto intero. Anche in questo caso, il processo additivo venne perfezionato negli anni a seguire (la prima review accademica in merito risale al 2014), fino a diventare quello che oggi conosciamo come WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing).

DSLS, Direct Selective Laser Sintering

La prima stampante 3D a metallo moderna nacque nel 1991, quando Bourell e Frayre dell’ Università del Texas, sfruttando la conoscenza del processo LOM, misero a punto un sistema laser per fondere una miscela di polveri di rame e stagno. Stamparono così un ingranaggio di 72 strati, introducendo la tecnologia Direct Selective Laser Sintering (DSLS) che venne poi brevettata da Das e Beaman nel 2004. Questo tecnologia viene definita “a letto di polvere” perché ad ogni passaggio del laser, appena terminato il layer, una racla predispone un nuovo strato di polvere e il laser continua a scrivere creando un nuovo layer.

DMLM, Direct Metal Laser Melting

Parallelamente si svolsero studi anche sulla tecnologia Direct Metal Laser Melting (DMLM), sviluppatasi all’Università di Leida in Belgio a partire dagli anni ‘90. In particolare, il professor Kruth diede vita ad uno spin-off, LayerWise, che si proponeva come fornitore di servizi di stampa 3D e sviluppatore di nuove apparecchiature. 3D Systems (l’azienda fondata nel 1986 dall’inventore della manifattura additiva moderna e commerciale, C. Hull) la acquisì nel 2014, aprendo finalmente al mercato la possibilità di stampare metallo su letto di polvere.

SLM, Selective Laser Melting

Ma il termine più noto per identificare la tecnologia DMLM, ossia Selective Laser Melting (SLM), venne brevettato da Meiners del Fraunhofer Institute for Laser Technology ben prima dell’acquisizione di LayerWise da parte di 3D Systems, ovvero nel 2003. La protezione data dal brevetto impedì l’uso di tale terminologia da parte di altri, giustificando l’uso dell’acronimo DMLM almeno nei primi anni di vita di questa tecnologia. Contemporaneamente anche altre aziende storiche della manifattura additiva si avvicinarono alle tecnologie per la stampa 3D di metalli. Fra queste Eos che nel 2001 presentò la sua Eosint che sfruttava la tecnologia SLM.

Nel 2011 a seguito di divisioni interne a MTT Technologies, azienda presente sul mercato già da diversi anni con sistemi SLM, nacque SLM Solutions, azienda tedesca oggi ben presente sul mercato con le sue stampanti SLM.

EBM, Electron Beam Melting

Nei primi anni 2000 vennero applicate solo sorgenti laser fibra ad alta energia, le uniche disponibili e conosciute. L’utilizzo di altre sorgenti, come il fascio elettronico, venne dapprima sviluppato presso l’università di Gothenburg ed in seguito presso Arcam AB, azienda fondata in Svezia nel 1997. La commercializzazione di questo tipo di sorgente, tuttavia, avvenne solo nel 2002 con il primo modello della nuova tecnologia Electron Beam Melting (EBM), chiamato EBMS12.

Insieme ai due processi più diffusi, ovvero SLM ed EBM, nacquero altre tecnologie oggi parte dell’ampia gamma a disposizione della manifattura additiva di metalli, e con esse alcune delle più importanti aziende attualmente presenti sul mercato.

LENS, Laser Engineered Net Shaping

Nei primi anni ‘90 Optomec commercializzò una tecnologia basata sulla deposizione diretta di energia, che oggi chiamiamo Laser Engineered Net Shaping (LENS) o Directed Energy Deposition (DED), inventata da Keicher presso i laboratori nazionali statunitensi Sandia. Una variante di questa tecnologia è il WAAM, presentata nei paragrafi precedenti.

BJ, Binder Jetting

Ex One (fondata come Extrude Hone AM) installò la sua prima macchina nel 1998. Le sue stampanti si basano sulla tecnologia Binder Jetting (BJ), già ampiamente diffusa nella stampa di polimeri, nella quale la costruzione dell’oggetto avviene per deposizione selettiva di un legante su un letto di polvere metallica. Successivamente un processo di sinterizzazione elimina il legante e aumenta la densità dell’oggetto.

UAM, Ultrasonic Additive Manufacturing

I primi accenni all’attuale UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing) si ebbero invece con l’avvento di Solidica. Questa azienda statunitense nel 2002 lanciò sul mercato macchine con tecnologia basata sulla saldatura ad ultrasuoni di fogli di alluminio, seguita da una lavorazione meccanica con centro di lavoro. Di fatto, fu una delle prime tecnologie ibride in cui la manifattura additiva si integra con la sottrattiva.

Conclusione

L’Additive Manufacturing è un settore in crescita e in continua evoluzione, così come le tecnologie utilizzate per i processi additivi. Ancora oggi nelle principali università vengono create nuove sorgenti, nuove macchine, nuove soluzioni per rispondere alle esigenze del mercato e dei materiali.

Scopri i gas e le apparecchiature per la Metal Additive Manufacturing offerte da Nippon Gases Italia.