Immagine dimostrativa della stampa 3D FDM
La modellazione a deposizione fusa (FDM) è un processo di produzione additiva che realizza modelli fisici tridimensionali basati su progetti CAD. I filamenti di materiale vengono alimentati attraverso un ugello riscaldato, che fonde il filamento estruso e deposita strati uno sopra l'altro sulla piattaforma di costruzione della stampante.
La tecnologia FDM è il metodo di stampa 3D più diffuso, non solo tra gli hobbisti e per la prototipazione concettuale, ma si è affermata anche come metodo di produzione di rilievo per la realizzazione di prototipi di prova, utensili, modelli didattici, gioielli e altre applicazioni.
Questo articolo tratterà i fondamenti della stampa 3D FDM, il suo principio di funzionamento, i materiali compatibili e le applicazioni industriali.
Cominciamo!
Punti chiave
- Nella stampa 3D FDM, il filamento termoplastico viene fuso ed estruso attraverso un ugello riscaldato. Gli strati depositati successivamente si legano tra loro per formare il pezzo finale.
- Le stampanti 3D da tavolo sono adatte per prototipi in fase iniziale e iterazioni di progettazione rapide, mentre le stampanti FDM industriali sono più indicate per componenti di grandi dimensioni, prototipi funzionali, attrezzature e produzioni a basso volume.
- L'altezza dello strato, la temperatura dell'ugello/piano di stampa, la velocità di stampa, il raffreddamento, l'angolo di rasterizzazione, il materiale e l'orientamento di costruzione sono fattori critici da considerare per il processo di stampa 3D FDM.
- Scegli la tecnologia FDM per prototipi rapidi, modelli funzionali, attrezzature, dispositivi di fissaggio, custodie, staffe e componenti personalizzati a basso volume.
- SLA e SLS sono due alternative alla tecnologia FDM. La SLA è più adatta per elementi di piccole dimensioni, pareti sottili, dettagli complessi e applicazioni che richiedono una finitura più liscia, mentre la SLS viene utilizzata per parti funzionali complesse e non supportate.
Nozioni fondamentali sulla stampa 3D FDM
Nozioni fondamentali sulla stampa 3D FDM
La stampa 3D FDM prevede la stampa di modelli progettati di parti e prodotti meccanici strato per strato, seguendo uno schema di taglio predeterminato sulla stampante 3D. Consente di realizzare geometrie complesse e intricate, come curve sinuose, canali per fluidi, angoli profondi, reticoli ondulati, giunzioni a incastro e sottosquadri. Il principale limite è rappresentato dalle dimensioni dell'ugello, in genere pari o superiori a 0.4 mm. Pertanto, l'elemento da stampare deve essere più grande del diametro dell'ugello.
Con la tecnologia FDM è possibile stampare diversi materiali termoplastici, tra cui PLA, ABS, PA, TPU, PEEK e PEI. A seconda del tipo di materiale, è necessario modificare la velocità di alimentazione, l'ugello, l'altezza dello strato, l'intensità di raffreddamento e altri parametri. Le dimensioni di stampa dipendono invece dalle capacità della stampante 3D. A differenza delle stampanti desktop, una stampante FDM industriale offre un volume di costruzione di 1 x 1 x 1 m.
Come funziona la stampa FDM? Meccanismo e fasi
Funzionamento della stampante 3D FDM
La FDM, detta anche fabbricazione a filamento fuso (FFF), segue il meccanismo di produzione additiva per estrusione di materiale, in cui un elemento riscaldante fonde il filamento termoplastico continuo e un ugello deposita strati. La forma finale si ottiene tramite la formazione di legami tra gli strati.
Analizziamo nel dettaglio il processo di stampa 3D FDM.
Preparazione e suddivisione del modello CAD
Il primo passo nel processo FDM consiste nella preparazione di un modello ingegneristico 3D (file .STL o .3MF) del componente/prodotto desiderato utilizzando un software di progettazione come SolidWorks, CATIA e AutoCAD.
Il processo successivo consiste nello slicing del progetto, in cui il modello viene sezionato (diviso) in migliaia di sottili fette orizzontali (strati), in modo da poter ottenere codici G precisi per il movimento dell'ugello, il controllo della temperatura e la velocità di estrusione.
Impostazione dei parametri di stampa per la stampante 3D FDM
È necessario impostare diversi parametri per la stampa 3D FDM, tra cui la temperatura dell'ugello, la temperatura del piano di stampa, l'altezza dello strato, la velocità di deposizione (stampa), la velocità della ventola di raffreddamento e l'orientamento di costruzione, come riassunto di seguito.
| Parametro | Gamma tipica | Fattori che influenzano |
| Altezza dello strato | 0.05 a 0.5 mm | L'altezza dello strato influisce notevolmente sulla precisione dimensionale. |
| Temperatura dell'ugello | PLA ~190–220 °C, ABS ~220–260 °C | Dipende dal materiale, dall'angolo di scansione, dal tipo di pezzo e da altri fattori. |
| Temperatura del letto | Utilizzato come fattore di controllo | Dipende dal materiale, dallo spessore e dalla risposta al processo. |
| Angolo raster | 0 ° –90 ° | Definisce la direzione di deposizione dello strato (movimento dell'ugello) rispetto all'asse X del piano di stampa. |
Alimentazione a filamento
Il meccanismo di azionamento a rulli alimenta continuamente il filamento nel sistema di riscaldamento del liquefattore (testa di estrusione collegata all'ugello). Contemporaneamente, anche l'ugello viene riscaldato a una temperatura specifica.
Il filamento entra nel liquefattore
Utilizzando un meccanismo di liquefazione, fonde i filamenti solidi trasformandoli in una forma viscosa, semiliquida o liquida tramite una cartuccia elettrica.
Deposizione di strati attraverso l'ugello
Stampa 3D FDM
L'ingranaggio dell'estrusore spinge continuamente i filamenti solidi, mentre la pressione di estrusione generata dal filamento stesso spinge il filamento fuso attraverso l'ugello, depositando lo strato sul piano di stampa. L'ugello è fissato in modo permanente al gruppo testina di stampa, che si muove lungo gli assi X, Y e Z (come indicato dai codici G) e deposita lo strato con precisione.
Ogni strato è interconnesso a livello molecolare tramite calore e pressione. Ogni interdiffusione molecolare costituisce il legame portante.
Solidificazione e rimozione delle parti
Una volta che l'oggetto stampato si è raffreddato a temperatura ambiente, viene rimosso dalla piattaforma di stampa. A seconda delle dimensioni di stampa, la rimozione può essere effettuata manualmente o con una mano robotica. Anche i supporti vengono rimossi in questa fase. Di conseguenza, le parti stampate richiedono rifinitura e finitura.
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Materiali per stampa 3D FDM
Materiali per la stampa 3D FDM
L'acido polilattico (PLA), il polietilene tereftalato glicole (PETG) e l'acrilonitrile butadiene stirene (ABS) sono i materiali più comuni per la stampa 3D FDM. Di conseguenza, vengono utilizzati anche PEI, PEEK, PC e altri termoplastici. È possibile scegliere filamenti di questi materiali nel colore e nello spessore desiderati.
La scelta del materiale è principalmente determinata dall'applicazione prevista, dai requisiti funzionali, dalle condizioni operative, dalla finitura desiderata e dalla compatibilità con la stampante 3D. Il PLA offre resistenza e rigidità ed è adatto per prototipi estetici. L'ABS si presta bene per componenti per esterni, parti di automobili, custodie e prototipi funzionali. Di conseguenza, il PETG rappresenta una valida alternativa alla plastica ABS per le stampanti desktop.
| Materiale | Principali vantaggi | Limiti |
| Acido polilattico (PLA) | Bassa deformazione, facile da stampare in 3D, relativamente economico e con dettagli superficiali. | Minore stabilità termica e tenacità all'impatto. |
| Polietilentereftalato glicole (PETG) | Plastica resistente, flessibile e impermeabile. | Stabilità termica inferiore rispetto al policarbonato, all'ABS e ad alcuni altri materiali termoplastici. |
| Acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) | Sono disponibili gradi biocompatibili (ad esempio, ABS-M30i), più resistenti del PLA e con una buona resistenza termica. | Emette fumi intensi durante la stampa e presenta un rischio di deformazione. |
| Polieterimmide (PEI / ULTEM) | Eccellente resistenza termica, elevata resistenza meccanica e resistenza chimica. | Temperatura di transizione vetrosa più elevata e materie prime costose |
| Polietere Etere Chetone (PEEK) | Gradi biocompatibili ed elevata resistenza meccanica. | Alta temperatura di lavorazione |
| Policarbonato (PC) | Resistenza agli urti, stabilità dimensionale, trasparenza ottica e isolamento elettrico. | Igroscopico, soggetto a deformazioni e con elevata temperatura dell'ugello |
| Nylon | Resistenza meccanica, tenacità e resistenza chimica. | Igroscopico e richiede un'asciugatura controllata. |
| Poliuretano termoplastico (TPU) | Resistenza chimica, basso attrito e resistenza all'abrasione. | Sono necessarie una bassa velocità di stampa e un controllo rigoroso delle temperature di processo. |
| Polimeri rinforzati | Eccellente rapporto rigidità-peso, basso rischio di deformazione rispetto ai filamenti non caricati. | Richiede ugelli trattati termicamente e comporta il rischio di formazione di microvuoti. |
Considerazioni chiave per la stampa 3D FDM
La scelta della stampante 3D, lo spessore minimo delle pareti, le dimensioni delle caratteristiche, la post-elaborazione, la deformazione del materiale e la selezione del materiale sono considerazioni fondamentali per il processo di stampa 3D FDM al fine di garantire precisione, resistenza e qualità costruttiva.
Stampanti 3D da tavolo contro stampanti 3D industriali
Le stampanti 3D da tavolo offrono in genere una piattaforma di costruzione di soli 0.2 x 0.2 x 0.2 m, adatta per modelli concettuali e prototipi iniziali. Le stampanti 3D industriali, invece, sono consigliate per la stampa di prototipi di prova, produzioni su piccola scala e componenti ingegneristici funzionali.
Ottimizza il design per la deformazione
Ottimizza il tuo progetto per ridurre la deformazione, minimizzando gli angoli acuti, mantenendo uno spessore uniforme delle pareti e applicando sezioni di scarico delle tensioni.
Scegliete il materiale con attenzione
Quando si sceglie il materiale per i componenti da stampare in 3D, è importante considerare la funzionalità richiesta, l'ambiente operativo, la facilità di stampa e il costo.
Spessore minimo della parete
Lo spessore minimo della parete nella stampa 3D FDM dovrebbe essere 2-3 volte il diametro dell'ugello.
Considera la finitura superficiale
Prima di scegliere la tecnica di finitura, è necessario identificare il livello di rugosità della superficie e i requisiti estetici. La lucidatura a vapore, la levigatura a umido e il rivestimento epossidico sono alcune delle opzioni più comuni.
Dimensione caratteristica
Le dimensioni dell'elemento geometrico nel vostro progetto devono essere maggiori dei limiti di risoluzione effettivi del processo.
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Quando è preferibile scegliere una stampante 3D FDM industriale rispetto a una stampante 3D da tavolo?
Le stampanti 3D da tavolo sono adatte a progetti amatoriali, modelli visivi di piccole dimensioni e prototipi. Le stampanti 3D FDM industriali, invece, offrono volumi di costruzione maggiori (circa 1 x 1 x 1 m), maggiore precisione e ripetibilità, la possibilità di stampare progetti complessi e un'ampia compatibilità con diversi materiali.
Scegli le stampanti 3D industriali FDM per:
- Modelli funzionali
- Parti di utensili
- Prototipi rapidi
- Produzione di componenti personalizzati in piccoli volumi
Scegli le stampanti 3D da tavolo per:
Se ti trovi nelle prime fasi di sviluppo di un prototipo e desideri convalidare funzionalità specifiche, una stampante da tavolo consente cicli di iterazione rapidi.
Quali sono le opzioni di finitura superficiale per i prototipi stampati in 3D con tecnologia FDM?
Poiché gli oggetti stampati in 3D con tecnologia FDM vengono formati aggiungendo strati successivi di materiale, le linee di stratificazione e la rugosità superficiale sono visibili all'esterno. Sono disponibili diverse tecniche di finitura per ovviare a questo problema, come la sabbiatura, la lucidatura a vapore, la verniciatura e il rivestimento.
- Lucidatura a vapore: Un flusso di vapore fonde il materiale superficiale, formando uno strato sottile, uniforme e lucido.
- Sabbiatura: I granelli di sabbia vengono spruzzati sui pezzi stampati in 3D, eliminando le imperfezioni superficiali e producendo una superficie uniforme.
- Pittura: È possibile applicare vernici adesive compatibili per la protezione dai raggi UV, per scopi estetici e per altri utilizzi.
- Rivestimento epossidico: Offre una superficie liscia, resistente e robusta per i prototipi stampati in 3D.
Quali sono le applicazioni della tecnologia FDM? Stampa 3D?
Prototipazione con tecnologia FDM
I componenti e i prototipi stampati in 3D con tecnologia FDM trovano impiego in diversi settori, come quello automobilistico, medicale, dell'elettronica di consumo, degli utensili e della robotica. La tecnologia FDM rappresenta una soluzione efficiente ed economica per aziende e sviluppatori di prodotti che desiderano realizzare rapidamente prototipi per test di adattamento, funzionalità e assemblaggio. Può essere utilizzata anche per la creazione di concept proof e modelli visivi.
Esaminiamo alcuni esempi di applicazioni della stampa 3D FDM in diversi settori.
- Settore automobilistico: Prototipi di condotti dell'aria, finiture interne, cruscotto e dispositivi di fissaggio per l'assemblaggio.
- Tooling: Test di prototipi per maschere di assemblaggio, dispositivi di bloccaggio dei pezzi, stampi per materiali compositi e ganasce morbide.
- Medico: Prototipi di protesi, modelli anatomici e alloggiamenti per le apparecchiature.
- Elettronica di consumo: Contenitori personalizzati, dispositivi di assemblaggio e staffe di montaggio.
- Robotica: Maschere, dispositivi di fissaggio, utensili di estremità del braccio (EOAT) e supporti per sensori.
Quali sono i vantaggi della stampa 3D FDM?
- Bassi costi di installazione per le stampanti 3D FDM.
- Tolleranza dimensionale precisa, fino a ±0.25 mm
- Consente la realizzazione rapida di prototipi per progetti ingegneristici
- Attrezzatura minima necessaria; non servono utensili da taglio né stampi.
- Tempi di consegna più rapidi, anche di un solo giorno.
- Compatibilità con diverse materie plastiche tecniche
- Elevata personalizzazione.
- Produzione di elementi complessi, leggeri e interni
Quali sono gli svantaggi della stampa 3D FDM?
- Le linee di stratificazione visibili sulla superficie, e spesso anche sui prototipi, richiedono operazioni di post-elaborazione.
- La resistenza del pezzo stampato e la complessità raggiungibile sono influenzate dal materiale di stampa 3D.
- La stampa di geometrie complesse richiede una struttura di supporto, il che aumenta i tempi di post-elaborazione e il consumo di materie prime.
- Le tolleranze dimensionali non sono così elevate come nella lavorazione CNC e nello stampaggio a iniezione.
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FDM vs SLA vs SLS Stampa 3D: Quali sono le differenze?
SLA e SLS sono due cose diverse tipi di stampa 3DOltre alla tecnologia FDM, la stereolitografia (SLA) utilizza una luce UV o un raggio laser per la polimerizzazione selettiva dello strato di resina, mentre la sinterizzazione laser selettiva (SLS) sinterizza selettivamente la polvere polimerica strato per strato per costruire la forma progettata.
Confrontiamo questi metodi di stampa 3D in termini di materiali compatibili, complessità, precisione, tempi di realizzazione e costi.
| Parametro | FDM | SLA | SLS |
| Materiali Necessari | PLA, ABS, PETG, PC, Nylon, TPU, PEI, PEEK e polimeri rinforzati. | Diverse resine termoindurenti liquide fotosensibili | Termoplastiche in polvere, tra cui PA11, PA12, TPU e PP. |
| Complessità | Complessità moderata, richiede una struttura di supporto per le funzionalità interne e complesse. | Ideale per elementi di piccole dimensioni e sezioni a parete sottile | Eccellente. La polvere non sinterizzata stessa supporta la struttura di stampa. |
| Costo | Inferiore a SLA e SLS | Moderato | Alto |
| Precisione | ±0.2 a ±0.5 mm | ~±0.025 a ±0.1 mm | ~±0.1 a ±0.3 mm |
| Ora | Tempi di consegna rapidi | La velocità di stampa dipende dall'architettura della stampante, dall'altezza del pezzo, dalla configurazione del lotto e dal processo. | Elevato, durante la produzione di prototipi o di un lotto |
| Quando scegliere? | Scegli prototipi a basso costo, con iterazioni rapide e produzioni in piccoli volumi. | Scegli questa opzione quando sono richiesti finitura, dettagli e un elevato livello di complessità. | Per componenti meccanici funzionali e prototipi, parti in nylon e prototipi complessi non supportati. |
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Referenze
[1] "Nozioni di base della modellazione a deposizione fusa (FDM)" Sportello di ricerca. ResearchGate – Nozioni di base sulla modellazione a deposizione fusa (FDM)