La stampa 3D, nota anche come Additive Manufacturing (AM), è un metodo "trasformativo" per la produzione industriale tradizionale. Il tradizionale processo di produzione sottrattiva si riferisce all'uso di pezzi di modelli geometrici esistenti e all'uso di strumenti per tagliare, lucidare e incidere gradualmente i materiali per diventare finalmente le parti richieste. La stampa 3D è esattamente l'opposto. Con l'aiuto di attrezzature per la stampa 3D, il modello tridimensionale digitale viene stratificato e materiali speciali come polvere metallica, materiali termoplastici e resine vengono continuamente impilati e incollati strato dopo strato e infine sovrapposti per formare un insieme tridimensionale . La stampa 3D è una tecnologia interdisciplinare, che copre macchinari, materiali, visione artificiale, software, elettronica e altre discipline, e la tecnologia di base risiede nella produzione di stampanti 3D, che ha anche requisiti speciali per materiali, software, design, ecc.
Rispetto ai processi di produzione tradizionali, la stampa 3D ha le caratteristiche di formare strutture complesse, accorciare il ciclo di realizzazione del prodotto, elevata resistenza del prodotto, leggerezza e alto tasso di utilizzo del materiale, ma anche il suo costo è relativamente elevato. Le caratteristiche della tecnologia di stampa 3D sono le seguenti:
(1) È possibile fabbricare parti con strutture geometriche complesse per ottenere una produzione integrata e la complessità della struttura non comporterà costi aggiuntivi. I progettisti non sono più vincolati dai processi di produzione tradizionali e possono creare parti più liberamente.
(2) Accorciare il ciclo di sviluppo e realizzazione di nuovi prodotti. Quando si sviluppano nuovi prodotti con tecnologia tradizionale, è necessario progettare e produrre nuovi stampi e stabilire un processo di assemblaggio, mentre la stampa 3D non richiede stampi e il processo è breve.
(3) Il prodotto ha le caratteristiche di elevata resistenza e leggerezza. Le parti di stampa 3D possono realizzare la struttura reticolare a nido d'ape che è difficile da elaborare con la tecnologia tradizionale e può ridurre notevolmente il peso con la premessa di garantire prestazioni. Sulla base delle caratteristiche del processo di solidificazione rapida della stampa 3D, è possibile ottenere buone proprietà meccaniche, garantendo così un aumento della resistenza.
(4) Il tasso di utilizzo dei materiali è stato notevolmente migliorato. Poiché i materiali sono sovrapposti strato per strato, non vi è quasi alcuno spreco di materiale nel processo di produzione e il tasso di utilizzo del materiale raggiunge oltre il 90%. (5) I costi delle attrezzature e dei materiali sono elevati. Le apparecchiature di stampa 3D di livello industriale sono costose, da uno a due milioni di yuan a decine di milioni di yuan. Inoltre, a causa del processo speciale, la stampa 3D ha requisiti speciali per i materiali e i materiali ordinari devono essere adattati. Tuttavia, la ricerca e lo sviluppo dei materiali sono difficili e costosi, il che limita in una certa misura lo sviluppo della stampa 3D.
Dopo oltre 30 anni di sviluppo, la tecnologia di stampa 3D è stata continuamente migliorata e sono state formate varie modalità di stampa come la biostampa 3D, la stampa di materiali organici e la stampa di metalli. La stampa 3D in metallo utilizza generalmente fonti di energia laser ed elettroni per fondere la polvere metallica, in modo che la polvere metallica venga sinterizzata e accumulata per formare una struttura complessiva. Esistono due metodi di immissione della polvere metallica nell'intero processo, la diffusione della polvere e l'alimentazione della polvere. Secondo diversi metodi di alimentazione della polvere, il principio del processo di stampa 3D in metallo è suddiviso in deposizione di energia direzionale (nota anche come alimentazione della polvere) e fusione selettiva del letto di polvere (chiamata anche diffusione della polvere). Il rivestimento a polvere si riferisce alla diffusione di polvere metallica sul substrato per formare uno strato sottile, che viene poi fuso insieme mediante fusione laser di aree specifiche sullo strato sottile. Rispetto alla diffusione della polvere, l'alimentazione della polvere non forma uno strato sottile e la polvere viene erogata direttamente al pool fuso formato dal laser sul substrato attraverso l'ugello della polvere e sinterizzata per formare un tutt'uno. La tecnologia di stampa 3D in metallo tradizionale può essere approssimativamente suddivisa in tecnologia di fusione selettiva laser (SLM), formazione di fusione a fascio di elettroni (EBM), tecnologia di modellatura della rete laser (LENS), tecnologia di deposizione di filamenti di fusione a fascio di elettroni (EBF) e così via.
Ci sono tre fattori importanti nello sviluppo della tecnologia, delle attrezzature, dei materiali e dei processi di produzione di additivi metallici. Al momento, ci sono ancora margini di miglioramento in questi tre aspetti. Al fine di espandere la scala di applicazione della tecnologia di stampa 3D, la tecnologia di produzione di additivi metallici si sta sviluppando nella direzione di basso costo, grandi dimensioni, multi-materiale, alta precisione e alta efficienza.
(1) Le attrezzature per additivi metallici si stanno sviluppando nella direzione della specializzazione e su larga scala. Con la crescente domanda di stampa di strutture su larga scala e campi specifici, le attrezzature per la stampa 3D in metallo sono diventate una tendenza verso lo sviluppo su larga scala e professionale.
(2) Le materie prime stampabili continuano ad aumentare e inizia ad apparire la stampa di materiali compositi. Al momento, i tipi di materie prime utilizzate nella stampa 3D in metallo sono relativamente piccoli e la qualità dei materiali non è elevata. Con la continua penetrazione della produzione additiva nel settore industriale, la domanda del mercato per la stampa 3D in metallo in grado di ottenere una stampa mista multi-materiale sta gradualmente aumentando. Inoltre, sta iniziando a emergere la stampa simultanea di più materiali compositi, che possono combinare i vantaggi di materiali diversi.
(3) Sviluppare nuove tecnologie di produzione di additivi metallici. La tradizionale tecnologia di produzione additiva in metallo presenta problemi come costi elevati e bassa efficienza, tra i quali la bassa efficienza è anche uno dei fattori chiave che impediscono alla produzione additiva di sostituire la tradizionale produzione sottrattiva in molti campi. Si prevede che con la graduale maturità di questa tecnologia in futuro, come l'aumento della potenza del laser e l'ottimizzazione del percorso di stampa, il tasso di produzione della produzione additiva possa essere migliorato.