Quando HP ha annunciato le caratteristiche chiave della sua nuova stampante 3D ‘Multi Jet Fusion 4200’ nel 2014, ha promesso che avrebbe introdotto un nuovo tipo di tecnologia additiva, che avrebbe stampato parti più precise e più resistenti di quelle prodotte da Stampanti FDM e sinterizzazione laser e a una velocità dieci volte superiore. Questo annuncio ha scosso l’intero mondo della stampa 3D, alcuni sono estremamente entusiasti della nuova tecnologia e altri sono scettici sul fatto che HP, un nuovo arrivato nell’arena, possa mantenere le sue promesse.

Uno degli argomenti più scottanti in quel momento (e ora) era il confronto tra HP Jet Fusion e la sinterizzazione laser . Queste tecnologie sono fondamentalmente diverse (maggiori dettagli di seguito); tuttavia, utilizzano materiali simili per creare parti prodotte con polveri.

Ora che HP Multi Jet Fusion 4200 e la sua nuova versione 5200 è sul mercato da anni, è tempo di dare uno sguardo approfondito alle caratteristiche più importanti di entrambe le tecnologie e, soprattutto, alla qualità delle parti stampate in 3D che esse sono in grado di produrre.

Produttori: le aziende dietro le tecnologie
La sinterizzazione laser è sul mercato da più di 30 anni. Inizialmente è stato sviluppato da Carl R. Deckard a metà degli anni ’80; ha fondato la società DTM Corp. (Desktop Manufacturing Corporation), che ha commercializzato la prima macchina di sinterizzazione laser al mondo (“Sinterstation 2000”) nel 1992. Tale società è stata infine venduta al gigante del settore, 3D Systems, nel 2001, per 45 milioni di dollari. . Tuttavia, oggi 3D Systems svolge solo un ruolo minore nella sinterizzazione laser, mentre la società tedesca EOS definisce gli standard del settore. EOS inizialmente produceva macchine per la stereolitografia; in seguito è passata alla tecnologia di sinterizzazione laser, diventando rapidamente leader del mercato mondiale.

Hewlett-Packard (HP) è entrata nel mercato della stampa 3D piuttosto tardi, alla fine del 2016. Erano conosciuti prima di questo per la loro raffinatezza nella stampa 2D a getto d’inchiostro, tra le altre cose. Non sorprende che la loro prima stampante 3D, la Multi Jet Fusion 4200, fosse basata sulla tecnologia a getto d’inchiostro (maggiori dettagli nelle sezioni tecnologiche). Sebbene HP Inc. (la divisione hardware di Hewlett-Packard) possa essere nuova nel campo della stampa 3D, non è esattamente una ” start up ”: solo il budget di ricerca e sviluppo di HP Inc. da solo è maggiore dei ricavi di EOS e 3D Systems presi insieme.

Processo di stampa
Tecnologie: HP Jet Fusion vs. sinterizzazione laser
Il principio della sinterizzazione laser è abbastanza semplice: uno strato di polvere (metallo o plastica) viene steso su una piattaforma di costruzione. Successivamente, un raggio laser “sinterizza” la polvere in aree definite. La sinterizzazione significa che la polvere viene riscaldata fino a una temperatura alla quale le particelle di plastica iniziano ad attaccarsi tra loro, solidificandosi una volta raffreddate. La piattaforma viene quindi abbassata (in genere 100 – 120 micron per la maggior parte delle macchine) e il processo viene ripetuto fino al completamento del modello. Maggiori informazioni sulla tecnologia .

Schema del processo di sinterizzazione laser

Fonte: Wikipedia / Autore: Materialgeeza

La fusione multi getto funziona in modo completamente diverso. L’unico passaggio che entrambe le tecnologie hanno in comune è la diffusione di una polvere su una piattaforma di costruzione. Quindi, le stampanti HP Jet Fusion 3D espellono un liquido chiamato agente di fusione sulla polvere. La solidificazione si ottiene applicando una fonte di calore (luce infrarossa) all’intera piattaforma di costruzione. L’ agente di fusione è un liquido conduttore di calore che assorbe più energia e quindi si riscalda più facilmente rispetto alla polvere senza l’ agente di fusione . Le aree con l’ agente di fusione si riscaldano nella misura in cui la polvere si scioglie e si fonde completamente.

Immagina un foglio di carta bianco; un’area viene stampata completamente nera. Se il foglio viene quindi esposto alla luce del sole per un po ‘, l’area nera diventerà più calda rispetto ai bordi bianchi poiché il nero assorbe più energia del sole. Fondamentalmente, la fusione a getto applica la stessa logica; utilizza un agente fondente di colore nero che assorbe più calore (dalla fonte di calore) rispetto alla polvere bianca e grezza.

Jet fusion utilizza un agente di dettaglio oltre all’agente di fusione. L’agente di dettaglio è stampato proprio intorno all’area del modello. L’agente di dettaglio è termoisolante e garantisce che i bordi siano chiaramente definiti creando un forte gradiente di temperatura tra le aree del modello e lo spazio circostante. Senza l’agente di dettaglio, i bordi e i dettagli del modello sarebbero piuttosto sfocati.

Ulteriori informazioni su HP Jet Fusion.

https://youtu.be/DDeleRiIiQU
Fonte: Youtube.com / HP Inc.

Proprietà meccaniche delle parti stampate in 3D
Entrambe le tecnologie utilizzano lo stesso materiale di base, in termini chimici, tuttavia, le proprietà meccaniche delle parti stampate in 3D prodotte in questi modi diversi, differiscono in modo significativo.

Nella sinterizzazione laser , un piccolo raggio laser (tipicamente 100-200 micron di diametro) riscalda la polvere leggermente al di sotto del punto di fusione. Quindi, le parti sono “sinterizzate” (come suggerisce il nome) e non completamente fuse insieme.

Al contrario, la fusione a getto (di nuovo, come suggerisce il nome) fonde il materiale : cioè, lo fonde effettivamente. Di conseguenza, le parti della fusione a getto sono più omogenee in tutte le direzioni (assi XY e Z) e hanno una densità maggiore.

Ecco alcuni esempi di cosa significa in pratica (barra nera, fusione a getto; barra grigia, sinterizzazione laser):

Densità del materiale
HP Jet Fusion vs Laser Sintering – Densità delle parti
Densità della parte

Le parti sinterizzate al laser sono più porose, mentre le parti HP Jet Fusion hanno la stessa densità del PA12 stampato a iniezione.

Proprietà meccaniche
Nell’asse XY, la maggior parte dei dati è confrontabile. Le differenze sorgono nell’asse Z, dove la fusione a getto offre prestazioni migliori in termini di resistenza alla trazione e allungamento a rottura. Questi dati indicano che le parti di fusione a getto sono più isotropiche delle parti di sinterizzazione laser (che mostrano una maggiore differenza tra gli assi XY e Z).

Tieni presente che tutte queste cifre sono solo indicative; i valori effettivi possono variare in base al pezzo, alla macchina, alle impostazioni della macchina e all’orientamento del pezzo.

HP Jet Fusion vs Laser Sintering: resistenza alla trazione delle parti
Resistenza alla trazione

Le parti di sinterizzazione laser e fusione a getto si comportano allo stesso modo sull’asse xy, tuttavia lungo l’asse z (parallelo agli strati di stampa); le parti sinterizzate al laser hanno una resistenza notevolmente inferiore. Ciò significa che la fusione a getto e le parti SLS sono ugualmente forti perpendicolari agli strati di stampa, ma le parti SLS si rompono più facilmente lungo gli strati.

HP Jet Fusion vs Laser Sintering: modulo di trazione delle parti
Modulo di tensione

Mentre le parti in fusione a getto mostrano differenze tra il loro asse XY e il loro asse Z, tutti questi valori sono leggermente superiori a quelli ottenuti dalla sinterizzazione laser. Ciò significa che le parti in fusione a getto sono leggermente più resistenti alla deformazione.

HP Jet Fusion vs Laser Sintering: allungamento alla rottura delle parti
Allungamento a rottura

Entrambe le tecnologie si comportano (quasi) allo stesso modo sull’asse XY, ma la fusione a getto è più resistente lungo l’asse Z.

Fonte: dati sui materiali EOS per PA2200 Balance 1.0 e HP 3D High Reusability PA 12 .
Nota: i dati possono variare in base alla macchina e alle impostazioni.

Differenze nella qualità della superficie
Poiché entrambe le tecnologie sono a base di polvere, entrambi i tipi di superficie sono coperti con singoli granelli di polvere. Le polveri utilizzate nella sinterizzazione laser e nella fusione a getto sono abbastanza simili (granulometria ~ 60 micron); quindi, le superfici hanno un aspetto e una sensazione simili. Tuttavia, le misurazioni rivelano una rugosità superficiale leggermente ridotta del sistema Multi Jet Fusion di HP rispetto alla sinterizzazione laser. La qualità della superficie superiore del sistema Multi Jet Fusion è molto probabilmente il risultato di un processo di fusione più omogeneo della polvere.

Rugosità superficiale HP Jet Fusion e sinterizzazione laser grezza
Rugosità superficiale Ra e Rz per stampe SLS e Jet Fusion non trattate.

Rugosità superficiale HP Jet Fusion e sinterizzazione laser lucidata
Rugosità superficiale Ra e Rz per stampe SLS e Jet Fusion granigliate.

Metodologia: i valori Ra e Rz sono stati misurati su parti di prova standardizzate (20 x 40 x 3 mm). Le parti sono state stampate piatte (xy) su HP Multi Jet Fusion 4200 (HP High-reusability PA12) e EOS P 380 (PA2200).

Precisione dimensionale di entrambi i sistemi
Tolleranza dimensionale Laser Sintering e HP Jet Fusion
Fonte: Hewlett-Packard, misurazioni proprie.
Il grafico mostra la tolleranza dimensionale in mm per un pezzo non superiore a 100 mm.

La precisione dimensionale della fusione a getto è leggermente superiore. Ci sono una serie di ragioni per questa differenza: una delle più importanti è il processo di riscaldamento. Mentre nella sinterizzazione laser un raggio laser con un diametro piccolo di appena 100-200 micron riscalda aree molto piccole della polvere, in Jet Fusion l’intera piattaforma di stampa viene riscaldata contemporaneamente. Gli effetti sono che a) le aree del modello vengono riscaldate molto più lentamente nella fusione a getto b) l’intera area viene riscaldata simultaneamente, in modo che i gradienti di temperatura siano meno problematici. Entrambe le circostanze riducono al minimo il rischio di effetti termici (come restringimento o usura) che compromettono l’accuratezza dimensionale.

Tempo di ciclo Jet Fusion vs. SLS
Il tempo di stampa di un ciclo completo di una stampante 3D HP Multi Jet Fusion 4200 (altezza dello strato 80 micron) dura circa:

Preriscaldare: ~ 1,5 – 2 h
Stampa: ~ 12 h
Raffreddamento: ~ 12 h
Totale: ~ 26 h
Il volume di costruzione è 380 x 284 x 380 mm ( ~ 40 l ).

Va precisato che le nuove Hp Jet Fusion 5200 hanno un tempo di esecuzione del build quasi dimezzato.

Per la sinterizzazione laser, questi valori variano notevolmente, poiché ci sono moltissime macchine, impostazioni e materiali. Una macchina abbastanza popolare è una EOS Formiga , che consente la stampa 3D ad alta risoluzione. Il volume di costruzione è circa la metà delle dimensioni del Multi Jet Fusion 4200 ( ~ 16 l ). Per una stampa con altezza dello strato di 100 micron , il ciclo di stampa è il seguente

Preriscaldare ~ 1,5 – 2 h
Stampa ~ 30 h (dipende fortemente da quanto è compatto lo spazio di costruzione)
Raffreddamento: ~ 10 – 12 h
Totale: ~ 40 – 45 h
Si consiglia di raffreddare la piattaforma 1: 1 con il tempo di stampa (cioè 30 h di stampa = 30 h di raffreddamento), tuttavia in pratica questo tempo è normalmente più breve. Esistono macchine più grandi e ad alte prestazioni di produttori come EOS, che corrispondono alle prestazioni di velocità di HP applicando piattaforme di grandi dimensioni e sistemi a doppio laser.

E’ chiaro che la tecnologia Hp Jet Fusion è superiore alla sinterizzazione, del resto è nata solo recentemente mentre la sinterizzazione è dei primi anni 90, oggi noi riusciamo a fornire ai nostri clienti serie piccole o grandi che consentono la realizzazione di pezzi funzionali senza dover ricorrere all’uso di stampi o attrezzature, va comunque precisato che l’uso della tecnologia di Hp è destinato solo ai service di grandi dimensioni e fatturato essendo un investimento ingente e con costi dei materiali di consumo molto alti, convenienti solo con una grossa densità di produzione. Noi ormai abbiamo quasi completamente abbandonato l’uso del Nylon sulle nostre macchine di sinterizzazione laser che abbiamo convertito alla produzione di altri materiali come il Castform per la produzione di master per la fusione a cera persa.