La stampa 3D si sta evolvendo da un processo di nicchia a una tecnologia di produzione ad alto volume. Evonik fornisce materiali personalizzati per tutte le principali tecnologie e sta portando avanti lo sviluppo delle stampanti di prossima generazione.
Un cambiamento di paradigma è in corso negli impianti di fabbricazione industriale. Normalmente, il materiale plastico deve essere fuso e colato o pressato in stampi predefiniti per produrre l'elemento corrispondente. Dove questi processi di formatura incontrano i loro limiti, i processi additivi prendono il sopravvento: Sulla base di un modello digitale tridimensionale, il materiale viene applicato a strati su una superficie di base. Dopo ogni applicazione la superficie viene abbassata di una frazione di millimetro e viene aggiunto un altro strato. Molto presto viene prodotta una struttura tridimensionale che corrisponde esattamente alla specifica digitale - senza bisogno di stampi speciali o di un'estesa post-elaborazione.
I processi additivi - solitamente indicati come stampa 3D - sono stati finora utilizzati principalmente per prototipi e modelli. I vantaggi sono evidenti: se il risultato non è ottimale, il set di dati viene semplicemente cambiato e la stampa viene ripetuta. Inoltre, quando i prodotti sono richiesti solo in piccole serie, la fabbricazione convenzionale è di solito troppo laboriosa e costosa; esempi sono i componenti per veicoli con extra opzionali, alloggiamenti per macchine speciali, e persino pinze per robot che trasportano e imballano oggetti sensibili e in continuo cambiamento.
La costruzione di aeromobili e la tecnologia medica come motori tecnologici
Da alcuni anni questo nuovo tipo di sagomatura si sta affermando anche nella produzione in serie. Tra i driver più importanti ci sono la costruzione di aerei e la tecnologia medica. Nella costruzione di aerei, i pezzi devono essere leggeri, molto compatti, altamente funzionali e anche resistenti al calore. Nella tecnologia medica, un altro fattore gioca un ruolo: non ci sono due persone uguali. Pertanto, le protesi, gli ausili o anche i dispositivi chirurgici devono essere misurati e adattati individualmente. La stampa 3D viene utilizzata per creare piccoli ausili di perforazione e sega per operazioni al ginocchio o apparecchi acustici, per esempio.
Per la plastica, la produzione additiva è un mercato molto promettente. Le materie plastiche sono durevoli, facilmente fusibili e quasi infinitamente variabili nelle loro proprietà, e sono quindi ideali per questa tecnologia all'avanguardia. Con la poliammide 12 (PA12), Evonik è uno dei principali fornitori al mondo di polveri per la stampa 3D; con la poliammide 613, il gruppo offre anche un materiale in polvere per l'uso nella gamma più alta di temperature. Evonik ha consegnato le prime polveri polimeriche per la produzione additiva già nel 1996, stabilendo degli standard per i materiali plastici che sono ancora validi oggi. Ora l'azienda di specialità chimiche sta lanciando una vera e propria campagna di materiali per le tecnologie additive. Con una varietà di materiali innovativi ad alte prestazioni del marchio INFINAM® del gruppo, che vanno dai materiali rinforzati a quelli ritardanti di fiamma ed elastici, Evonik sta portando l'industria della stampa 3D un passo decisivo più vicino alla produzione in serie.
La stampa 3D per le masse
La stampa 3D è ancora utilizzata principalmente per creare finiture o piccole parti che sono invisibili agli acquirenti di automobili. Questo non è sorprendente, dal momento che ogni nuova applicazione deve prima dimostrare il suo valore in aree meno critiche. La stampa 3D deve principalmente competere con la consolidata tecnica di stampaggio a iniezione, che è stata migliorata nel corso di molti anni. I vantaggi della stampa 3D sono che permette la libertà nel design e apre opportunità completamente nuove per ricercatori e ingegneri per sviluppare componenti leggeri e creare funzioni totalmente nuove. "Stiamo completamente riprogettando le parti per la stampa 3D in modo che abbiano le proprietà che vogliamo", dice Monsheimer.
Questo processo è semplificato da uno dei nuovi partner di Evonik, la start-up israeliana Castor. Il software dell'azienda conduce un'analisi tecnica ed economica completa per determinare quando la produzione additiva è economica rispetto ai metodi di produzione convenzionali.
Un componente che viene reinventato per la stampa 3D spesso ha poco in comune con la parte originale. Mentre una parte stampata a iniezione deve essere pesante e massiccia in modo che possa sopportare grandi sollecitazioni, una parte equivalente stampata in 3D può avere un design apparentemente filigranato composto da archi, montanti e strutture a nido d'ape. Può resistere alle sollecitazioni tanto bene quanto la parte stampata a iniezione, ma pesa solo una frazione.
Queste riduzioni di peso rendono la fabbricazione additiva una tecnica molto interessante per la costruzione di aerei. Ogni grammo conta in questo settore, e c'è una crescente domanda di macchine più efficienti nel consumo di carburante e meno dannose per il clima. Le innovazioni della fabbricazione additiva sono inizialmente poco appariscenti anche qui. La US Air Force, per esempio, usa la stampa 3D per produrre parti di ricambio per i suoi aerei a reazione veterani.
Vetrina della stampa 3D
Secondo Monsheimer, i maggiori volumi di produzione richiederanno, più di ogni altra cosa, che la produzione additiva diventi più veloce. "Il processo diventerà particolarmente interessante per l'industria automobilistica quando inizieremo a produrre decine di migliaia o centinaia di migliaia di unità", dice. La nuova partnership tra Evonik e la startup statunitense Evolve potrebbe essere la chiave per sbloccare questo potenziale. La tecnica della startup, che è conosciuta come STEP, funziona fondamentalmente come una stampante laser e quindi raggiunge velocità molto più elevate.
Evonik sta contribuendo alla partnership con la sua decennale esperienza sui materiali - una situazione win-win, dice Sylvia Monsheimer, responsabile del segmento di mercato New 3D Printing Technologies: "Possiamo sviluppare un nuovo materiale se abbiamo una macchina su cui possiamo testare. Gli altri possono sviluppare una nuova macchina se hanno un buon materiale. E così l'Application Technology Center di Evonik a Marl offre una vetrina per la scena internazionale delle stampanti 3D. Oltre alle macchine di HP e 3D Systems, la mostra presenta macchine dei leader di mercato tedeschi EOS e Voxeljet, l'azienda svizzera Sintratec e il produttore cinese TPM.
Questa profonda comprensione aiuta nello sviluppo di nuovi materiali per i vari processi di stampa, dice Monsheimer. "A seconda dei requisiti, abbiamo bisogno da sei mesi a due o tre anni per un nuovo materiale - a volte anche di più". La poliammide 12 (PA12), usata in innumerevoli applicazioni, è spesso la base, e gli sviluppatori di materiali di Evonik usano additivi per darle nuove proprietà. "I ritardanti di fiamma, per esempio, la rendono adatta ad applicazioni nell'industria elettrica o per componenti nell'industria aerospaziale. E se il materiale deve essere particolarmente stabile, incorporiamo particelle di vetro, per esempio".
Offensiva di materiali per la stampa 3D
A Marl si creano anche combinazioni di materiali completamente nuove. Solo l'anno scorso, Evonik ha presentato la polvere ad alte prestazioni PA 613, che combina i vantaggi delle poliammidi a catena lunga e corta: È particolarmente stabile alla temperatura, forte ma flessibile e assorbe poca acqua. Nel 2018, l'elastomero INFINAM® TPA (ammide termoplastica), introdotto negli anni '80, è servito come base per una polvere che può essere utilizzata per stampare oggetti di consistenza quasi simile alla gomma.
"Nessun'altra azienda al mondo può contare su così tanti metodi diversi di produzione delle polveri come Evonik", dice Monsheimer. E molte cose che non sono ancora possibili saranno rese possibili con una nuova tecnologia di produzione che l'azienda ha acquistato nel 2019: la start-up statunitense Structured Polymers ha sviluppato un processo che può polverizzare molti più materiali di quanto Evonik fosse in grado di fare prima. Un nuovo copoliestere in polvere INFINAM® TPC, il primo materiale prodotto con l'innovativa tecnologia, ne è il miglior esempio.
Ma gli esperti si sono occupati anche di altri materiali di partenza. Circa due anni fa, Evonik ha aperto un nuovo centro di ricerca a Singapore, dove gli specialisti della formulazione stanno lavorando allo sviluppo di fotopolimeri di nuova generazione per la stereolitografia. "C'è ancora molto territorio sconosciuto nei polimeri", dice Monsheimer. "Da quando ho iniziato qui, ho sempre voluto allontanarmi dal principio 'una società - un processo'. Sono molto contento che questo sia esattamente ciò che sta accadendo ora.
Indipendentemente da quanto velocemente la produzione additiva prenderà piede a livello industriale, gli esperti di polimeri di Evonik sono determinati a conquistare costantemente ogni nuova applicazione. Ciò significa osservare le dinamiche del mercato, guidare l'innovazione e contribuire con la nostra esperienza in modo mirato e in una fase iniziale. Soprattutto, Evonik vede la cooperazione con i produttori di impianti e gli utenti 3D come un apriporta per uno dei mercati futuri più eccitanti per i tecnopolimeri e i polimeri ad alte prestazioni.
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