Metal Injection Molding o Binder Jetting, quale utilizzare? #1

Metal Injection Molding o Binder Jetting, quale utilizzare? #1

I produttori che sono alla ricerca di una soluzione per realizzare componenti metallici di piccole dimensioni e forme complesse hanno avuto fino ad oggi due sole opzioni:

  • la microfusione
  • lo stampaggio ad iniezione di metallo (MIM)

Mentre il casting, che viene utilizzato dalla notte dei tempi, rimane competitivo solo per pezzi di considerevole dimensione o per cui è richiesta una scarsa precisione, il MIM (Metal Injection Molding) esiste da circa 4 decenni ed è una tecnologia matura e vantaggiosa. È utilizzato infatti per la produzione in vasta scala di piccoli e complessi componenti con precisioni elevate e tali da non richiedere lavorazioni successive.

Qual è il rovescio della medaglia?
Purtroppo il MIM ha un costo elevato, soprattutto a causa degli stampi.
Le aziende quindi stanno incentivando sempre più lo sviluppo di un’alternativa più economica e versatile: la stampa 3D in metallo e nella fattispecie il 3D Binder Jetting.

Se vi state domandando quale sia la tecnologia da utilizzare, non dovete fare altro che leggere questo articolo: vi fornirò un’esaustiva introduzione alle due tecnologie e alla fine le metteremo a confronto evidenziandone i pro e i contro.

Partiamo dalla prima.

Metal Injection Molding (MIM)

Il Metal Injection Molding (MIM) è un processo metallurgico per la produzione di materiali di forma complessa, a partire da una materia prima sotto forma di polvere metallica compattata in pellets.

Nasce negli anni ’20 con il solo utilizzo di polveri ceramiche, ma è negli anni ’70 che si afferma come una delle tecnologie più versatili in termini di realizzazione di prodotti ad elevata complessità geometrica e di materiali utilizzabili (polveri ceramiche, polveri metalliche e polimeri).
Negli ultimi anni infine, la tecnologia si è ulteriormente perfezionata con il conseguente abbattimento dei costi di produzione e ciò ha permesso un ulteriore miglioramento del prodotto ottenuto.

Il processo MIM è normalmente suddiviso in 3 fasi principali:

  1. Stampaggio
  2. Deceratura (debinding)
  3. Sinterizzazione

Le vedremo ora nel dettaglio e inoltre vi esporrò due fattori, rispettivamente in fase di deceratura e in fase di sinterizzazione, da tenere in considerazione per ottenere i migliori risultati. Non perdeteveli!

Stampaggio

Prima dello stampaggio è necessaria la preparazione della materia prima, che verrà fusa, stampata, solidificata e addensata. Per questo motivo la polvere metallica/ceramica viene miscelata con proporzioni ben precise di binder (legante) organico, ottenendo una soluzione solida omogenea (chiamato anche feedstock).

Il componente organico è uno dei protagonisti principali dell’intero processo e deve soddisfare i seguenti requisiti:

  • Inglobare un’alta percentuale di polvere metallica/ceramica, 60% di volume circa.
  • Formare una massa omogenea che può essere plastificata e modellata ad alte temperature.
  • Essere rimosso senza causare notevoli distorsioni all’oggetto pur agendo da componente strutturale rimovibile.
  • Essere un composto che non provochi danni alla salute e all’ambiente.
  • Non possedere costi elevati.
  • Essere riciclato tramite cicli di distillazione.

I rapporti in volume binder/polvere metallica variano a seconda della tipologia e della quantità utilizzata dei due componenti.
Nel caso specifico, la percentuale in volume della polvere metallica varia tra il 55 e il 65% (legante 45-35%). 
Il binder organico termoplastico viene miscelato a secco e successivamente a caldo (alla temperatura di fusione del polimero) insieme alla polvere metallica. Questa fase è essenziale al fine di massimizzare l’omogeneità della stessa miscela. L’aumento di temperatura in fase di miscelazione è importante per ottenere il livello più basso di viscosità possibile e facilitare la fase di stampaggio a caldo.
Al termine del procedimento, la miscela viene di nuovo raffreddata e granulata fino all’ottenimento dei pellets veri e propri.

Il feedstock viene inserito in una tramoggia e successivamente pressurizzato tramite una vite spinta da un cilindro idraulico e riscaldato tramite delle resistenze inserite in corrispondenza dell’ugello di iniezione.
La miscela fusa e pressata viene quindi iniettata in uno stampo in acciaio.
Lo stampo deve possedere caratteristiche antiabrasive in quanto il materiale fuso è altamente abrasivo in fase di deposito.

L’oggetto prodotto e raffreddato viene definito verde e contiene ancora tutto il legante in fase solida.
La bassa maneggevolezza del verde dipende dal fatto che, in questa fase, le proprietà meccaniche sono conferite al pezzo solamente dal composto polimerico. Si consideri che il verde possiede la forma e le proporzioni del prodotto finale ma con un volume maggiore del 15-20% a causa della presenza del binder.

Leggete ora attentamente le prossime righe, perché la scelta del legante è di fondamentale importanza affinché si ottimizzi il processo di stampa e di debinding

Un legante bassofondente velocizza il processo di deceratura ma allo stesso tempo causa una separazione di fase tra il legante e la polvere metallica.
La segregazione può essere causata da due fattori distinti:

  • Gradienti di distribuzione: possono bloccare un po’ del materiale estruso nell’iniettore diminuendo la pressione di iniezione che porta ad un inadeguato riempimento di forma.
  • Forze centrifughe differenziali: in questo caso la segregazione nasce dal processo di iniezione. La fase di iniezione trasmette al binder ed ai metalli forze centrifughe diverse, separando quindi le particelle più pesanti da quelle leggere. Questo fenomeno porta necessariamente alla formazione di un verde disomogeneo.

Diversamente, utilizzando un binder con punto di fusione e peso molecolare superiori, si ha un beneficio in termini di viscosità a scapito però della velocità della fase di debinding.
Bisogna considerare anche che l’aumento di viscosità può causare spurghi di olio (contenuto nel binder per agevolare la fase di preparazione) che andrebbero a variare la forma del componente in modo permanente, causando cricche irreversibili in fase di sinterizzazione.        

Da ciò che abbiamo detto finora, ne consegue che è importante scegliere attentamente una formulazione di binder in grado di essere efficiente sia in fase di stampa che di debinding.

Vediamo ora la fase più delicata e critica dell’intero processo.

Deceratura (debinding)

Un debinding effettuato correttamente è fondamentale per una buona riuscita delle fasi successive.
Lo scopo di questa fase è quello di rimuovere la maggior parte del legante presente in fase solida.
La fase di deceratura deve avvenire in modo da evitare deformazioni, sgretolamenti, rigonfiamenti o rotture dell’oggetto stampato.

Esistono due tipologie di deceratura:

  • Debinding con solvente
  • Debinding termico

Nel caso di deceratura con solvente, il legante dev’essere in grado di disciogliersi in un solvente a bassa temperatura. L’acetone e l’eptano sono tipicamente solventi utilizzati per il debinding di leganti idrofobici, anche se si preferisce l’utilizzo di acqua come solvente, poiché i binder idrofili non attaccano chimicamente la struttura del composto.

Il debinding con solvente generalmente asporta solo una parte del legante, infatti, dopo questa fase, segue il debinding termico.

La deceratura termica consiste nel far evaporare il binder per via termica.
Questa tipologia di deceratura in genere si applica con i forni a vuoto, innalzando la temperatura lentamente in modo da evitare fenomeni di rigonfiamento e deformazione del verde.

Al termine della deceratura, l’oggetto perde peso e volume formando una struttura solida metallica, chiamata in gergo marrone.

Sinterizzazione

Eccoci giunti alla fase finale del processo, che ha lo scopo di:

  • compattare la struttura, addensandola fino al 95% della densità teorica finale;
  • eliminare il binder residuo (10% di binder residuo massimo).

Al termine si ottiene il prodotto con le caratteristiche meccaniche e geometriche definitive.

Di solito la sinterizzazione viene condotta in forni da vuoto, aumentando la temperatura fino a 2/3 della temperatura di fusione del composto metallico. In questo modo si ottiene completa coalescenza dei singoli grani di polvere con conseguente densificazione del componente finale. In alcuni casi la fase di sinterizzazione può essere agevolata facendola precedere da una fase di pre-sinterizzazione.

Le leghe tipicamente utilizzate per la realizzazione dei pezzi MIM sono:

  • acciai da cementazione;
  • acciaio da bonifica;
  • acciaio per cuscinetti;
  • acciaio inossidabile;
  • acciaio per utensili;
  • leghe Fe-silicio per applicazioni magnetiche.

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Binder Jetting

Vediamo ora la tecnologia più recente, l’alternativa al MIM che negli ultimi anni è spesso sotto ai riflettori: il binder jetting ovvero la stampa 3d del metallo. Si noti che il termine stampa 3D nel linguaggio comune viene spesso usato erroneamente come sinonimo di manifattura additiva, invece la stampa tridimensionale è solo una delle tecnologie possibili di manifattura additiva.

Come funziona il binder jetting?
In poche parole, un agente legante liquido viene depositato selettivamente su uno strato di polvere metallica, dopodiché, strato su strato si forma l’oggetto finale.

Binder Jetting

A: serbatoio polvere di metallo; B: racla; C: legante; D: testina di stampa; E: letto di polvere

Entrando un po’ più nel dettaglio, il componente da realizzare viene progettato utilizzando un CAD (Computer-Aided Design) e il file risultante viene inviato ad una stampante 3D che produrrà l’oggetto suddividendolo in layer (strati).
Il processo di stampa avviene come descritto di seguito:

  1. Una racla (una sorta di lama metallica) stende uno strato di polvere sulla base che verrà utilizzata per la costruzione del pezzo.
  2. Una testina di stampa deposita in maniera selettiva sulla polvere metallica il materiale collante. La dimensione media di ogni goccia è di circa 80 μm di diametro, quindi è possibile ottenere una buona risoluzione.
  3. Una volta completato il processo di deposizione del collante sul primo strato, la base scende per poter procedere con il layer successivo.
  4. Si riparte dal punto (1) fino al completamento di tutti i layer di stampa.

Al termine l’oggetto viene ripulito dalla polvere in eccesso che può essere riciclata.

Conclusa la fase di stampa, l’oggetto prodotto è in uno stato di verde con scarse proprietà meccaniche e alta porosità. Per questo motivo sono necessari dei trattamenti post processo, che sono tipicamente due:

  • infiltrazione e/o
  • debinding e sinterizzazione.

Nel caso dell’infiltrazione si tratta di inserire nelle cavità reticolari composti del tipo: cera fusa, colla cianoacrilica, resina epodossica ecc.
Nel caso del debinding seguito dalla sinterizzazione, si applicano in vuoto in modo da ottenere la rimozione del binder ed una successiva coalescenza dei grani di polvere metallica.

In entrambi i casi lo scopo di questi trattamenti è quello di densificare il componente stampato in modo da aumentarne le proprietà meccaniche.
In seguito a questi trattamenti, il volume del campione si riduce parecchio, a causa delle elevate percentuali di binder pretrattamento, ma soprattutto in maniera poco prevedibile.

Il tipo di legante è fortemente correlato alla polvere utilizzata: ad esempio l’utilizzo di un legante furanico è ideale per stampe a letto di silice che non richiedono un trattamento termico post stampa. I leganti fenolici invece sono ottimi come leganti per forme ad anime di sabbia. Per le polveri metalliche infine vengono utilizzati principalmente leganti a base acquosa in grado di addensare gli strati.

I materiali utilizzati nel binder jetting sono:

  • Sabbia di silice: derivante da cristalli al quarzo, non necessita di trattamenti termici;
  • Acciaio inossidabile: il quale può essere anche infiltrato con bronzo. Il prodotto possiede ottime proprietà meccaniche e può essere ricotto;
  • Leghe di cobalto-cromo-allumino: con eccellenti proprietà di resistenza meccaniche ad alta temperatura

Conclusioni

Abbiamo analizzato le caratteristiche del MIM e del binder jetting, descrivendo i processi di produzione e mettendo in evidenza i lati positivi e negativi di ognuno di essi.

Una tecnologia è destinata a sostituire l’altra?
Oppure coesisteranno entrambe, ognuna in ambiti e con finalità specifiche?

Questo sarà l’argomento che affronteremo nella seconda parte dell’articolo… non perdetevelo!

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