Material Jetting vs Binder Jetting: quale tecnologia scegliere?

Esistono molti processi di produzione additiva con diverse applicazioni e alcuni possono avere delle somiglianze. Ad esempio, le tecnologie di stampa 3D spesso si sovrappongono in aree quali i materiali utilizzati, la fonte di calore impiegata, la testina di stampa, ecc. Un esempio è dato dalle tecnologie a getto di materiale o Material Jetting (MJ) e a getto di legante o Binder Jetting (BJ), che “gettano” entrambi del materiale sul piano di stampa. Tuttavia, queste due tecniche non sono identiche e appartengono anzi due rami distinti della famiglia delle tecnologie di stampa. Nel Material Jetting, gocce di resina fotosensibile vengono depositate e poi indurite con luce ultravioletta, mentre nel Binder Jetting un legante viene gettato su un letto di polvere, permettendo alle particelle di polvere di legarsi tra loro. Abbiamo voluto mettere a confronto queste due tecnologie per capire meglio come funzionano, spiegandone somiglianze e differenze, ma anche per capire qual è più adatta per determinate applicazioni.

Naturalmente, per avere il quadro completo, è necessario prima fare un passo indietro. In particolare, esaminando rapidamente il contesto di sviluppo di queste due tecnologie. Il Material Jetting (MJ) è stato brevettato nel 1999 dal produttore Objet Ltd, quando l’azienda è stata acquisita nel 2012 da Stratasys, questa ha coniato il termine PolyJet. ExOne ha inventato la prima macchina MJ lanciata nel 1996. Per quanto riguarda il Binder Jetting, il primo lavoro di sviluppo è stato avviato dal MIT nel 1993, poi rapidamente ripreso da Z Corporation, a sua volta acquisita da 3D Systems nel 2012.

Tecnologia

Come funzione il Material Jetting?

Il Material Jetting si basa essenzialmente sullo stesso principio della stampa 2D (la stampa tradizionale a cui siamo tutti abituati). Nel processo, diverse testine di stampa depositano gocce di materiale su un piano di stampa, come la vostra stampante 2D che applica l’inchiostro sul foglio di carta. Nel nostro caso, il materiale utilizzato è la resina fotosensibile o fotopolimero: questa viene indurita dalla luce UV che passa sulla lastra. Il materiale viene depositato in un unico passaggio. Una volta terminato, il piano di stampa viene abbassato e il processo ricomincia.

L’utilizzo di più teste di stampa consente di combinare più tipi di fotopolimeri e di miscelare più colori. Inoltre, offre una velocità di stampa elevata. Come SLA, DLP o LCD, il Material Jetting richiede l’uso di strutture di supporto, create da un materiale solubile che l’utente rimuove al termine della stampa.

Testine di stampa multiple per Material Jetting (Photo Credit: Stratasys)

Questo processo di produzione additiva ha dato vita al NanoParticle Jetting brevettato da Xjet, che consiste nel proiettare nano-particelle di materiale caricato con polvere di metallo o ceramica. Una volta depositate sulla piastra, le gocce evaporano per effetto del calore, lasciando il metallo o la ceramica depositarsie. Si potrebbe anche citare il processo DOD o Drop-On-Demand che utilizza due testine di stampa, una per il materiale da costruzione e l’altra per il supporto. La differenza principale sta nel fatto che il materiale viene depositato solo dove è necessario, a differenza del Material Jetting che proietta il materiale in modo uniforme. Il DOD è compatibile con materiali più viscosi e viene utilizzato principalmente per realizzare modelli in cera per fusioni di precisione.

Come funziona il Binder Jetting?

Come suggerisce il nome, il Binder Jetting si basa sull’uso di un legante e di una polvere. In pratica, la macchina deposita un legante su uno strato di polvere: questo agisce come una “colla” che permette di legare le particelle tra loro. Il processo viene ripetuto strato per strato fino a ottenere il pezzo finale. Come nel caso del processo SLS, il Binder Jetting non richiede alcun supporto di stampa, poiché la polvere funge da materiale di supporto. Una volta terminata la stampa, è necessario rimuovere la polvere intorno al pezzo, prima di rimuovere tutta la polvere rimanente e pulirla. È quindi necessario considerare che ci sono diverse fasi di post-processing. Si noti inoltre che è possibile aggiungere colore alle stampe: esistono infatti leganti colorati che, una volta depositati, colorano il materiale finale.

Il Binder Jetting è ora compatibile con molti materiali, tra cui metallo e ceramica. A seconda del tipo di polvere utilizzata, le fasi di produzione saranno leggermente diverse. Infatti, l’uso del metallo, ad esempio, comporta ulteriori fasi di sinterizzazione o ricottura per legare insieme le particelle di polvere e conferire al pezzo buone proprietà meccaniche. Al contrario, uno stampo in sabbia per la fonderia, ad esempio, sarà generalmente pronto per l’uso una volta uscito dalla stampante 3D. Ma torneremo sulla questione dei materiali più avanti.

Si noti che la tecnologia sviluppata da HP, Multi Jet Fusion (MJF), è molto simile al Binder Jetting, nel senso che utilizza anch’essa un letto di polvere e un agente che funge da legante. Viene anche spesso paragonata alla SLS. Tuttavia, l’MJF rimane un processo separato, che non rientra nello stesso ramo del Binder Jetting.

Caratteristiche

Cominciamo con il getto di materiale, il Material Jetting. Si tratta di una tecnologia in grado di miscelare diversi colori e diversi materiali che permette di creare parti ultra dettagliate ma anche trasparenti. In questo modo, è possibile ottenere strutture molto realistiche, un aspetto che discuteremo nelle applicazioni di questa tecnologia. Altre caratteristiche degne di nota sono la finitura superficiale ottenuta, in genere si ottiene una superficie molto liscia, con la possibilità di avere un effetto opaco o lucido, e l’elevata velocità di stampa. L’uso di più teste di stampa permette infatti di depositare più gocce di materiale contemporaneamente, rendendolo un processo molto più veloce di molti altri.

Come la stereolitografia, il Material Jetting richiede fasi di post-elaborazione. Infatti, i supporti di stampa sono obbligatori e devono essere rimossi una volta che la macchina ha completato il lavoro. Inoltre, poiché le resine utilizzate sono fotosensibili, si degradano se esposte alla luce. In generale, i pezzi prodotti con getto di materiale sono piuttosto fragili e non presentano buone proprietà meccaniche. Per questo motivo la tecnologia viene utilizzata soprattutto per la prototipazione visiva ed estetica. Infine, il piano di stampa è di solito medio: non viene quindi utilizzato per creare pezzi molto grandi.

Il Material Jetting offre trasparenza e dettagli multipli (Photo Credit: Stratasys).

Per quanto riguarda il Binder Jetting (per il momento escludiamo il Binder Jetting metallico), è possibile avere una stampa 3D multicolore, anche se questo non è il vantaggio più importante dell’utilizzo di questa tecnologia. Inoltre, questo processo permette agli utenti di stampare senza supporto, consentendo quindi di sfruttare l’intera superficie del piano. In questo modo è possibile creare pezzi più grandi (soprattutto con sabbia e ceramica). Tuttavia, sono previste fasi di post-elaborazione, come l’aspirazione della polvere in eccesso.

Rispetto ad altre tecnologie, la tecnica del Binder Jetting comporta un minor rischio di deformazioni e distorsioni, poiché il processo avviene a temperatura ambiente. Si noti che offre proprietà meccaniche medie e un’elevata porosità.

Il Binder Jetting può anche produrre parti colorate, anche se in modo diverso dal Material Jetting (Photo Credit: Joseph Forslund/Lund University).

Per quanto riguarda il Metal Binder Jetting (MBJ), si tratta di un processo meno costoso di quelli che si basano sull’uso del laser. Più economico, ma forse meno interessante sotto certi aspetti. Ad esempio, il processo crea un cosiddetto pezzo verde, che dovrà essere ricotto o sinterizzato in un forno specifico. Bisognerà poi pensare al ritiro del pezzo e alle possibili deformazioni che potrebbe subire. È inoltre necessaria un’ulteriore fase per riempire i buchi lasciati dal legante che è stato rimosso. Si tratta di un processo simile allo stampaggio a iniezione di metalli, che però non offre le stesse proprietà meccaniche e che quindi non è necessariamente adatto alla produzione di pezzi finiti. Tuttavia, il MBJ offre una migliore rugosità superficiale e consente di progettare pezzi più grandi, grazie all’assenza di supporti.

Materiali

Le tecnologie di Material Jetting sono compatibili con la maggior parte dei polimeri. Infatti, associati a questo processo, troviamo spesso termoplastici classici come ABS e PLA. Anche altri polimeri, come il nylon e il policarbonato, sono ampiamente utilizzati.

Per quanto riguarda i materiali utilizzati per il Binder Jetting, si tratta per lo più di metalli e ceramiche, anche se è possibile utilizzare anche la sabbia: sono tutti utilizzati in forma granulare. Tra i diversi metalli, è interessante notare che le leghe metalliche, come il titanio, gli acciai inossidabili o persino il rame, sono regolarmente utilizzate. Grazie alle loro caratteristiche, consentono di produrre pezzi spesso più resistenti e leggeri. Inoltre, da qualche anno è possibile utilizzare anche polimeri convenzionali, come l’ABS o il PLA. Infine, in alcune applicazioni, viene persino utilizzato lo zucchero. Ad esempio, The Sugar Lab, come suggerisce il nome, utilizza lo zucchero al posto dei materiali tradizionali.

Una parte stampata in 3D con il processo Metal Binder Jetting (Photo Credit: Kreos).

Applicazioni

Grazie alla sua capacità di creare pezzi con dettagli precisi e multicolore, il Material Jetting si è affermato nel settore medicale. In particolare, permette di creare modelli anatomici per facilitare il lavoro dei medici. Questi permettono ai chirurghi, ad esempio, di allenarsi durante la fase preoperatoria o di mostrare ai pazienti su un modello fisico ciò di cui soffrono o un loro organo. L’interesse principale del getto di materiale risiede tuttavia nella produzione di prototipi, soprattutto grazie alla sua capacità di produrre rapidamente pezzi precisi.

D’altra parte, il getto di legante si rivolge a diversi settori. Ad esempio, si può utilizzare nell’industria cinematografica per creare vari accessori. Più in generale, il Binder Jetting consente di produrre stampi da fonderia in sabbia destinati a essere riempiti di metallo, prima di essere rotti. Grazie ai tempi di produzione ridotti e alla possibilità di produrre pezzi singoli, questo processo è particolarmente apprezzato in questo settore. Inoltre, in alcuni casi, questa tecnologia viene in aiuto del settore militare. Il produttore americano di stampanti 3D EOS ha infatti sviluppato un impianto di stampa 3D mobile per le truppe americane, in modo da poter sostituire rapidamente le parti difettose. Infine, anche se più raramente, viene utilizzato anche nel campo della gioielleria.

Stampi per fonderia stampati in 3D (crediti fotografici: Voxeljet).

Produttori di macchine Binder Jetting e Material Jetting

Come così accennato in precedenza, l’azienda Objet Ltd. ha sviluppato il processo di Material Jetting nel 1999. Dopo aver commercializzato diverse macchine basate su questo processo, l’azienda è stata acquisita nel 2012 da Stratasys che ha a sua volta sviluppato la sua tecnologia a getto di materiale, chiamata PolyJet. Se Stratasys è il leader della tecnologia, anche altre aziende si sono specializzate in questo settore. È il caso, in particolare, del produttore giapponese di stampanti 3D e 2D Mimaki che, offre da diversi anni macchine basate sullo stesso processo, come la 3DUJ-553. Anche l’azienda israeliana Xjet ha sviluppato una tecnologia simile al Material Jetting, chiamata NanoParticle Jetting, che consente di creare parti utilizzando gocce di liquido caricate con nanoparticelle di metallo o ceramica. Infine, 3D Systems ha sviluppato un processo chiamato MultiJet.

Il produttore Mimaki ha sviluppato una serie di macchine per il Material Jetting.

Diverse aziende sono oggi leader nel campo del BJ. 3D Systems è uno dei principali attori del settore. L’azienda americana, che ha acquisito Z Corporation nel 2012, utilizza questo processo con materiali ceramici e ha chiamato questa tecnologia ColorJet Printing. Anche ExOne, con sede in Pennsylvania e in Germania, utilizza la tecnologia Binder Jetting, ma con metallo e sabbie. Dall’altra parte dell’Atlantico, Digital Metal, una filiale di Höganäs, è anch’essa specializzata nel Binder Jetting per metalli. Infine, l’azienda tedesca VoxelJet utilizza questo processo per stampare parti in termoplastica e ceramica.

Prezzo

Come si può immaginare, sia per il Material Jetting che per il Binder Jetting, i prezzi delle stampanti 3D basate su questi processi sono elevati. Per la maggior parte di esse, il costo è di diverse centinaia di migliaia di euro. Non è possibile fornire prezzi esatti, poiché per queste stampanti è necessario richiedere un preventivo, ma è comunque possibile stimare approssimativamente il costo delle macchine. Ad esempio, la ProJet MJP 5600 di 3D Systems sarebbe disponibile per una cifra di poco superiore ai 100.000 euro, mentre la J5 MediJet di Stratasys si avvicinerebbe ai 60.000 euro. Poiché entrambe le stampanti si basano sul processo di Binder Jetting, la differenza di prezzo può essere spiegata dal loro volume di stampa. Infine, per quanto riguarda il budget necessario all’acquisto di questo tipo di stampante, è molto importante considerare il costo dei materiali. Ovviamente, se si desidera produrre oggetti a partire da una polvere metallica specifica, il prezzo sarà più alto rispetto a quello dei polimeri tradizionali.

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