Stampa 3D FDM vs MJF - Quale è meglio usare e perché?

Dalla sua nascita negli anni '80 la tecnologia di stampa additiva o stampa 3D si è evoluta in varie tecnologie. Oggi in questo articolo metteremo a confronto i due metodi di stampa 3D attualmente più popolari e versatili: la popolarissima stampa a filo FDM e la tecnologia Multi Jet Fusion che, presentata nel 2016 da HP, ha rappresentato il più importante passo in avanti della tecnologia additiva degli ultimi anni.

1. Stampa 3D con tecnologia FDM

1.1. Cos'è una stampante 3D FDM?

Una stampante a filo FFF o FDM (gli acronimi di Fused Filament Fabrication e Fused Deposition Modeling indicano in buona sostanza la stessa tecnologia) è una stampante 3D che viene più spesso utilizzata nello sviluppo di concetti iniziali e nella prototipazione. Il materiale (plastica fusa) viene depositato da un sistema a tre assi in strati singoli e più strati si fondono insieme per formare il modello 3D. I bassi costi di acquisto, su Amazon trovi stampanti FDM a partire da poco più di 100€, e la relativa semplicità d'uso rendono questa tecnologia la più diffusa tra i makers.

Nella tecnologia FDM, un filamento a) di materiale plastico viene alimentato attraverso una testa mobile riscaldata b) che lo fonde ed estrude depositandolo, strato dopo strato, nella forma desiderata c). Una piattaforma mobile e) si abbassa dopo che ogni strato è stato depositato. Per questo tipo di tecnologia di stampa 3D sono necessarie strutture di supporto verticali aggiuntive d) per sostenere le parti sporgenti. Source: Wikipedia by Paolo Cignoni

1.2. Come funziona una stampante FDM?

Il file 3D del modello che si desidera stampare viene elaborato da un software di slicing (i più utilizzati e semplici da usare sono Cura, Simplify3D e PrusaSlicer) che letteralmente lo "affetta" in livelli dello spessore desiderato e genera contestualmente un file in G-code che descrive alla stampante i movimenti degli assi necessari alla creazione del pezzo stesso. Quindi la stampante FDM scioglie il filamento di plastica solida e lo estrude da un ugello strato su strato formando in questo modo l'oggetto 3D sul piano di costruzione. Gli strati hanno in generale uno spessore che va da 0,1 mm a 0,5 mm ma che può anche essere al di fuori di questi valori in base alle finalità d'uso dell'oggetto che si sta creando.

Processo di stampa: 1 – Estrusore di stampa, 2 – Materiale depositato, 3 – Piano di costruzione.
Source: Wikipedia by Paolo Cignoni

1.3. Quali sono i materiali più utilizzati nelle stampanti FDM?

I due materiali più utilizzati nella stampa FDM sono ABS (acrilonitrile butadiene stirene) e PLA (acido polilattico). Entrambi sono economici e disponibili in una varietà di colori.

• PLA: offre una qualità superficiale tra le migliori nella stampa FDM, è uno dei materiali più facili da stampare ed è anche biodegradabile ma non è resistente agli urti e alle temperature superiori ai 60 gradi.
• ABS: offre buona resistenza e caratteristiche termiche, ma necessita di una buona ventilazione in quanto emette odori forti in fase di stampa. Richiede una piattaforma di costruzione riscaldata per evitare deformazioni.

La stampa FDM offre un buon range di materiali. Source filament to print

FACT: Stampanti FDM professionale con prezzi che partono da 25K€ e che dispongono di camere riscaldate, ugelli che stampano ad oltre 500 gradi e possiedono meccaniche adeguate possono realizzare pezzi tecnici funzionali ad alte prestazioni tra cui i più diffusi sono Peek, Carbon Peek, Ultem ed altri materiali adatti ad uso industriale e di metal replacement.

1.4. Per cosa vengono utilizzate in genere le stampanti FDM?

• Fase iniziale di esplorazione del concetto: la stampa FDM consente agli utenti di stampare facilmente più concetti per esaminare la forma e l'adattamento del pezzo reale prima di perseguire caratteristiche dettagliate.
• Fase di prototipazione a media fedeltà: la stampa FDM è un buon compromesso per i test o per prototipi che assomigliano a parti di produzione reali. In questi casi si utilizzano generalmente strati sottili di 0,1/0,2 mm. Questa opzione è ideale per ottenere feedback su sensazioni e prestazioni.
• Produzione di tirature: per quanto sia possibile vedere online immagini di printing farm composte da decine se non centinaia di stampanti FDM questa appare una soluzione di nicchia in quanto la scarsa versatilitità meccanica dei materiali entry, la lentezza di produzione (10cm3/h di media per macchina contro i circa 300cm3/h della tecnologia MJF), la necessità di supporti, il fatto che i pezzi non siano pieni, limitano le applicazioni.

Fact: esistono printing farm con oltre 500 stampanti FDM!

Printing farm FDM: nell'immagine la printing farm di Prusa con oltre 300 stampanti FDM

1.5. Quali sono i vantaggi e gli svantaggi delle stampanti FDM?

• Vantaggi: Il vantaggio più significativo offerto dalle stampanti FDM è il basso costo di acquisto e funzionamento. Poiché sono popolari nel mercato consumer, i modelli di stampanti FDM di fascia bassa partono da 100€. Le stampanti FDM sono facili da usare e offrono tempi di consegna rapidi dal concetto al prototipo.
• Svantaggi: le stampanti FDM non offrono l'alta qualità, l'accuratezza dimensionale o il funzionamento affidabile che offrono altre stampanti 3D. L'affidabilità può essere un problema con frequenti rifacimenti di pezzi e intasamenti di ugello. In definitiva l'FDM non è la scelta migliore per la stampa di parti che devono essere "vicine alla perfezione".

2. Stampa 3D con tecnologia MJF

2.1. Cos'è e come funziona una stampante 3D MJF?

Multi Jet Fusion è un metodo di produzione additiva inventato e sviluppato dalla società Hewlett-Packard (HP) e lanciato sul mercato nel 2016.
Le parti finali presentano finiture superficiali di qualità, ottima risoluzione e proprietà meccaniche più coerenti rispetto a processi come la sinterizzazione laser selettiva o FDM.

Multi Jet Fusion utilizza una matrice a getto d'inchiostro per applicare selettivamente agenti di fusione e dettagli su un letto di polvere di nylon o altro materiale, che vengono poi fusi da elementi riscaldanti in uno strato solido. Dopo ogni strato, la polvere viene distribuita sopra il letto e il processo si ripete fino al completamento della parte.

Al termine del processo di stampa, la build box viene rimossa dalla stampante. Un operatore estrae con cura le parti dalla scatola di costruzione e rimuove la polvere residua con vari sistemi di pallinatura.

Per approfondire l'argomento ti suggeriamo di leggere: Che cos'è la stampa 3D MJF?

Schema del processo Multi Jet Fusion (MJF): (a) fasi 1-5 del processo di fusione); (b) unità di costruzione 3D; (c) stazione di lavorazione. Source: research gate

2.2. Quali sono i materiali utilizzabili con le stampanti MJF?

Le stampanti MJF offrono un limitato range di materiali che però sono molto versatili dal punto di vista meccanico, Attualmente sono cinque i materiali disponibili. Questi materiali sono PA11, PA12, PA12GB, TPU e polipropilene. Per una trattazione approfondita ti consigliamo di leggere: HP Multi Jet Fusion(MJF): I Principali Materiali e le loro Proprietà.

2.3. Per che cosa vengono utilizzate le stampanti MJF?

Potendo realizzare a basso costo pezzi pieni al 100%, funzionali con design complicati e dettagliati senza bisogno di alcun supporto, questa tecnologia offre un vasto range di soluzioni, qui ci limiteremo alle principali:

• Prototipazione rapida: sebbene i prototipi possano essere creati con qualsiasi tecnologia di stampa 3D, MJF può creare prototipi robusti con ottime proprietà meccaniche per testare davvero la funzione e la forma.
• Produzione di tirature: la scalabilità di questa tecnologia sta diventando un vero contendente per allontanare la produzione a basso volume da altri metodi di produzione ed in particolare dallo stampaggio ad iniezione (vedi l'articolo Stampa a iniezione vs. stampa 3D. Come scegliere?). Ciò è particolarmente vero per parti complesse: infatti non solo con la tecnologia MJF ovviamente non c'è bisogno di costosi stampi ma oltre a questo praticamente non esistono i forti vincoli alla progettazione normalmente legati alla realizzazione di pezzi ad iniezione.

Una delle 12 stampanti HP Multi Jet Fusion installate da Weerg. Ottieni un preventivo istantaneo.

Conclusioni

Una domanda che bisogna porsi quando ci si chiede se una tecnologia sia migliore di un'altra è: migliore per fare che cosa?

Sicuramente l'arrivo della tecnologia MJF ha segnato un balzo in avanti epocale nella semplicità di realizzazione, nella qualità di pezzi industriali realmente funzionali e nella capacità di competere concretamente con lo stampaggio ad iniezione.

Ma va anche detto che le stampanti FDM, sia pure con un limitato range di usi professionali, possono fornire dei pezzi visualmente accettabili ed un range di materiali notevole con un investimento che parte da circa 150€ contro i 500.000€ necessari per mettersi in casa una MJF.