Materiali per la stampa 3D trattati in questo articolo:
- PLA - Materiale per hobbisti
- ABS - Materiale industriale di basso grado
- PETG - Materiale industriale di basso grado
- Nylon - Materiale di nicchia resistente e flessibile
- TPE - Materiale di nicchia flessibile
- Policarbonato - Materiale industriale di grado medio
- PEEK/ULTEM - Superplastiche, ideali per usi industriali
- Plastica rinforzata con fibra tritata - Superplastica ideale per usi industriali
- Fibre continue (fibra di carbonio, fibra di vetro e Kevlar) - Materiali compositi, ideali per usi industriali
Il processo di stampa per fabbricazione a filamento fuso (FFF) è incredibilmente adattabile, ma non funziona per tutte le materie plastiche. A causa degli stretti vincoli necessari per estrudere con precisione la plastica da un minuscolo ugello, le plastiche tradizionali originariamente ottimizzate per lo stampaggio a iniezione non si stampano. Le plastiche stampabili, tuttavia, coprono una vasta gamma di composizioni, vincoli di stampa e proprietà dei materiali. Per trovare il materiale giusto, è necessario abbinare i requisiti delle applicazioni alle proprietà dei materiali con cui è possibile stampare. In questo articolo analizziamo i punti di forza e di debolezza di una serie di materiali termoplastici.
Oltre alla stampa di materiali termoplastici, Markforged adatta il processo FFF anche alla stampa di materiali non plastici. Nella fabbricazione a filamento continuo (CFF), una stampante 3D FFF con un secondo ugello specializzato deposita una fibra di carbonio, fibra di vetro o Kevlar® continua in una parte. La produzione additiva a diffusione atomica (ADAM) si basa sull'attuale tecnologia per la fabbricazione di metalli dello stampaggio a iniezione di metalli (MIM), che utilizza un processo FFF per stampare polvere di metallo racchiusa in un legante plastico. Queste parti stampate vengono poste in un bagno di solvente per rimuovere il materiale legante e sinterizzate in parti completamente metalliche.
Termoplastiche standard
Con la rapida espansione della stampa 3D, è aumentata anche la varietà dei filamenti di stampa. Nonostante questo boom, la maggior parte delle termoplastiche stampabili in 3D FFF rientra in tre categorie: termoplastiche di base, termoplastiche di nicchia e superplastiche.
Termoplastiche di base: queste plastiche non hanno qualità eccellenti, ma sono le termoplastiche da stampa più popolari disponibili. Il PLA, la plastica da stampa più comune, si presta bene alla stampa e possiede discrete proprietà meccaniche; tuttavia, la sua totale mancanza di resistenza al calore e la sua scarsa durata lo rendono impossibile da utilizzare in ambienti industriali. L'ABS ha una resistenza al calore superiore, ma non è particolarmente forte e non reagisce bene alla maggior parte dei prodotti chimici di produzione. Il PETG, un sottoinsieme da stampa del polietilene, è un incrocio tra i due: un po' più forte dell'ABS e un po' più termoresistente del PLA, ma non abbastanza robusto per la maggior parte degli ambienti di produzione.
Termoplastiche di nicchia: le termoplastiche di nicchia presentano una o due sfaccettature eccellenti, che le rendono molto utili in applicazioni specifiche. Il nylon è un esempio perfetto. Non è rigido o particolarmente forte e non ha praticamente alcuna resistenza al calore, ma è estremamente durevole e ha una notevole resistenza chimica. Di conseguenza, viene utilizzato in applicazioni in cui flessibilità e durabilità sono fondamentali. Il TPU (o TPE) è un materiale estremamente duttile che presenta proprietà simili al nylon, con una maggiore flessibilità. Il policarbonato è una plastica eccellente sotto molti punti di vista: è molto forte e termoresistente, ma è solo moderatamente durevole e resistente agli agenti chimici.
Superplastiche: questi materiali possiedono tutti gli aspetti necessari per prosperare negli ambienti di produzione. Il PEEK e l'Ultem sono entrambi materiali plastici forti e rigidi che presentano una resistenza termica e chimica estremamente elevata. Gli ingegneri li usavano molto nella produzione prima che fossero stampabili in 3D e ora usano le stampanti per creare utensili personalizzati e robusti con questi materiali.
Termoplastiche caricate
Una termoplastica caricata è un materiale in cui una plastica standard è impregnata di minuscole particelle di un secondo materiale. La concentrazione del secondo materiale può variare, ma si tratta comunque principalmente di una termoplastica per composizione e comportamento del materiale. L'aggiunta di particelle di un materiale più resistente alla termoplastica può alterare molte proprietà del materiale (sebbene la resistenza chimica dipenda ancora interamente dalla plastica).
Le termoplastiche caricate si dividono in due campi: le plastiche caricate con materiali esotici e le plastiche rinforzate con fibra tritata. Le plastiche caricate con materiali esotici sono più simili alle plastiche di nicchia, in quanto i loro materiali secondari (caffè, legno e altri materiali) alterano la consistenza e l'aspetto più che le proprietà meccaniche. Le plastiche rinforzate con fibra tritata, invece, utilizzano fibre di grado industriale per migliorare le proprietà dei materiali termoplastici da stampa. Il più comune di questi è il nylon rinforzato con fibra di carbonio tritata, una plastica di base di nylon impregnata con microscopici pezzi di fibra di carbonio.
L'aggiunta della giusta quantità di fibra di carbonio al nylon lo trasforma da plastica di nicchia a superplastica. Le fibre aumentano notevolmente la forza, la rigidità e la resistenza al calore, mentre la stabilità dimensionale aggiunta dalla fibra di carbonio rende la plastica stampabile come qualsiasi altra plastica FFF esistente. Le parti stampate in 3D con questo materiale sono eccellenti in un'ampia gamma di applicazioni e spesso vengono scambiate per parti non stampate. Il materiale Onyx di Markforged è una plastica di questo tipo caricata con fibra di carbonio.
Sovrapponendo il nylon alla fibra di carbonio si ottiene un materiale completamente diverso. La fibra di carbonio aggiuntiva aumenta ulteriormente la resistenza e la rigidità, ma al costo di una minore qualità di stampa. Quando la concentrazione delle particelle di fibra di carbonio aumenta, la termoplastica legante non riesce a fluire correttamente attraverso il sistema di stampa, lasciando parti che presentano difetti visibili e una struttura superficiale ruvida. Questi materiali, pur essendo notevoli di per sé, sono più vicini alle plastiche di nicchia che alle superplastiche.
Fibre continue (CFF)
Mentre le fibre di carbonio tritate sono notevoli per la loro capacità di aumentare i materiali termoplastici, le fibre continue possono aggiungere molta più forza alle parti. Markforged utilizza una combinazione di stampa FFF e fabbricazione a fibra continua (CFF) per inserire fibre lunghe in parti termoplastiche stampate in modo convenzionale. Anche questa tecnologia è basata sull'estrusione e stampa tramite un ugello secondario, ma invece di fondere l'intero filamento, utilizza il calore dell'ugello per "stirare" le fibre in uno strato termoplastico. Le fibre non si sciolgono ma, al contrario, nei metodi tradizionali di fabbricazione delle fibre, vengono catturate dalla matrice termoplastica in modo analogo a quanto avviene con gli adesivi termoindurenti come l'epossidico.
Le parti risultanti sono di un ordine di grandezza più resistenti, più rigidi e più durevoli della plastica (caricata o meno) e mantengono la resistenza al calore, la resistenza chimica e la qualità di stampa della loro matrice termoplastica. Con Markforged, è possibile stampare il nylon rinforzato con fibra continua di carbonio (Onyx) tritata.
Metalli (ADAM)
Per stampare il metallo, la Metal X di Markforged stampa con una forma specializzata di FFF chiamata produzione additiva a diffusione atomica (ADAM). Simile alle termoplastiche caricate, la macchina estrude un filamento composto da un legante plastico caricato con piccole polveri metalliche in un processo quasi identico alla FFF. La parte risultante viene lavata per rimuovere il materiale legante e sinterizzata per ottenere una parte metallica. Queste parti sono completamente in metallo, ma hanno proprietà geometriche simili a quelle delle parti in plastica FFF convenzionali. Per saperne di più sul processo, consultate la pagina Metal X.