Materiali per la stampa 3D

INTRODUZIONE

Come già esplorato in molti altri nostri articoli, esistono molteplici tipologie di stampanti 3D, ciascuna delle quali utilizza tecnologie e materiali differenti. All’interno di questo articolo, ci concentreremo sulle stampanti 3D FDM ed in particolare su specifici materiali tecnici.

È noto, infatti, l’utilizzo dei classici materiali come:

PLA (Acido Polilattico): materiale biodegradabile derivato da risorse rinnovabili, come l’amido del mais o della barbabietola da zucchero. Facile da stampare, presenta una buona resistenza meccanica e una finitura superficiale liscia. Tuttavia, in molti casi, non soddisfa le esigenze più tecniche, come l’aumento delle temperature o gli sforzi meccanici

ABS (Acrilonitrile Butadiene Stirene): materiale sintetico resistente a temperature e urti. È più difficile da stampare rispetto al PLA, ma offre prestazioni meccaniche superiori.

PETG (Polietilene Tereftalato Glicolato): materiale simile al PLA, ma con maggiore resistenza meccanica e chimica.

Questi materiali sono considerati “classici” perché sono stati tra i primi ad essere utilizzati nella stampa 3D FDM e sono ancora oggi tra i più popolari. Possono essere utilizzati per creare una varietà di oggetti, dai prototipi ai modelli finiti.

Oltre a questi polimeri, esistono anche altri materiali per la stampa 3D FDM, creati per migliorare le proprietà sia meccaniche che chimiche dei materiali elencati in precedenza e vengono quindi scelti per lo sviluppo di oggetti che richiedono una maggiore resistenza. Tra questi materiali troviamo:

TPU (Elastomero termoplastico): materiale flessibile e resistente agli urti.

TPE (Elastomero termoplastico): materiale elastico e resistente alle alte temperature.

PP (polipropilene): materiale termoplastico composto da monomeri di propilene. È un materiale duro, resistente e flessibile.

PC (Policarbonato): materiale resistente a temperature e urti.

Nylon: materiale resistente a temperature e urti, offre anche una buona resistenza chimica.

Andremo ora ad analizzare nello specifico tre di questi materiali. 

PP – POLIPROPILENE

Il filamento PP, o polipropilene, rappresenta un materiale termoplastico composto da monomeri di propilene. Dotato di durezza, resistenza e flessibilità, offre notevole resistenza alle alte temperature, agli urti e ai solventi chimici.

Nel contesto della stampa 3D FDM, il filamento PP viene impiegato per la creazione di oggetti che richiedono tali specifiche caratteristiche, quali:

– Parti meccaniche, ingranaggi e componenti strutturali, che necessitano di robustezza e durabilità.

– Oggetti flessibili e resistenti agli urti, come giocattoli, custodie per dispositivi elettronici e articoli sportivi.

– Elementi destinati a resistere a temperature medio/alte , ad esempio, parti per apparecchiature industriali o mediche.

Il filamento PP si presta a una stampa relativamente agevole, richiedendo temperature di fusione moderate e una buona adesione al letto di stampa. Tuttavia, è fondamentale utilizzare una stampante dotata di un estrusore capace di raggiungere temperature elevate, considerando che la temperatura di stampa varia dai 220 ai 250°C  con un punto di fusione che si attesta intorno a 160 °C.

Esaminiamo ora le principali caratteristiche del filamento PP:

– Resistenza meccanica: il filamento PP si distingue per la sua robustezza, con una resistenza alla trazione alla rottura di circa 30/35 MPa in base alla composizione del materiale, simile a quella di PLA o ABS ma con una flessibilità maggiore e con un maggiore resistenza ad impatti.

– Resistenza agli urti: è inoltre resiliente agli urti, con un modulo di elasticità di circa 1,5 GPa, superiore a quello di PLA o ABS.

– Resistenza alle alte temperature: il punto di fusione di circa 160 °C lo rende idoneo a oggetti che devono resistere a elevate temperature, fino a 90/100 °C.

– Resistenza chimica: è in grado di resistere a vari solventi chimici, risultando adatto a oggetti esposti a sostanze chimiche aggressive.

Il filamento di PP può essere arricchito con fibra di carbonio o vetro, creando un composito che coniuga le proprietà meccaniche del polipropilene con quelle di rinforzo della fibra, stabilizzando anche la dimensionalità dell’oggetto stampato.

Il filamento di PP caricato con fibra di carbonio, estremamente robusto, vanta una resistenza alla trazione fino a 100 MPa in base alla forma e struttura del pezzo stampato.

Il filamento di PP caricato con fibra di vetro, seppur meno robusto del suo omologo con fibra di carbonio a causa della fabbricazione con fibra di vetro che lo rendono più “fragile”, supera comunque il filamento di PP puro. La resistenza alla trazione si attesta intorno a 50 MPa.

Alcune differenze tra il filamento di PP caricato con fibra di carbonio e quello con fibra di vetro includono:

– Resistenza: il filamento di PP con fibra di carbonio è più resistente rispetto a quello con fibra di vetro.

– Durezza: il filamento di PP con fibra di carbonio risulta più duro rispetto a quello con fibra di vetro.

– Densità: il filamento di PP con fibra di carbonio è più denso di quello con fibra di vetro.

– Temperatura di fusione: la temperatura di fusione del filamento di PP con fibra di carbonio è leggermente superiore a quella del filamento di PP con fibra di vetro.

La scelta tra il filamento di PP caricato con fibra di carbonio o con fibra di vetro dipende dalle specifiche esigenze dell’applicazione. Nel caso di maggiore necessità di resistenza, la fibra di carbonio è preferibile, mentre per una minore durezza o peso, la fibra di vetro rappresenta la scelta ideale.

PC – POLICARBONATO

Il filamento policarbonato,noto anche come PC, si configura come un termoplastico composto da monomeri di bisfenolo A (BPA) e fosgene. Questo materiale, caratterizzato da durezza e resistenza, offre una notevole capacità di sopportare alte temperature, urti e l’azione di solventi chimici.

All’interno della stampa 3D FDM, il filamento PC diventa la scelta ideale per la realizzazione di oggetti che richiedono le suddette proprietà, tra cui:

Parti meccaniche che devono assicurare resistenza e durabilità, ingranaggi e componenti strutturali.

Elementi che necessitano di resistere a temperature elevate, ad esempio, parti destinate a apparecchiature elettroniche o industriali.

Stampe con filamento PC possono risultare leggermente più complesse a causa delle elevate temperature di stampa richieste e della necessità di un’ottima adesione al letto di stampa. Tuttavia, con una corretta configurazione della stampante e un po’ di esperienza pratica, è possibile ottenere stampe di alta qualità.

In riferimento alle caratteristiche principali del filamento PC, emerge:

Resistenza meccanica: il filamento PC si colloca tra i materiali più robusti per la stampa 3D, presentando una resistenza alla trazione di circa 90 MPa, superiore a quella di PLA o ABS.

Resistenza agli urti: la capacità di resistenza agli urti del filamento PC è notevole, con un modulo di elasticità di circa 2,5 GPa, superiore a quello di PLA o ABS.

Resistenza alle alte temperature: con una temperatura di fusione di circa 250 °C, il filamento PC supera sia il PLA che l’ABS, consentendo la creazione di oggetti progettati per resistere a temperature elevate, fino a 120 °C.

Resistenza chimica: il filamento PC dimostra resistenza a una varietà di solventi chimici, rendendolo adatto per la creazione di oggetti esposti a sostanze chimiche aggressive.

Si possono trovare inoltre moltissime composizioni disponibili per il PC:

PC-ABS: include le peculiarità di entrambi i materiali rendendolo perfetto per applicazioni nell’ambito automotive e applicazioni in ambienti con clima avverso

PC-FR: materiale con caratteristiche autoestinguenti che sono perfetti per applicazioni su circuiti elettronici.

PC-PBT: materiale composito che dà la caratteristica di resistere a temperature estreme fino a -30 gradi e fino a 230 gradi di resistenza allo scioglimento.

PA – NYLON

 

Il filamento di nylon, composto da monomeri di acido adipico ed esametilendiammina, si caratterizza come un materiale termoplastico che unisce resistenza, flessibilità e durabilità, offrendo altresì una notevole capacità di sopportare alte temperature, urti e abrasioni.

Nel contesto della stampa 3D FDM, il filamento di nylon si rivela un alleato prezioso per la creazione di oggetti che richiedono tali proprietà. Ciò comprende parti meccaniche che devono garantire resistenza e durabilità, come cuscinetti, ingranaggi e componenti strutturali. Inoltre, è ideale per la produzione di oggetti flessibili e resistenti agli urti, tra cui giocattoli, custodie per dispositivi elettronici e articoli sportivi. Infine, il nylon trova impiego anche nella realizzazione di elementi che devono affrontare temperature elevate, come parti per apparecchiature industriali o medicali.

Le caratteristiche salienti del filamento di nylon includono una resistenza alla trazione di circa 30 MPa, una flessibilità con un modulo di Young di circa 2,8 GPa, inferiore a quello del PLA o dell’ABS, e una resistenza agli urti con un modulo di elasticità di circa 2,5 GPa, superiore a quello di PLA o ABS. La temperatura di fusione di circa 220 °C consente la creazione di oggetti progettati per resistere a temperature elevate, fino a 100 °C, mentre la sua resistenza chimica lo rende adatto per oggetti esposti a sostanze chimiche aggressive.

Per un’ottima stampabilità del nylon è necessaria una stampante con un estrusore che raggiunga i 280 gradi e un piano di stampa che possa superare i 100 gradi, inoltre è consigliabile avere una camera chiusa per stampe di oggetti con dimensioni maggiori di 5 cm, il materiale, infatti, per caratteristiche chimiche tende a imbarcarsi e rendere la stampa molto complicata se non mantenuta ad una temperatura ambientale stabile. Si consiglia poi un ambiente con un livello di umidità molto basso in quanto il PA è molto soggetto ad assorbire umidità rendendo difficile, se non impossibile la stampabilità si esso.

Infine, alcuni esempi di applicazioni del filamento di nylon comprendono parti meccaniche per apparecchiature industriali o mediche, componenti meccaniche e strutturali, scatole di contenimento, parti funzionali applicabili ad automotive,  nonché oggetti flessibili e resistenti agli urti come giocattoli, custodie per dispositivi elettronici e articoli sportivi. Inoltre, è ideale per la produzione di elementi che devono resistere a temperature elevate, come parti per apparecchiature per la lavorazione dei metalli o per la produzione alimentare. Il filamento di nylon, con la sua versatilità, si rivela una scelta eccellente per progetti che richiedono resistenza, flessibilità, resistenza agli urti o resistenza alle alte temperature.

Ci sono inoltre molte composizioni del materiale come:

PA-CF:composto solitamente al 15/20% di fibra di carbonio che lo rendono molto più rigido e resistente (ci sono molte versioni di questo materiale in base alle caratteristiche che deve avere il prodotto finale)

PA-GF:stessa composizione del CF ma con minore resistenza a gli urti e maggiore fragilità

CoPA: estremamente rigido e resistente, inoltre ha una resistenza al calore fino a 180 gradi 

In conclusione, il panorama della stampa 3D FDM offre una vasta gamma di possibilità grazie alla diversificazione di materiali termoplastici impiegati. Attraverso questa esplorazione dettagliata di tre materiali chiave – PP, PC e PA – emerge la varietà di opzioni a disposizione dei professionisti e tecnici del settore.

I materiali classici come PLA, ABS, e PETG continuano a mantenere la loro popolarità, presentando caratteristiche peculiari adatte a una vasta gamma di applicazioni. Tuttavia, l’evoluzione della tecnologia ha portato all’introduzione di materiali avanzati come il polipropilene (PP), il policarbonato (PC), e il nylon (PA), ciascuno con proprietà meccaniche e chimiche uniche.

Il filamento di polipropilene (PP) si distingue per la sua combinazione di durezza, resistenza, e flessibilità, rendendolo ideale per la creazione di parti meccaniche robuste e resistenti agli urti. La possibilità di rinforzare il PP con fibra di carbonio o vetro amplifica ulteriormente le sue prestazioni, offrendo soluzioni personalizzate a seconda delle esigenze dell’applicazione.

Il policarbonato (PC), noto per la sua durezza e resistenza alle alte temperature, si rivela essenziale per la produzione di parti meccaniche e componenti strutturali che richiedono robustezza e durabilità. La sua capacità di sopportare temperature fino a 120 °C lo rende una scelta ideale per applicazioni industriali ed elettroniche.

Infine, il nylon (PA) emerge come un materiale versatile, unendo resistenza, flessibilità, e resistenza agli urti. La sua facilità di stampa a temperature moderate lo rende accessibile, mentre la sua resistenza chimica lo adatta perfettamente per applicazioni esposte a agenti corrosivi.

In definitiva, la selezione del materiale ideale dipende strettamente dalle specifiche esigenze dell’applicazione. La continua innovazione nel settore della stampa 3D offre opportunità sempre più ampie per la creazione di prototipi, componenti industriali, giocattoli, e molto altro. La scelta oculata del materiale rappresenta dunque un passo cruciale per garantire il successo e la durabilità dei progetti 3D.

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