Il materiale corretto per la specifica applicazione di produzione additiva migliora notevolmente le caratteristiche della stampa.
Il materiale corretto per la specifica applicazione di produzione additiva migliora notevolmente le caratteristiche della stampa. Il Gruppo CEAD non solo sviluppa e fornisce soluzioni di stampa su larga scala, ma fornisce anche consulenza alle organizzazioni per l'utilizzo del materiale giusto. Questo articolo vi guida attraverso il processo di selezione del materiale giusto per la vostra stampa 3D. Il numero di materiali disponibili è in costante aumento, come si fa a determinare il materiale migliore per la propria applicazione?
MATERIALI TERMOPLASTICI CONTRO MATERIALI TERMOINDURENTI
Questo articolo è rivolto alla stampa 3D su larga scala. Per la stampa di medie e medie dimensioni si utilizzano sia materiali termoplastici che termoindurenti. Mentre per la produzione additiva di grande formato (LFAM) i materiali termoplastici sono l'unica opzione possibile.
I polimeri termoplastici possono essere fusi e rimodellati più volte. A differenza dei polimeri termoindurenti, questo tipo di polimero non presenta legami reticolati. I polimeri termoplastici si uniscono grazie agli intrecci delle catene polimeriche, alle “forze di Van der Waals” e ai legami idrogeno. Questa caratteristica rende i polimeri termoplastici il materiale perfetto per le applicazioni sostenibili, poiché può essere riciclato e stampato di nuovo.
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1: SELEZIONARE IL TIPO DI POLIMERO GIUSTO PER LA STAMPA
Il primo passo nel processo di selezione del materiale giusto è la scelta del polimero di base. Come sempre, l'applicazione della stampa influenza la scelta del polimero giusto. Distinguiamo le stampe 3D tra stampi e attrezzature, parti finali strutturali, parti finali non strutturali e ricerca.
Prendiamo l'esempio della stampa 3D per lo stampaggio. Nel caso in cui la stampa venga utilizzata come stampo per un altro processo, è importante considerare la temperatura a cui lo stampo sarà esposto. La scelta di un polimero che abbia una buona stabilità dimensionale alla temperatura di utilizzo prevista è il passo giusto. Per gli stampi si utilizzano materiali come ABS, PC e PEI, ciascuno con un proprio limite di temperatura di utilizzo.
Inoltre, è necessario considerare altri aspetti ambientali. Nel caso di un'applicazione che coinvolge l'acqua, come nel caso di una barca stampata, è necessario scegliere un materiale che non si deteriori se esposto all'acqua. Le poliolefine come il PP e l'HDPE sono note per il loro basso assorbimento di acqua. Inoltre, i polimeri che assorbono un po' di umidità, come il PETG, possono essere ancora stabili nell'intervallo di temperature di esercizio previsto.
Un'ultima considerazione riguarda l'esposizione della stampa a sostanze chimiche che possono attaccare il materiale polimerico. Si tratta di casi particolari, come le guarnizioni industriali o le applicazioni aerospaziali in cui può verificarsi il contatto con fluidi idraulici aggressivi. I polimeri con dorsali aromatiche come PPS, PEEK e PEKK sono noti per la loro eccellente resistenza agli agenti chimici.
1.1 SEMICRISTALLINO VS AMORFO
Le due principali famiglie di polimeri termoplastici sono i polimeri semicristallini e amorfi. Quando vengono raffreddati dallo stato fuso, i polimeri semicristallini formano aree in cui le catene polimeriche si orientano in modo ordinato e formano cristalliti. Questi cristalliti sono circondati da materiale amorfo orientato in modo casuale. La quantità di materiale che si trova allo stato cristallino dopo la lavorazione è chiamata grado di cristallinità (DoC).
In generale, i materiali polimerici che possiedono le due caratteristiche seguenti sono semicristallini. In primo luogo, devono avere un ordine costante di unità ripetute nella loro spina dorsale. Inoltre, i gruppi laterali della spina dorsale devono essere relativamente piccoli. Esempi di materiali polimerici che soddisfano queste due proprietà sono: PP, PLA, PA6, PPS, PEEK.
Dall'altra parte dello spettro ci sono i materiali amorfi. Questi polimeri non formano cristalli quando si raffreddano. Inoltre, le loro catene polimeriche rimangono orientate in modo casuale, a differenza delle strutture cristallizzate dei polimeri semicristallini. I materiali polimerici che possono avere i monomeri della loro spina dorsale ordinati in modo casuale o che hanno gruppi laterali relativamente grandi sono generalmente amorfi. Esempi di proprietà amorfe sono ABS, PETG, PC, PEI.
Primo piano di un estrusore robotico CEAD che stampa con un angolo di 45 gradi
LAVORAZIONE DI POLIMERI SEMICRISTALLINI VS POLIMERI AMORFI
Per illustrare meglio le differenze di lavorazione tra polimeri amorfi e semicristallini, vengono forniti due esempi:
Nella produzione additiva di grande formato, i polimeri semicristallini sono leggermente più difficili da lavorare. Al raffreddamento di una stampa, il grado di cristallinità del materiale cambia. Poiché la frazione cristallina del materiale ha una densità diversa da quella amorfa, si creano tensioni interne nel materiale che causano la deformazione della struttura stampata.
Inoltre, quando si applica un cordone di materiale polimerico appena stampato su uno strato già stampato, l'interfaccia del nuovo e del vecchio cordone deve diventare fusa per consentire una mobilità della catena polimerica sufficiente a ottenere un corretto legame tra gli strati. I cristalli del materiale semicristallino richiedono molta energia in più per essere fusi rispetto al materiale amorfo. L'energia supplementare richiesta nel processo di incollaggio può essere aggiunta solo dalla perlina appena stampata, che deve quindi essere stampata relativamente calda.
1.2 MATERIALI ELASTOMERICI
Un altro tipo di materiali termoplastici è quello dei materiali elastomerici o, in breve, elastomeri. Gli elastomeri sono un tipo di polimero che ha la capacità di allungarsi e tornare alla forma originale. È paragonabile a un elastico.
Questo gruppo di materie plastiche elastiche si riferisce alle gomme: sostanze naturali o sintetiche che hanno la capacità di integrare l'elasticità della gomma in un oggetto stampato. Gli elastomeri hanno generalmente un'elevata flessibilità e quindi una bassa rigidità. Gli estrusori del CEAD sono in grado di stampare materiali elastomerici, ma stampano quasi esclusivamente con polimeri termoplastici.
Foto di un estrusore robotizzato che sta stampando a metà una tromba, come parte di un sistema audio di Addit Audio
2: TIPO DI GRADO
Dopo aver scelto il polimero di base giusto, si può scoprire che esiste una varietà di gradi dello stesso polimero. I fornitori spesso offrono diversi gradi, ottimizzati per determinati casi d'uso o processi. Quando si sceglie un grado di polimero, si devono prendere in considerazione almeno due fattori:
VISCOSITÀ
La viscosità del materiale alla temperatura di fusione è fondamentale per il successo della LFAM. Se la viscosità è troppo bassa (acquosa), il materiale non manterrà la forma del cordone di estrusione, ma scorrerà via e non sarà possibile stampare alcuna struttura. Quando la viscosità è troppo alta (burro di arachidi), le catene polimeriche del cordone non avranno una mobilità sufficiente per ottenere un legame adeguato con lo strato di materiale precedente.
VELOCITÀ DI CRISTALLIZZAZIONE
Come già detto, i materiali semicristallini sono più difficili da lavorare. I gradi che cristallizzano velocemente (essendo progettati per processi con un breve tempo di ciclo e quindi un'alta velocità di raffreddamento) raggiungeranno rapidamente un grado di cristallinità vicino a quello massimo ottenibile dopo il raffreddamento.
Questo è svantaggioso durante la stampa, perché un alto grado di cristallinità significa che è necessario aggiungere molto calore nello strato successivo per fondere tutti i cristalli dello strato precedente e ottenere un corretto legame tra gli strati. I gradi a cristallizzazione lenta sono da preferire in LFAM.
Lampade stampate in 3D su larga scala. Ispirato da: Knit Lighting - Joachim Froment
3: MATERIALI RINFORZATI VS MATERIALI VERGINI
La terza fase del processo di selezione dei materiali consiste nella scelta tra materiali rinforzati con fibre o non rinforzati (vergini). L'aggiunta di fibre al materiale influisce sulla stampabilità del materiale e sulle prestazioni del pezzo stampato. La presenza di fibre contribuisce a migliorare la stabilità dimensionale del materiale stampato. Anche gli effetti di ritiro e deformazione sono ridotti quando si utilizzano materiali rinforzati. Ciò avviene a costo di un leggero aumento della viscosità del materiale fuso.
Va notato che i materiali rinforzati possono avere un effetto di usura sul cilindro e sulla vite. È quindi necessario utilizzare un cilindro e una vite resistenti all'usura quando si stampano materiali rinforzati. Gli estrusori CEAD sono sempre progettati per stampare materiali rinforzati e non.
Possiamo distinguere 3 tipi di fibre di rinforzo: fibre di vetro, fibre di carbonio e fibre a base biologica.
FIBRE DI VETRO
Le fibre di vetro rappresentano un rinforzo economico per le resine della produzione additiva. Rappresentano la via di mezzo tra prezzo e prestazioni e offrono un significativo miglioramento della rigidità della struttura stampata.
Un'altra caratteristica è la bassa conducibilità termica delle fibre di vetro. Esse hanno una conducibilità termica inferiore a quella delle fibre di carbonio. Le stampe in fibra di vetro si raffreddano quindi un po' più lentamente rispetto a stampe simili con fibre di carbonio.
FIBRE DI CARBONIO
Il miglioramento maggiore delle proprietà meccaniche è dato dall'aggiunta di fibre di carbonio nei materiali. Le fibre di carbonio hanno un'eccellente resistenza e rigidità, abbinate a un peso inferiore rispetto alle fibre di vetro.
Inoltre, le fibre di carbonio hanno un basso coefficiente di espansione termica (CTE), che contribuisce a ridurre l'espansione termica dell'intera struttura stampata. Ciò è molto vantaggioso per applicazioni come gli stampi che vengono utilizzati a temperature elevate.
Le fibre di carbonio sono le più costose tra le fibre di rinforzo e il loro utilizzo deve essere giustificato dal campo di applicazione della parte stampata.
FIBRE A BASE BIOLOGICA
L'ultimo tipo di fibra utilizzata nella fabbricazione additiva è classificata come fibra a base biologica. Queste fibre provengono da fonti rinnovabili e sono spesso biodegradabili. Le fibre biobased sono eccellenti per scopi sostenibili, ma questi tipi di fibre forniscono una minore resistenza nell'oggetto stampato rispetto alle fibre di vetro e di carbonio.
Come la maggior parte dei materiali a base biologica, la temperatura massima di processo prima che si verifichi la degradazione è limitata e il materiale deve essere essiccato a lungo.
Utilizzo della stampa 3D industriale per ridurre i tempi di produzione di uno strumento per autoclave da settimane a giorni
4. ADDITIVI
Una volta scelto il giusto rinforzo in fibra, il processo di selezione può concludersi con l'ultima fase: la considerazione degli additivi del materiale. Gli additivi sono comunemente utilizzati nell'industria dei polimeri e vengono aggiunti ai gradi di polimero per scopi specifici. Gli additivi più comunemente utilizzati sono:
- Stabilizzatori UV: questi additivi rallentano la degradazione del polimero quando viene esposto alla luce solare. Il nero di carbonio è noto per essere un buon stabilizzatore UV.
- Stabilizzatori termici: questi additivi riducono la degradazione del polimero quando viene esposto a temperature elevate, ad esempio durante il processo di pellettizzazione e il processo di stampa 3D.
- Ritardanti di fiamma: questi additivi limitano l'infiammabilità del polimero. Sono comunemente utilizzati nelle applicazioni di trasporto, dove può essere richiesto un certo grado di ritardabilità alla fiamma.
- Additivi antibatterici: per applicazioni in cui la stampa viene immersa in acqua. Gli additivi antibatterici impediscono la crescita di batteri sulla superficie di stampa.
- Additivi coloranti: come il filamento, anche i polimeri termoplastici possono essere colorati a piacere. I fornitori di materiali lo fanno mescolando il polimero con un lotto di materiale a cui è stato aggiunto un numero concentrato di pigmenti coloranti, chiamato lotto master.
Di solito, i fornitori di materiali per la stampa 3D hanno a disposizione una selezione di gradi con determinati additivi. Gli additivi aumentano il costo dei materiali di stampa 3D, quindi è necessario selezionare con attenzione gli additivi necessari per la propria applicazione.
CONSIGLI CEAD PER I MATERIALI DI PRODUZIONE ADDITIVA
CEAD ha un'ampia conoscenza dei materiali utilizzati nella produzione additiva e ha buoni contatti con la maggior parte dei fornitori di materiali attivi nel settore. Possiamo aiutarvi a selezionare il materiale ottimale per la vostra applicazione AM utilizzando la serie Flexbot o l'estrusore.