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30/03/2016

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di Giancarlo Magnaghi

Grande attenzione sui materiali per l’industria manifatturiera

Per produrre oggetti finiti sono necessari migliaia di materiali diversi, con proprietà certe e stabili. È uno dei trend tecnologici più importanti per quest'anno.

I materiali per la stampa 3D sono al centro dell’attenzione dell’industria manifatturiera man mano che l’utilizzo delle stampanti 3D si estende dalla prototipazione rapida alla produzione digitale diretta. Infatti, mentre per produrre la maggior parte dei prototipi sono sufficienti poche decine di materiali, per produrre oggetti finiti sono necessari migliaia di materiali diversi, con proprietà certe e stabili. Per questa ragione, Gartner Group posiziona questi materiali al terzo posto della ‘hit parade’ dei trend tecnologici più importanti del 2016. Ognuna delle tecnologie disponibili per a stampa 3D utilizza materiali diversi, che si possono raggruppare in quattro grandi famiglie: polimeri (termo-polimeri, foto-polimeri, poliammidi), materiali ceramici, metalli e leghe, altri materiali (carbonio, carta, vetro, paste, alimenti, materiali organici). Nel seguito, prenderemo in considerazione solo i materiali utilizzati nelle tecnologie di stampa più diffuse.

Estrusione di filamenti termoplastici
Le stampanti 3D a estrusione utilizzano prevalentemente polimeri termoplastici, spesso miscelati con altre sostanze, forniti in bobine di filamenti con diametro di 3mm o 1.75mm e costi contenuti (dai 20 ai 100 euro/Kg). I termopolimeri più diffusi sono PLA (acido polilattico) e l’ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene), a cui si affiancano molti altri materiali come il Policarbonato (PC), dotato di buona resistenza termica e agli urti, il Polietilene tereftalato (PET) trasparente, il Polistirene antiurto (HIPS), costituito da polistirene e gomma SBR (Styrene Butadiene Rubber), NinjaFlex e TPU, materiali gommosi, e alcuni tipi di Nylon (poliammidi alifatiche sintetiche), più resistenti di PLA e ABS. Il PLA è economico, facile da stampare e disponibile in molti colori, ma è biodegradabile, non resiste alle alte temperature e non ha una grande resistenza meccanica. Spesso viene addizionato con altre sostanze per realizzare materiali compositi come Laybrick (PLA miscelato con gesso o cemento), Laywood /WoodFill /BambooFill/CorkFill (miscela di PLA con fibre di legno, bamboo, sughero) o fibra di carbonio, fibra di vetro e metalli.Il POM (PoliOssiMetilene), noto anche con il nome commerciale Delrin, è un copolimero cristallino (resina acetalica ) con alta resistenza meccanica, tenacità, durezza, stabilità dimensionale e termica. È inattaccabile da alcool, eteri, glicoli, idrocarburi, chetoni e saponi e resiste bene ai raggi UV. Può sostituire alcuni metalli come acciaio, ottone, alluminio in molti componenti meccanici. Tutti questi polimeri possono essere stampati utilizzando la maggior parte delle stampanti a filamenti, poiché hanno temperature di estrusione inferiori ai 300 gradi.

I super-polimeri
Un discorso a parte meritano i cosiddetti super-polimeri (come Peek e Ultem), che hanno temperature di fusione oltre i 400 gradi, proprietà e costi decisamente superiori e richiedono stampanti di fascia alta come Stratasys, con estrusori metallici in grado di lavorare ad alta temperatura e camera di lavoro termostatata. Tutti i produttori di stampanti FFF professionali stano lavorando per realizzare macchine in grado di utilizzare i super-polimeri. La start-up tedesca Indmatec ha progettato per prima una stampante 3D FFF in grado di stampare a temperature elevate (fino a 420 gradi) polimeri altamente performanti, e fornisce estrusori Hot-End che possono essere montati su alcune stampanti 3D FFF professionali di altre marche. Il Peek (polietere etere chetone) è un materiale polimerico termoplastico semicristallino con elevate caratteristiche: bio-compatibilità, bio-inerzia, rigidità meccanica, elevata resistenza chimica e termica, resistente ad acqua bollente e vapore, sterilizzabile in autoclave e molto leggero (peso specifico meno della metà dell’alluminio), tanto che è in grado di sostituire alcuni metalli. È utilizzato in campo aereonautico, aerospaziale, elettronico e medicale, spesso miscelato con fibre di carbonio o altre sostanze. Il Peek biocompatibile si usa in campo odontoiatrico e per protesi, valvole cardiache e pacemaker, per avere migliore adattabilità con il corpo umano rispetto alle protesi in titanio. L’ULTEM (Polieterimmide) si presta ad applicazioni elettriche ed elettroniche, automobilistiche, aerospaziali, alimentari e medicali. Resiste a temperature elevate ed è sterilizzabile in autoclave, ritardante di fiamma, presenta elevate caratteristiche di resistenza a flessione e trazione e stabilità dimensionale. Può sostituire l’acciaio e l’alluminio in alcune applicazioni. Consente la produzione di utensili personalizzati, la stampa 3D di strumentazione medicale, la costruzione di stampi,  modelli ed elementi resistenti alle alte temperature per l’industria alimentare, componenti aerospaziali e componenti automobilistici sotto cofano. Gli oggetti in Ultem possonoessere utilizzati nei forni a infrarossi, microonde e a vapore. Tra i materialtermoplastici è quello più stabile dimensionalmente in un ampio intervallo di temperature. 

Sinterizzazione di polveri di resine e metalli
Le stampanti a sinterizzazione di polveri utilizzano laser di varia potenza per sinterizzare o fondere in modo selettivo il materiale in polvere, che solidificandosi crea l’oggetto da produrre. Le macchine SLS (Selective Laser Sintering)  producono oggetti a partire da una vasta gamma di materiali plastici in polvere, come polistirene o nylon (puro o in combinazione con fibre di vetro o di carbonio), compositi e polveri di arenaria. Le applicazioni sono nel campo della meccanica, modellistica, design, arredamento e moda.Le stampanti DMLS (Direct Metal Laser Sintering) e SLM (Selective Laser Melting) si basano sul medesimo principio ma utilizzano laser più potenti, in grado di fondere polveri di metallo, e possono realizzare oggetti metallici utilizzando vari tipi di acciaio, cromo-cobalto, alluminio, metalli preziosi e leghe di titanio. La tecnologia EBM (Electron Beam Melting) utilizza prevalentemente leghe di titanio e il cromo-cobalto, che vengono fusi da un raggio di elettroni più potente del laser. Le applicazioni sono nell’industria aerospaziale, aeronautica, automobilistica, medicale e gioielleria. 

Fotopolimerizzazione
Il processo di foto-polimerizzazione è utilizzato nelle tecnologie SLA (stereolitografia), DLP (Digital Light Processing) e Polyjet, che utilizzano come materiale foto-polimeri allo stato liquido: resine che si solidificano se vengono esposte a una luce ultravioletta o visibile, generata da un laser o da una lampada. I foto-polimeri comunemente usati sono acrilati polifunzionali e metacrilati, con vari additivi per migliorare la qualità e la stabilità del materiale. Gli oggetti creati con questi materiali hanno ottime precisioni e caratteristiche superficiali e possono essere dotati di varie proprietà, come flessibilità, durezza, trasparenza e resistenza termica, agli urti e all’acqua. Le applicazioni sono prevalentemente nel campo dei prototipi estetici, della meccanica di precisione, gioielleria e protesi dentarie, ma non mancano le applicazioni in campo automobilistico (fari, parti di carrozzeria) e industriale.

 

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