Che materiali per la stampa 3D?

    Materiali stampa 3D

    Per chi non è esperto di materiali e di stampa 3D è una domanda che sorge spesso… qual’è il materiale specifico per realizzare una stampa 3d? Come già anticipato, esistono svariate tecniche per realizzare un oggetto in maniera additiva e ognuna di esse implica l’uso di un materiale specifico. In questo articolo non ci soffermeremo sulla descrizione di ogni tecnica, eventualmente vi consiglio la lettura dell’articoloCome funziona una stampante 3d?” che le analizza con dettaglio. Faremo, invece, una carrellata sui diversi materiali usati relativamente ad ogni tecnica di stampa, analizzando in particolare quelli relativi al metodo FDM (fused deposition modeling).

    Materiali per la stampa 3D

    Letto di Polvere e testine Inkjet (plaster-based 3D printing): Questa tecnologia combina due entità, un legante ed una polvere. La polvere è sostanzialmente amido o gesso. Il legante, invece, è costituito in gran parte da acqua, addittivando, se richiesto, coloranti ed altre sostanze aventi l’obiettivo di lavorare sulla viscosità, tensione superficiale e sulla temperatura di evaporazione favorendo la compatibilità del liquido con le specifiche della testina di stampa. Il materiale ottenuto dalla combinazione polvere-legante necessita anche di infiltrazioni a base di resine, colle cianoacriliche ed epossidiche per garantire l’adesione tra i vari layer di materiale.

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    Polimerizzazione attraverso la luce: A seconda del tipo di luce adoperata, si parla di SLA (stereolithography) o di DLP (digital light processing). Il materiale impiegato in queste tecniche è un fotopolimero allo stato liquido. Un fotopolimero è un polimero che cambia le proprie caratteristiche se esposto alla luce, collocata nella regione ultravioletta o visibile dello spettro elettromagnetico. Le proprietà del polimero che variano sono di solito di tipo fisico-meccanico, si ha, infatti, l’irrigidimento del materiale se esposto alla radiazione luminosa. Fotopolimeri comunemente usati per il 3D printing sono acrilati polifunzionali e metacrilati, addittivati con un componente non polimerico per ridurre il ritiro volumetrico del materiale, evitando così deformazioni indesiderate. Materiali di questo tipo fanno si che gli oggetti creati abbiano un’ampia varietà di proprietà, come per esempio la resistenza all’acqua, flessibilità, durevolezza, rigidità, trasparenza e resistenza termica e agli urti.

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    Produzione di oggetti laminati : In questo caso si utilizzano materiali “tradizionali”, facilmente reperibili, come la carta, la plastica o il metallo laminato, incollati insieme e sui quali è depositato un adesivo per garantire la stampa a colori. Dopo la stampa, gli oggetti possono essere rifiniti mediante trapanature.

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    Metodi Granulari:

    • SLS (selective laser sintering): Questa tecnica può produrre oggetti a partire da una vasta gamma di materiali in polvere. Tra questi vi sono i polimeri, come polistirene o nylon (puro o in combinazione con fibre di vetro o di carbonio), metalli, tra cui acciaio, titanio e varie leghe, compositi e polveri di arenaria.

     

    • DMLS (direct metal laser sintering): Gli oggetti realizzati con questo metodo sono ottenuti, layer dopo layer, tramite la fusione laser selettiva di polveri di metallo aventi granulometria molto fine. Con questa tecnica si possono realizzare oggetti in leghe metalliche, preferibilmente multicomponenti, tra cui: acciaio, acciaio inossidabile, cromocobalto, alluminio e leghe di titanio.

     

    • SLM (selective laser melting): I materiali adoperati sono prevalentemente metalli in forma atomizzata, questo requisito conferisce agli oggetti maggiore densità. Tra questi vi sono l’acciaio inossidabile, l’acciao per utensili, il cromocobalto, il titanio e l’alluminio.

     

    • EBM (electron beam melting): Questo metodo utilizza prevalentemente varie leghe di tiatnio ed il cromocobalto. Grazie al particolare processo di produzione, sottovuoto ed a temperature molto elevate, il materiale prodotto presenta prestazioni meccaniche superiori rispetto al titanio o al cromocobalto in forma pura.

     

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    Metodo a fusione (fused deposition modeling):

    I materiali usati in questo tipo di produzione sono prevalentemente miscele di polimeri termoplastici e di polimeri termoplastici con materiali organici di altro genere. Questi materiali sono venduti in filamenti, dal diametro di 3mm o 1.75mm, di solito arrotolati in una bobina. Il PLA e l’ABS, materiali a cui abbiamo dedicato un articolo a parte, sono sicuramente i termopolimeri più diffusi e più largamente impiegati per questa tecnologia di stampa. Tuttavia hanno largo impiego anche:

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    Il Policarbonato (PC): polimero termoplastico dotato di buona resistenza termica e agli urti. A differenza del Plexi-glass, con il quale è spesso confuso, può essere piegato e formato anche a freddo, senza manifestare screpolature o particolari deformazioni. La temperatura di transizione vetrosa è di 150°C ma in genere i produttori di Policarbonato in filamento consigliano temperature di estrusione superiori a 260°C. A 300°C, invece, si manifesta la fusione. Il Policarbonato si deforma molto facilmente ed in maniera maggiore rispetto all’ABS ed al PLA quindi è assolutamente sconsigliata l’estrusione in assenza di un piatto riscaldato.

    L’alcol polivinilico (PVA): è un composto chimico ottenuto per idrolisi, normalmente alcalina, degli esteri polivinilici. Si dissolve totalmente e rapidamente in acqua, anche fredda e questa proprietà lo rende particolarmente adatto come di materiale di supporto. La temperatura di transizione vetrosa del PVA è attorno agli 85°C ma dipende dal grado di idrolisi del polimero. A temperature superiori ai 200°C subisce la piroscissione, decomponendosi (vi sono produttori che indicano temperature di estrusione attorno ai 200-220 °C, in tal caso è meglio affidarsi alla temperatura certificata dal produttore poichè, spesso, i materiali sono tagliati con altri termoplastici per conferire proprietà meccaniche maggiori).

    Polietilene tereftalato (PET): è una resina termoplastica trasparente, compatibile con il PLA e simile ad esso a livello di proprietà meccaniche. La temperatura di transizione vetrosa è di circa 60°C mentre la temperatura di estrusione è di circa 210°C.

    Polistirene antiurto (HIPS): è un materiale termoplastico costituito da polistirene e gomma SBR. Relativamente alla rigidezza, la resistenza termica e agli urti e le deformazioni può essere considerato quasi come l’ABS. La temperatura di estrusione è di circa 230-250 °C e necessita di un piano riscaldato.

    Nylon: con il termine nylon si indica una famiglia particolare di poliammidi alifatiche sintetiche. Molto economico e facilmente reperibile sul mercato, in vari colori, a differenza del PLA e dell’ABS, è molto meno fragile e quindi più resistente. Gode di proprietà autolubrificanti, il che lo rende particolarmente performante per stampe di ingranaggi. Tra gli aspetti negativi possiamo evidenziare il fatto che si deforma molto di più rispetto all’ABS, quindi necessita del piano riscaldato, inoltre un riempimento eccessivo potrebbe causare dei problemi poichè il nylon è un materiale estremamente fibroso. In aggiunta, bisogna assicurarsi che sia ben asciutto prima della stampa. La temperatura di estrusione si attesta attorno ai 220-250°C, anche in questo caso il consiglio è di attenersi alle specifiche segnalate dal produttore.

    Laybrick: é una miscela di gesso macinato e copoliestere e gli oggetti stampati con questo materiale risultano più simili a materiali lapidei che a materiali plastici. Questa caratteristica li rende particolarmente idonei per plastici e modelli di architettura. Si tratta di un materiale che deforma poco e quindi non è necessaria la presenza del piatto riscaldato, la temperatura di estrusione varia da 170-210 °C e si possono ottenere superfici sia molto levigate che ruvide. Non è un materiale molto economico.

    Laywood: è una miscela di fibre di legno e un termoplimero di caratteristiche simili al PLA e quindi deforma pochissimo, non necessita di un piano riscaldato e può essere estruso a temperature che oscillano dai 180-250 °C. L’oggetto sarà, esteticamente, simile ad un oggetto di legno ed in funzione della temperatura è possibile ottenere diverse gradazioni di marrone, anche all’interno dello stesso oggetto, in modo da ricreare il pattern tipico del legno.

    NinjaFlex: è un materiale rubber-like, elastico, flessibile ed estremamente resistente all’abrasione. La temperatura di estrusione consigliata dal produttore è di 210-230 °C, il piatto riscaldato non è necessario ma in alcuni casi può essere settato a temperature relativamente basse.

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    Analogamente alle stampanti 3D vere e proprie, anche i materiali impiegati sono in continua evoluzione e sperimentazione: dall’argilla, ai materiali compositi, all’agar, un biomateriale adatto alle culture di micro organismi, fino ad arrivare addirittura al cibo. Cosa ci riserverà il futuro? Yoda risponderebbe: “Difficult to see. Always in motion is the future”

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