3D Printing Materials, materiali compositi e polimerici: cosa sono?

Materiali per la stampa 3D: quali sono?

I progressi dei materiali compositi e polimerici per la stampa 3D altamente performanti hanno aperto la strada a nuove frontiere nella prototipazione rapida e nella produzione additiva.

Grazie ai materiali per la stampa 3D, la produzione additiva offre oggi anche soluzioni su larga scala con prestazioni meccaniche, chimiche e termiche straordinarie. Che si tratti di termoplastici base, super polimeri come PEEK, PEKK e ULTEM, o compositi rinforzati con fibra di carbonio, ogni classe di materiali sblocca nuove potenzialità progettuali e applicative. Ma quali sono i materiali per la stampa 3D?

• Materiali Termoplastici: i materiali termoplastici come l’acido polilattico (PLA) e l’acrilonitrile butadiene stirene (ABS), sono i materiali più comuni per la stampa 3D. Il PLA è biodegradabile, ha una bassa temperatura di fusione ed è facile da stampare, ma è fragile. L’ABS è più durevole e flessibile, con una temperatura di fusione più alta e suscettibile a una varietà di tecniche di post-produzione, come la levigatura, la verniciatura e l'incollaggio;

• Materiali Compositi: i materiali compositi, come il polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) e il polimero rinforzato con fibra di vetro (GFRP), offrono maggiore resistenza e rigidità rispetto ai termoplastici. Il CFRP, in particolare, ha proprietà meccaniche superiori e, la carica di fibre di carbonio, può influenzare anche altre proprietà del polimero base. Questi materiali sono adatti per applicazioni che richiedono alte prestazioni, come nell’industria aerospaziale;

• Polimeri ad alte prestazioni: i super polimeri, come polietere etere chetone (PEEK), polietere chetone chetone (PEKK) e polietereimide (PEI – ULTEM), offrono combinazioni uniche di proprietà come resistenza chimica e resistenza alle alte temperature. Sono ideali per applicazioni critiche in settori come quello dell’Oil&Gas e dell’automotive. La stampa 3D di questi materiali non è banale e richiede ecosistemi tecnologici progettati ad hoc, ma quando presenti i requisiti per la stampa di questi materiali avanzati, è possibile ottenere geometrie intricate difficilmente realizzabili con altri processi. In questo articolo abbiamo spiegato qual è la differenza tra PEEK e PEKK, una lettura utile prima di spiegare le caratteristiche dei super polimeri PEEK e ULTEM.

Materiali di stampa 3D ad alte prestazioni: PEEK e ULTEM

I materiali avanzati come PEEK e ULTEM offrono prestazioni superiori per applicazioni impegnative. Ecco le loro caratteristiche principali:

• Proprietà meccaniche eccellenti, resistenza alle alte temperature: PEEK e ULTEM sono noti per la loro resistenza chimica e termica e per le loro proprietà autoestinguenti. Entrambi i materiali mantengono la rigidità e la resistenza alle alte temperature. La loro resistenza chimica li rende adatti per ambienti aggressivi;

• Leggerezza: la leggerezza dei materiali di stampa 3D PEEK e ULTEM costituisce un elemento critico e distintivo che li rende particolarmente adatti per una vasta gamma di applicazioni, soprattutto in settori che pongono un'enfasi specifica sul peso, come l'aerospaziale e il motorsport. Laddove la performance e l'efficienza sono di primaria importanza, la scelta di materiali leggeri come PEEK e ULTEM rappresenta una decisione strategica che va a favorire sia le prestazioni tecniche che l'efficienza operativa;

• Lavorabilità: la lavorabilità del PEEK e dell’ULTEM richiede stampanti 3D di qualità industriale in grado di raggiungere alte temperature. L'adesione tra gli strati e la deformazione termica possono essere problematiche, quindi è importante non improvvisarne la stampa con soluzioni desktop, soprattutto se ci troviamo nell’ambito della produzione additiva. Quando però attrezzature e competenze specifiche sono presenti, questi materiali avanzati offrono prestazioni eccezionali in ambienti che richiedono materiali termicamente robusti e meccanicamente resistenti.

Tecnologie di stampa 3D più utilizzate con materiali ad alte prestazioni

• Tecnologia FFF con materiali ad alte performance

La tecnologia Fused Filament Fabrication (FFF) ha rivoluzionato il panorama della stampa 3D, rendendo accessibile la produzione di prototipi e parti funzionali. Nei recenti sviluppi della FFF, si è assistito a una crescente adozione di materiali ad alte prestazioni, estendendo notevolmente le possibilità di applicazione della stampa 3D. Materiali come il PEEK e l'ULTEM sono diventati protagonisti in questo contesto, portando la FFF a nuovi livelli di versatilità e robustezza. La capacità di utilizzare materiali ad alte prestazioni in una tecnologia di stampa 3D a deposizione di filamento fuso apre la strada a una vasta gamma di applicazioni in settori critici come l'aerospaziale, l'automotive e la produzione industriale.

La tecnologia FFF con materiali ad alte prestazioni è adatta per la produzione di componenti complessi, come parti aerodinamiche per veicoli e componenti di sistemi di raffreddamento, che richiedono resistenza all'usura, rigidità e, talvolta, proprietà termiche eccezionali. Inoltre, consente una progettazione più complessa e personalizzata, consentendo ai progettisti di sfruttare appieno le caratteristiche uniche di materiali come il PEEK e l'ULTEM. Questa sinergia tra tecnologia FFF e materiali avanzati apre nuovi orizzonti nell'ambito della produzione su misura, promuovendo l'innovazione e la rapidità nello sviluppo di prototipi e prodotti finali.

• Stampa su larga scala con FGF e materiali avanzati

La stampa su larga scala con la tecnologia di Fabbricazione di Granuli Fusi (FGF) e materiali avanzati sta rivoluzionando il panorama della produzione additiva, consentendo la realizzazione di componenti di dimensioni notevoli con elevate prestazioni. Questa metodologia si distingue per l'utilizzo di granuli di materiale termoplastico, consentendo una produzione efficiente e sostenibile su scala maggiore. Materiali avanzati come il polipropilene rinforzato con fibra di vetro (PPGF) e poliammide (PA) stanno emergendo come protagonisti in questo contesto, offrendo una combinazione di resistenza, flessibilità e durabilità.

Quando si passa ai materiali avanzati, viste le loro caratteristiche pecuniarie di alte prestazioni, le soluzioni si riducono vedendo in prima fila la tecnologia HYPERMELT sviluppata da Roboze, tra le prime ad offrire la possibilità di stampare materiali come PEKK e ULTEM. La possibilità di utilizzare materiali avanzati consente la produzione di componenti che soddisfano rigorosi requisiti di prestazioni, resistenza agli agenti atmosferici e durata nel tempo. La flessibilità di questa tecnologia consente di adattare facilmente i processi produttivi alle esigenze specifiche del progetto, offrendo una risposta rapida alle richieste del mercato, offrendo un equilibrio ottimale tra dimensioni, prestazioni e sostenibilità.

Applicazioni industriali con materiali ad alte prestazioni per la stampa 3D

L’adozione di materiali ad alte prestazioni sta aprendo la strada a nuove applicazioni industriali della stampa 3D. Grazie alla loro versatilità e resistenza, sono ideali per la produzione di componenti durevoli in settori come l’aerospaziale, l’automobilistico e l’energetico.

• Applicazioni aerospaziali: le applicazioni aerospaziali stanno sperimentando una trasformazione significativa grazie all'introduzione di materiali avanzati per la stampa 3D. L'utilizzo di tecnologie di stampa 3D con materiali ad alte prestazioni ha aperto nuove possibilità nella progettazione e produzione di componenti aerospaziali. La leggerezza, la resistenza e la capacità di personalizzazione offerte da questi materiali giocano un ruolo cruciale nella riduzione del peso complessivo delle strutture aeronautiche, contribuendo così a migliorare l'efficienza dei veicoli spaziali. I materiali avanzati per la stampa 3D consentono la creazione di componenti complessi e geometricamente ottimizzati, migliorando la forma delle parti per garantire la massima efficienza aerodinamica. Questa capacità di progettazione personalizzata non solo riduce il peso complessivo dei veicoli, ma può anche migliorare le prestazioni generali, dalla resistenza strutturale alla gestione termica. Inoltre, la stampa 3D offre tempi di produzione più rapidi e una maggiore flessibilità nel prototipare e modificare i design, elementi critici nell'ambito di progetti aerospaziali che richiedono risposte rapide alle sfide ingegneristiche. L'applicazione di materiali avanzati per la stampa 3D nell'ambito aerospaziale non solo offre vantaggi in termini di prestazioni e efficienza, ma contribuisce anche a una maggiore sostenibilità attraverso la riduzione dei rifiuti di produzione e la possibilità di riciclare i materiali;

• Applicazioni automobilistiche: l'introduzione di materiali avanzati per la stampa 3D ha influenzato anche il settore automobilistico, offrendo opportunità innovative nella progettazione e produzione di componenti chiave. Così come per l’aerospazio, la leggerezza e la resistenza meccanica di materiali come i polimeri rinforzati con fibra di carbonio consentono la realizzazione di componenti più leggeri, senza compromettere l'integrità strutturale. Questo è particolarmente cruciale nel settore automobilistico, dove la riduzione del peso si traduce direttamente in miglioramenti delle prestazioni, dell'efficienza del carburante e della maneggevolezza. L'adozione della stampa 3D con l'utilizzo di materiali avanzati nel settore automobilistico ha un impatto significativo anche sulla produzione, specialmente quando si tratta di supportare le linee produttive. Un esempio è la realizzazione di stampi per la laminazione della fibra di carbonio, un processo critico nella produzione di componenti leggeri e ad alte prestazioni per il settore automobilistico. La stampa 3D sta emergendo come una tecnologia chiave nella produzione di prototipi, pezzi di ricambio e componenti su misura, anticipando una nuova era nella progettazione e fabbricazione di veicoli con un'attenzione crescente alla leggerezza, alla personalizzazione e all'efficienza complessiva.

• Applicazioni nel settore energetico: le applicazioni nel settore energetico stanno beneficiando in modo significativo dell'utilizzo di materiali avanzati per la stampa 3D, con un focus particolare sulla resistenza alla corrosione. Un esempio eloquente di questa applicazione si riscontra nella produzione di giranti per pompe utilizzate dai sistemi di depurazione ai sistemi di gestione delle acque reflue, da applicazioni offshore a downstream, dove la resistenza agli agenti corrosivi è fondamentale per garantire prestazioni durature ed efficienti. La resistenza alla corrosione di questi materiali avanzati è di particolare importanza in ambienti marini e in luoghi caratterizzati da elevati livelli di olii ed acidi. Le giranti prodotte con materiali resistenti alla corrosione possono mantenere la loro efficienza nel tempo, riducendo la necessità di manutenzione frequente e aumentando la durata operativa complessiva degli impianti energetici. Inoltre, la stampa 3D consente la produzione su misura dei componenti, adattate alle specifiche esigenze di ciascuna applicazione energetica, rappresentando un passo significativo verso l'incremento dell'affidabilità e della sostenibilità delle infrastrutture energetiche.

In conclusione, la stampa 3D è in piena espansione e i progressi nello sviluppo di nuovi materiali per la stampa 3D stanno alimentando l’innovazione tecnologica. Man mano che i materiali avanzati per la stampa 3D diventano lavorabili con metodi di produzione additiva, le applicazioni possibili si espanderanno in modi che oggi sono difficili da immaginare. Dal settore aerospaziale alla produzione industriale, i materiali avanzati sono la chiave per sbloccare il potenziale della stampa 3D e trasformare i processi di progettazione e produzione. Se riusciremo a sfruttare appieno le promesse offerte da questi materiali innovativi, il futuro della manifattura additiva sarà luminoso!

Se hai bisogno di informazioni, contatta Roboze.