Stampa 3D di compositi: tutto quello che dovresti sapere

Cosa sono i materiali compositi e quali sono i principali tipi di composito?

I compositi sono materiali ottenuti dalla combinazione di due materiali con diverse proprietà fisiche e chimiche, progettati per migliorare le qualità del materiale puro. Essi sono composti da matrice e rinforzo.

In base alla natura della matrice, si possono distinguere tre principali tipi di composito:

• PMC (Polymer-Matrix Composite): compositi a matrice polimerica, solitamente termoplastici come ad esempio PA, PEEK e PP o termoindurenti come la resina epossidica;
• MMC (Metallic-Matrix Composite): compositi a matrice metallica, generalmente Alluminio, Titanio o altre leghe;
• CMC (Ceramic-Matrix Composite): compositi a matrice ceramica, comunemente carburo di silicio o allumina.

I compositi più comuni sono a base polimerica perché garantiscono sia bassa densità che maggiori prestazioni. I polimeri termoindurenti sono stati preferiti in passato perché conservano la loro rigidità fino alla temperatura di pirolisi. Il loro uso è stato sostituito negli ultimi anni dai termoplastici perché sono generalmente riciclabili, più resistenti e possono essere conservati più a lungo.

Nella maggior parte dei casi l’elemento legante, ovvero la matrice, è più duttile del riempimento discontinuo, che risulta più forte o più rigida. Per fare in modo che il rinforzo rafforzi la matrice, è necessario avere una frazione volumetrica sostanziale della fase di rinforzo (solitamente almeno circa il 10%).

Stampa 3D di compositi: cos'è il rinforzo e quali tipi di rinforzo possono essere utilizzati?

I rinforzi dei materiali compositi possono essere distribuiti in diversi modi all'interno della matrice, ed ha lo scopo di garantire rigidità e resistenza meccanica, assumendosi la maggior parte del carico esterno.

In base al tipo di rinforzo, i compositi si suddividono in:

• compositi particellari;
• compositi rinforzati con fibre (fibrorinforzati);
• compositi strutturati (ad esempio, pannelli sandwich, compositi laminati e pannelli compositi di alluminio).

Questi ultimi sono molto comuni nel settore aerospaziale ma sono considerati una tipologia particolare di compositi.

Qual è la differenza tra compositi particellari e rinforzati con fibre?

Il rinforzo in fibra è un mezzo più efficace per rafforzare i compositi rispetto al rinforzo in particelle. Entrambi i rinforzi vengono utilizzati per accrescere rigidità, forza e tenacità, ma i miglioramenti ottenuti con i rinforzi in fibra sono maggiori.

Il vantaggio principale dei compositi rinforzati con particelle è la buona qualità superficiale e la facilità di produzione e formatura. Inoltre hanno un costo contenuto e possono essere utilizzati laddove è richiesta un'elevata resistenza all'usura. Un esempio di composito particellare è il composito rinforzato con sfere.

Poiché le sfere hanno una superficie di contatto più alta, quindi un'interfaccia matrice/rinforzo più alta, assorbono quantità maggiori di energia, con conseguente miglioramento del comportamento quando sottoposte a vibrazioni.

Cos'è un composito rinforzato con fibre?

I compositi rinforzati con fibre possono essere classificati in tre famiglie, in base alle dimensioni delle fibre e alla loro disposizione:

• compositi a fibra continua (o lunga);
• compositi a fibra discontinua (o corta), con fibre allineate tra loro;
• compositi a fibra discontinua (o corta), con fibre disposte in modo casuale.

I compositi di fibre discontinue, con fibre disposte in modo casuale, sono altamente anisotropi. D'altra parte, i compositi a fibre discontinue, con fibre allineate, hanno un'anisotropia più debole, essendo le fibre più equiassiali. Ma qual è l'influenza dell'allineamento delle fibre sulle proprietà meccaniche?

La modellazione matematica teorica viene utilizzata per calcolare le proprietà dei materiali compositi. Poiché i compositi sono anisotropi, le loro proprietà dipendono dall'orientamento dei carichi applicati rispetto alla direzione dell'interfaccia fibra/matrice. Ci sono due principali condizioni di carico che possono essere esercitate su un composito e influenzarne la resistenza: isosollecitazione (isostress) e isodeformazione (isostrain).

• Isosollecitazione (isostress): modello teorico utilizzato per calcolare le proprietà meccaniche del composito in una direzione ortogonale ai carichi. Quando i carichi vengono applicati in una direzione perpendicolare alla matrice e alla direzione delle fibre, la sollecitazione è la stessa su tutti gli strati. Fibra e matrice lavorano in serie: sopportano lo stesso carico ma subiscono deformazioni differenti. Questo rappresenta la condizione più debole.
• Isodeformazione (isostrain): modello teorico utilizzato per calcolare le proprietà meccaniche di un composito nella direzione parallela alla direzione del carico. Quando i momenti e le forze vengono applicati nella stessa direzione delle fibre, la continuità di spostamento è garantita su tutti gli strati. Fibra e matrice lavorano in parallelo, quindi anche se la deformazione è la stessa, i carichi sopportati sono diversi. Essendo la fibra più forte della matrice, il composito può sopportare carichi maggiori di quelli che la matrice stessa potrebbe sopportare. Questo rappresenta la condizione più forte.

La rigidità del composito è massimizzata quando le fibre sono allineate con la direzione di carico, ma questa è anche la configurazione che aumenta la possibilità di rottura della fibra per trazione quando la resistenza a trazione supera quella della matrice.

Quando controllata, l'anisotropia può essere un vantaggio: le prestazioni del materiale possono essere rafforzate in base alle direzioni di carico. Con le parti stampate ad iniezione, l'anisotropia difficilmente può essere controllata, mentre la tecnologia di stampa 3D può essere vantaggiosa perché le proprietà del materiale dipendono dalla direzione di deposizione, quindi possono essere controllate e personalizzate in base alle direzioni di carico applicate.

Cos’è l'interfaccia nei compositi?

L'interfaccia è la dimensione primaria di qualsiasi composito. L'interfaccia nei compositi è l'area di contatto tra la matrice e il rinforzo.

L'interfaccia deve essere forte e con un'elevata compatibilità tra i due materiali per formare un buon composito.

Le proprietà meccaniche dei materiali compositi sono fortemente influenzate dalle proprietà dell'interfaccia fibra-matrice: avere una buona interfaccia è essenziale per ottenere buone prestazioni del composito alle sollecitazioni.

Una volta sottoposte a carichi, le fibre tendono a riallinearsi, inducendo stati di compressione e trazione nella matrice che possono provocare distacchi tra la stessa e la fibra, con conseguente riduzione della resistenza del composito. I parametri che misurano questi fenomeni sono la forza di distacco e la resistenza allo scorrimento dell'interfaccia fibra/matrice, che sono considerati i parametri più importanti per determinare le proprietà di qualsiasi composito.

Che tipo di fibre si possono utilizzare per rinforzare un polimero?

Esistono diverse fibre che possono essere utilizzate per rinforzare un polimero, ecco un breve elenco:

• Fibre di carbonio (grafite o carbonio amorfo): termicamente ed elettricamente conduttive, forniscono un'elevata resistenza meccanica alle alte temperature. Leggere e a bassa densità, costose.
• Fibre di vetro: termicamente ed elettricamente isolanti, forniscono elevata stabilità, elevata rigidità e resistenza alla trazione, piccola rigidità alla flessione. Media densità, medio peso, basso costo.
• Fibre ceramiche (es. Carburo di silicio o allumina): ad elevata conduttività termica, garantiscono stabilità termica, resistenza meccanica, resistività allo scorrimento ad alta temperatura, bassa densità e stabilità contro l'ossidazione.
• Fibre aramidiche (come il Kevlar): elevata resistenza agli urti, alta resistenza, alto modulo, tenacità e stabilità termica. Le fibre di kevlar sono altamente cristalline, la loro superficie è chimicamente inerte. Il kevlar è utilizzato in una vasta gamma di applicazioni grazie al suo elevato rapporto resistenza/peso, ed è cinque volte più resistente dell'acciaio a parità di peso.
• Fibre di basalto: fragili, alto modulo di elasticità, eccellente resistenza al calore, notevole capacità di resistenza termica e acustica ed eccezionali isolanti dalle vibrazioni.
• Fibre di legno: materiale ecofriendly, forte in tensione e flessibile.

Tipologie di fibre per compositi: cosa sono le fibre di carbonio?

Tra tutti i rinforzi utilizzati nei compositi, i più comuni sono le fibre di carbonio. Le fibre di carbonio (CF o fibre di carbonio) sono fibre molto piccole con un diametro compreso tra 5 e 10 µm composte principalmente da atomi di carbonio.

Qual è la struttura atomica delle fibre di carbonio e di cosa sono fatte le fibre di carbonio?

La struttura atomica della fibra di carbonio è simile a quella della grafite, costituita da aggregati di atomi di carbonio a struttura planare (fogli di grafene) disposti secondo una regolare simmetria esagonale.

La differenza tra le fibre di carbonio e la grafite sta nel modo in cui questi fogli di grafene sono disposti.

La grafite ha una struttura esagonale compatta, formata dalla sovrapposizione di strati di grafene. Nella direzione ortogonale al piano, ci sono legami chimici deboli, che diminuiscono le proprietà meccaniche tra gli strati. Sullo strato, le proprietà meccaniche della grafite sono molto elevate a causa dei legami covalenti.

Il modello più accreditato per la definizione di fibre di carbonio è il modello turbostratico che afferma che la fibra di carbonio è costituita da piani di grafene coassiali all'asse della fibra.

Fibre di carbonio: proprietà e utilizzo

Le fibre di carbonio hanno un’elevata resistenza meccanica, sono isolanti termici, resistenti alle variazioni di temperatura, con buone proprietà ignifughe. Le fibre di carbonio sono dure e hanno un'elevata resistenza chimica a varie soluzioni acquose e diversi agenti chimici. Possono degradarsi a contatto con metalli e ossidi metallici a temperature superiori a 730 °C.

La densità delle fibre di carbonio è di circa 1,75 g / cm3 e le sue proprietà meccaniche sono molto elevate, con un modulo di trazione compreso tra 200 e 500 GPa. Grazie alle sue eccezionali proprietà di trazione, la fibra di carbonio offre una rigidità da 2 a 5 volte maggiore dell'alluminio e dell'acciaio (a parità di peso).

Le fibre di carbonio sono costituite dall'unione di migliaia di filamenti cilindrici, costituiti principalmente da carbonio (almeno il 92%). Per loro natura, le fibre di carbonio sono fortemente anisotropiche a causa della loro bassa omogeneità, il che significa che le proprietà meccaniche hanno una direzione privilegiata.

I polimeri o le plastiche rinforzate con fibra di carbonio (CFRP) sono materiali compositi costituiti da una matrice coesiva che protegge e trattiene il rinforzo, in questo caso le fibre di carbonio che forniscono resistenza e rigidità. La scelta della matrice ha un forte effetto sulle proprietà del composito.

Come stampare in 3D i materiali compositi

Molte tecnologie diverse possono essere utilizzate per produrre materiali compositi. Uno dei più utilizzati è il processo di laminazione, ma molto spesso è manuale, quindi richiede costi e tempi di manodopera elevati.

Un'altra tecnologia ampiamente diffusa per la produzione in serie di compositi è lo stampaggio a iniezione: una volta che lo stampo è stato progettato e realizzato secondo le esigenze del pezzo, questa tecnologia consente la produzione rapida di pezzi con tolleranze fini e buona qualità superficiale. Il principale svantaggio di questa tecnologia nella produzione di compositi è l'impossibilità di impartire una direzione alle fibre, risultando in parti molto anisotropiche con proprietà meccaniche inferiori.

Nell'ambito delle tecnologie non sottrattive, meglio chiamata Additive Manufacturing, ci sono tre principali tecnologie per produrre PMC:

• Fused Filament Fabrication (FFF): tecnologia più semplice per la produzione, poiché il filamento composito viene fuso ed estruso attraverso un ugello. La tecnologia FFF ha un vantaggio importante, quando si tratta di compositi: le fibre sono allineate seguendo l'asse del materiale estruso. Significa che la direzione di stampa può essere regolata in base alla direzione del carico, per ottimizzare le prestazioni del materiale.
• Selective Laser Sintering (SLS): le polveri composite vengono fuse da un laser per formare parti. Con questa tecnologia non è possibile orientare le fibre, con conseguente minore proprietà meccaniche dei materiali compositi.
• Automated Fiber Placement (AFP): strisce di nastro vengono tirate unidirezionalmente lungo una superficie. I nastri possono essere asciutti o preimpregnati di resina e vengono estratti dallo strumento di posa, riscaldati e pressati nello stampo sagomato. La complessità della forma da produrre è limitata perché dipende dalle capacità dell'utensile, ma questa tecnologia ha il vantaggio di poter utilizzare nastri con resine termoplastiche o termoindurenti.

Qual è la differenza tra i compositi di fibre di carbonio continue e corte?

I compositi rinforzati con fibra di carbonio stampati in 3D tramite la tecnologia FFF possono essere suddivisi in due categorie:

• Fibre continue di carbonio: negli ultimi anni i compositi continui rinforzati con fibra di carbonio hanno occupato una posizione rilevante nello scenario della produzione additiva. Il rinforzo in fibra continua può garantire una buona stabilità e proprietà meccaniche estremamente elevate nella direzione della fibra, che giace sul piano x-y della stampante. Nonostante ciò, la stampa 3D di questi compositi presenta alcuni svantaggi: libertà di progettazione limitata e proprietà inferiori sull'asse z che gli conferiscono una bassa adesione sull'asse z.
• Fibre corte di carbonio: più facili da stampare ed estremamente più economiche rispetto alle fibre continue, le fibre corte di carbonio consentono un design illimitato delle parti stampate. Le fibre di carbonio corte hanno una direzione di carico preferita, così come quelle continue, ma la discrepanza tra le proprietà di direzione x-y e z non è così marcata come per le seconde.

Esempi di compositi di stampa 3D con tecnologia Roboze

La tecnologia Roboze consente la produzione rapida e ripetibile di diversi compositi con una precisione molto elevata. Alcuni esempi di materiali compositi stampati in 3D da Roboze ed idonei per la stampa 3D sono Carbon PA e Carbon PEEK.

Carbon PA è un composito a base di nylon. La sua matrice è realizzata in PA 6.10 rinforzata con fibre di carbonio corte fino al 20%. L'aggiunta di fibre di carbonio consente di migliorare le prestazioni termiche del nylon, conferendogli eccezionali proprietà meccaniche. Poiché la percentuale di rinforzo non è molto bassa, questo PA rinforzato ha una resistività superficiale piuttosto elevata, rispetto alla sua versione pura.

D'altra parte, il Carbon PEEK è un materiale composito realizzato con una matrice PEEK (cos’è il PEEK) e il 10% di fibre di carbonio corte. Le sue prestazioni alle alte temperature sono migliori, fino a 280 °C, e la sua resistenza a trazione finale (UTS) è fino a 120 MPa. A causa della bassa percentuale di rinforzo, la sua resistività superficiale non è troppo superiore a quella del PEEK puro.