Come scegliere il filamento di stampa 3D
Nel corso dell'ultimo decennio, il campo delle tecniche di produzione additiva si è notevolmente ampliato e si è sviluppato partendo da una tecnologia di nicchia per la costruzione di prototipi, fino ad offrire a un'ampia e diversificata gamma di applicazioni per la ricerca e sviluppo, sia per il segmento degli autoproduttori (professionisti) sia per le start-up. Anche i pezzi di ricambio sono prodotti con questa tecnologia, quando non sono più disponibili dai produttori.
Al limite, questa tecnologia di produzione additiva è in grado di utilizzare particelle fini di metallo che vengono fuse utilizzando un laser o un fascio di elettroni per formare oggetti metallici robusti. Molto più comuni tuttavia sono le stampanti 3D che utilizzano la plastica come materiale di fabbricazione.
L'uso di stampanti 3D è diventato così uno strumento comune di prototipazione rapida per gli ingegneri e gli scienziati che desiderano valutare la forma finale di un nuovo prodotto e verificare se un circuito stampato si inserisce in un alloggiamento, oppure ottenere indicazioni sulla robustezza fisica offerta da una nuova tecnica di progettazione. Il prezzo di base si è ora stabilizzato nella fascia media a tre cifre, tanto che ora le stampanti 3D sono utilizzate anche in parallelo nelle "3D printing farm" allo scopo di ridurre drasticamente i tempi di stampa attraverso la parallelizzazione. Anche le scuole e gli istituti di formazione stanno investendo nelle stampanti 3D per introdurre gli studenti alle più recenti tecniche e strumenti di progettazione e per stimolare l'interesse verso le materie STEM (scienza, tecnologia, ingegneria, matematica).
Tali stampanti 3D utilizzano di solito un processo noto come “fabbricazione a filamenti fusi” (Fused Filament Fabrication o FFF). L'approccio più comune prevede il riscaldamento di un sottile filo di plastica (filamento) e la sua successiva applicazione in strati sottili (appena 0,05 mm di altezza). L'estrusore e il piano di stampa consentono inizialmente il movimento in un piano, di modo che gli oggetti vengano creati strato per strato. L'ugello di fusione si muove nel piano X/Y e l'altezza è regolata tramite il piano di stampa o, in alternativa, ogni dimensione spaziale è controllata singolarmente (estrusore lungo un asse, letto di stampa lungo l'altro, con una successiva modifica nel senso dell’altezza). Tuttavia, esistono molti altri schemi di stampanti 3D che adottano approcci diversi per ottenere lo stesso risultato.
Le termoplastiche sono solide a temperatura ambiente e devono essere riscaldate a una temperatura compresa tra 200°C e 280°C per l'estrusione, in base al materiale, per poter essere abbastanza viscose per l'applicazione. Un ventilatore integrato raffredda rapidamente la plastica fino a una temperatura alla quale si garantisce l’adesione con lo strato sottostante e allo stesso tempo la solidificazione della plastica senza cedimenti. In caso contrario, gli oggetti più grandi all'aumentare dell'altezza apparirebbero come una candela fusa
Dalla forma alla funzione
La prototipazione rapida promette iterazioni veloci lungo le varie fasi di progettazione fino al prodotto finito. I processi di produzione additivi, come quelli delle stampanti FFF, sono in grado di produrre l'oggetto desiderato a partire dai file CAD nel giro di poche ore o, in caso di oggetti di grande complessità, in pochi giorni. I disegni e i modelli possono essere controllati a intervalli ravvicinati per verificare se i componenti elettronici e meccanici si integrano perfettamente o se la sensazione tattile dell'oggetto corrisponde ai desideri e alle intenzioni del progettista. In caso di rilavorazione, è possibile compiere la fase di iterazione successiva del progetto entro lo stesso breve intervallo di tempo. Ciò consente di ridurre i tempi di produzione e di eliminare gravi errori prima dell'inizio della produzione in serie - requisito questo essenziale, poiché la produzione degli stampi a iniezione è complessa, costosa e dispendiosa. Se si identificassero i miglioramenti urgenti solo dopo questa fase, si produrrebbero inutili ritardi e si aumenterebbe il costo dell'intero processo di sviluppo. Questo è il motivo per cui la stampa 3D a basso costo è già utilizzata per la produzione in serie di piccole dimensioni, a volte con diverse centinaia di stampanti 3D che lavorano in parallelo per produrre i componenti necessari. Anche se un oggetto realizzato con stampante 3D è riconoscibile dalla sua struttura a strati, l'approccio è pienamente giustificato perché i cicli di innovazione sono relativamente brevi. In caso sia necessario apportare un miglioramento, il file 3D modificato viene preparato per la stampa e trasferito al gruppo stampanti in cui è creata la versione migliorata del prodotto.
Sia che si tratti di prototipi o di produzione in piccole serie, occorre comprendere le caratteristiche del materiale di base del filamento selezionato, prima di iniziare il processo di stampa. Anche se il filamento può richiedere più di 200°C per sciogliersi prima di essere applicato all'oggetto stampato, l'oggetto finale può iniziare a deformarsi a una temperatura significativamente inferiore. Inoltre, diversi materiali di filamento mostrano livelli variabili di stress termico che possono portare a deformazioni una volta che il componente inizia a raffreddarsi. Ciò può non comportare alcuna conseguenza per gli oggetti di piccole dimensioni, ma per gli elementi più grandi può causare difficoltà di accoppiamento dell'oggetto con altri componenti in lavorazione. La durevolezza del componente finale dipende anche dal filamento selezionato, con alcuni materiali più suscettibili alla rottura in seguito a caduta rispetto ad altri.
Alcuni elementi stampati in 3D sono molto più grandi del volume disponibile della stampante. Il software disponibile spesso fornisce opzioni per suddividere oggetti di grandi dimensioni in oggetti stampabili più piccoli che possono essere interbloccati o incollati insieme a stampa ultimata. In questo caso è necessario controllare quali tipi di adesivo sono adatti in combinazione con il materiale del filamento.
Ben poco può andare storto quando si comincia con un filamento in acido polilattico, o PLA, a condizione che non siano inclusi altri additivi (ad esempio fibre ottiche in legno, fibre conduttive, fibre di carbonio). Realizzati con fonti di biomassa rinnovabile, i prodotti in PLA puro sono in teoria completamente biodegradabili. Purtroppo, i filamenti in PLA sono spesso mescolati con altri materiali, come coloranti o altri polimeri, che possono rendere gli oggetti stampati risultanti più difficili da riciclare.
Tutte le stampanti 3D FFF possono utilizzare filamenti in PLA, e i componenti stampati non subiscono pressoché alcuna contrazione durante il raffreddamento. Richiedendo una temperatura compresa tra 180°C e 230°C, sono facili da utilizzare anche per gli operatori inesperti e vengono offerti in una gamma di opzioni di colori a un prezzo ragionevole.
Se si rende necessaria o si desidera la finitura meccanica, la scelta del tipo di filamento è legata a potenziali sfide. Il componente finale potrebbe risultare duro e fragile, difficile da smerigliare, oppure potrebbe deformarsi se esposto a temperature di 60°C o superiori. Il PLA è particolarmente adatto come filamento per gli istituti di formazione, perché fornisce un punto di partenza semplice e promettente, e i tassi di emissione delle particelle (PER) che si producono sono praticamente inosservabili, non essendo superiori a quelli misurati in una tipica classe.
Un altro materiale comune è l'acrilonitrile butadiene stirene, più comunemente noto come ABS, che è ritenuto essere leggermente migliore del PLA. La testina di stampa dovrà raggiungere un riscaldamento tra i 240°C e i 270°C. L'ABS è soggetto in certa misura alla contrazione per raffreddamento, per cui si rende anche necessario un letto di stampa riscaldato in grado di funzionare a 50°C o più, oltre ad una copertura per minimizzare l'impatto delle correnti d'aria. Tuttavia, il componente finale sarà resistente ai graffi e agli urti e sarà in grado di resistere a temperature fino a 85°C. La ricerca ha dimostrato che l'uso dei filamenti in ABS genera ovunque da 3 a 1000 volte più emissioni rispetto a quando si utilizzano filamenti in PLA. Sebbene tali livelli siano paragonabili a quelli di una stampante laser, si consiglia di prendere in considerazione l’utilizzo di una qualche forma di involucro e di filtro dell'aria in caso di utilizzo regolare in un ambiente chiuso in cui si ha una presenza permanete di personale o di bambini.
Una sfida con le stampanti 3D FFF è la necessità di realizzare accuratamente gli strati di materiale disponendoli l’uno sull’altro, cosa che, in relazione alla geometria dell'oggetto, può comportare difficoltà. In generale, si possono tollerare piccole sporgenze e ciò significa che, con ogni probabilità, è possibile stampare con successo una lettera V nitida. Criticità di questo tipo possono essere spesso superate attraverso un opportuno orientamento del letto di stampa anche se, talvolta, un oggetto potrebbe presentare sporgenze considerevoli che non sono supportate dagli strati inferiori, indipendentemente dall’orientamento. Se si stampa una lettera F tridimensionale in verticale sulla sua base, i due bracci che si estendono dal gambo non hanno nulla a loro sostegno. Sfide simili si incontrano nella stampa della bocca di una miscelatrice di cemento o dei cuscinetti vuoti degli alberi. Per fornire qualche dato sulle sporgenze da stampare, è possibile generare i supporti tramite il software della stampante. Se questi sono posti in verticale come un tronco d'albero, essi vengono stampati insieme all'oggetto desiderato, solo con una superficie di contatto minima che fornisce supporto agli elementi sporgenti. Questi ultimi vengono quindi rimossi meccanicamente e lasciano solo piccole tracce sulla superficie di stampa.
Alcune stampanti 3D forniscono due ugelli che lasciano spazio, tra l’altro, a un secondo filamento solubile in acqua da utilizzare per creare i supporti. Realizzati in co-polimero di butendiolo e di alcool in vinilico e noti come BVOH, tali filamenti forniscono un’ottima adesione sia ai substrati in PLA che a quelli in ABS. Questo materiale di filamento richiede una temperatura della testina di stampa compresa tra i 200°C e i 220°C, e consente di stampare oggetti all'interno di altri oggetti, come gli ingranaggi dentati e gli alberi di un cambio, in un unico processo di stampa. Una volta stampato l'oggetto, le strutture di supporto possono essere semplicemente eliminate e smaltite con l'acqua reflua domestica.
Naturalmente, esiste un’ampia varietà di altri materiali di filamento disponibili, che spesso possono fornire un oggetto stampato più robusto, o in grado di resistere a temperature più elevate, a colle o sostanze chimiche particolari, o meno sensibili nel tempo dalla luce UV. I filamenti in PLA e in ABS sono offerti anche in una vasta gamma di opzioni, che forniscono diversi colori e trasparenze, o che includono anche additivi come carbonio o metallo per conferire ulteriore robustezza, creando effetti visivi interessanti o persino diventando conducibili elettricamente.
La stampa 3D costituisce uno sviluppo straordinario e uno dei modi più coinvolgenti per introdurre alunni e studenti agli argomenti STEM. La scelta della filamento, come ingrediente chiave dell'oggetto prodotto, è fondamentale per garantire il rapido successo della prototipazione. Le future innovazioni nella stampa 3D FFF si verificheranno principalmente nel campo dei filamenti e includeranno nuove proprietà dei materiali. Tuttavia, anche i principianti e gli utenti meno esperti hanno alte probabilità di ottenere risultati soddisfacenti partendo dai filamenti in PLA, grazie alla sua facilità d'uso e all’ampio supporto tra le stampanti. Per coloro che nutrono preoccupazioni in merito alla produzione di fumi e di particelle durante il funzionamento in classe, è inoltre opportuno valutare attentamente il materiale per mitigare i rischi.