Filamenti o pellet: quale tipo di plastica scegliere per la stampa 3D?

Le materie plastiche sono senza dubbio una delle famiglie di materiali più utilizzate nella produzione additiva. Compatibili con un’ampia varietà di processi, offrono molteplici proprietà e caratteristiche alle parti, siano esse prototipi, utensili o oggetti di uso finale. Disponibili in diverse forme – filamenti, pellet (granuli), polveri, resine – soddisfano le esigenze e i requisiti dei produttori di tutti i settori. Se qualche mese fa abbiamo confrontato polveri e resine polimeriche, ora è il momento di dare un’occhiata ad altre due famiglie di polimeri: i filamenti e i pellet. Quali sono le loro caratteristiche e applicazioni? Con quali processi di stampa 3D sono compatibili? Chi sono i produttori presenti sul mercato e quanto costano queste tipologie di materiali? Ve ne parliamo in questo nuovo articolo dedicato!

I filamenti e i granuli sono due forme di materiali attualmente compatibili con la produzione additiva e, sebbene oggi siano disponibili soluzioni metalliche e ceramiche, ci concentreremo esclusivamente sulle materie plastiche. Prima di tutto, dobbiamo ripassare la definizione di pellet e filamento di plastica. Un pellet di plastica è un piccolo granulo di 0,5 cm di diametro che può essere fuso, modellato o estruso per realizzare tutti i tipi di oggetti in plastica. I pellet di plastica sono quindi un elemento chiave dell’industria chimica. Possono essere utilizzati nella manifattura additiva con macchine specifiche. Il filamento, invece, è un materiale termoplastico ottenuto mescolando granuli di plastica, o scarti di plastica tritati, con diversi additivi. Per produrre l’aspetto tubolare è necessario un estrusore di filamenti. Dopo diverse fasi di raffreddamento, il filamento passa attraverso un avvolgitore per ottenere una bobina che verrà poi utilizzata da una stampante 3D.

Per produrre filamenti per stampanti 3D, sono necessari pellet di plastica (Crediti foto: Capifil)

Caratteristiche e proprietà di filamenti e pellet

La produzione di materie plastiche è un mercato enorme, con cifre in crescita negli ultimi anni in termini di produzione, occupazione e investimenti. Le materie plastiche possono assumere diverse forme quando lasciano la raffineria: liquidi, polveri o pellet. In tutti i casi, vengono poi plasmate per produrre pezzi di ogni tipo, tramite stampaggio, iniezione, termoformatura o, naturalmente, estrusione. Se iniziamo a considerare i pellet di plastica industriali, è importante sottolineare che ne esistono moltissimi sul mercato, che offrono un’ampia gamma di proprietà e caratteristiche a seconda della loro composizione chimica e possono anche avere colori diversi.

I granuli di plastica industriali sono una miscela del polimero stesso e di additivi chimici. In questo processo vengono utilizzati diversi polimeri, tra cui il polietilene (PE), il polipropilene (PP), il polietilene tereftalato (PET), il polistirene (PS) e il PVC. Ovviamente, a seconda del pellet di plastica scelto, si otterranno caratteristiche meccaniche e proprietà chimiche molto diverse.

I pellet di plastica sono ampiamente disponibili sul mercato (Crediti foto: DEKRA Industrial)

Uno dei vantaggi dei pellet nella stampa 3D è che sono già utilizzati in tecnologie di produzione più tradizionali, come lo stampaggio a iniezione. Ciò significa che se si utilizza un materiale qualificato nella produzione additiva, è possibile utilizzare lo stesso materiale se si passa allo stampaggio a iniezione, senza passare per una fase di qualificazione. Si tratta di un vantaggio considerevole, molto apprezzato quando si tratta di produrre prototipi al fine di testare il materiale, ma anche quando si tratta di produrre pezzi finiti utilizzando materiali già riconosciuti dai produttori.

Per quanto riguarda i filamenti, il processo di produzione è più lungo, poiché prevede la trasformazione dei pellet di plastica in tubi che possono essere estrusi. Sono previste diverse fasi: in primo luogo, viene rimossa l’umidità dai granuli. Successivamente, i granuli vengono fusi per poter essere fatti passare attraverso un estrusore, lo strumento che conferisce al filamento la forma tubolare. Una volta formato, il filamento viene raffreddato in appositi bagni. Viene quindi confezionato in bobine per essere utilizzato su una stampante 3D.

Nel processo di trasformazione dei pellet in filamento, vengono aggiunti additivi che inevitabilmente alterano la materia prima. Utilizzando un filamento per stampare una parte in 3D, è necessario passare attraverso un’ulteriore fase di qualificazione del materiale. Per quanto riguarda le plastiche compatibili, esistono diversi tipi di polimeri, dal PLA all’ABS, compresi gli elastomeri e le plastiche ad alte prestazioni come il PEEK o il PEI. A seconda del filamento scelto, le proprietà del pezzo saranno diverse: se si cerca la trasparenza, si opterà per il policarbonato, mentre se si cerca la resistenza meccanica, si sceglierà il PEEK.

Tenete presente che alcune materie plastiche sono più difficili da trasformare in filamento a causa della loro composizione chimica, quindi avrete una scelta più ampia di materiali se optate per la stampa 3D di pellet.

L’impianto di produzione di filamenti KIMYA (Crediti foto: Hervé Boutet)

Processi di stampa 3D compatibili

Sia che si opti per i pellet di plastica o per i filamenti, il processo di stampa preferito è l’estrusione, più precisamente la modellazione a deposizione fusa (FDM/FFF) per i filamenti e la fabbricazione di granuli fusi(FGF) per i granuli. Il principio è fondamentalmente lo stesso: il materiale plastico viene riscaldato, fatto passare attraverso un estrusore, per poi essere depositato su un piatto strato per strato per formare l’oggetto finale. La differenza sta nello strumento utilizzato per l’estrusione.

Nel caso dei filamenti, le stampanti 3D utilizzano un estrusore dotato di un motore passo-passo (stepper) e di una ruota dentata per spostare il filamento in avanti o indietro. All’estremità di questo alimentatore si trova un blocco di riscaldamento che, come suggerisce il nome, riscalda il materiale. Il materiale passa quindi attraverso un ugello, con un diametro variabile tra 0,4 e 0,8 mm, che si muove per depositare il filamento sulla piastra. A seconda del materiale utilizzato, sarà necessario un ugello in ottone o in rame, una camera riscaldata, un piano riscaldato, ecc. A seconda del materiale termoplastico si sceglieranno il tipo di macchina necessaria e i parametri di stampa.

Per i pellet, il processo di estrusione è leggermente diverso: la stampante 3D utilizza un sistema di tramoggia per assorbire i granuli di plastica e spingerli verso la zona di fusione. I granuli vengono poi ammorbiditi ed espulsi dall’ugello, che può quindi depositare il materiale strato per strato sul piatto di stampa. L’ugello può avere diversi diametri, generalmente più grandi di quelli utilizzati nelle stampanti 3D FDM che utilizzano filamenti. Infine, questo tipo di sistema di estrusione può essere installato su bracci robotici per fornire un’area di stampa più ampia e una maggiore flessibilità.

Il sistema di estrusione dei granuli di plastica è diverso da quello dei filamenti (Crediti foto: Pollen AM)

L’uso di granuli di pellet consente di raggiungere velocità di deposizione più elevate e volumi maggiori rispetto all’uso di un filamento. D’altro canto, la precisione e la risoluzione saranno inferiori. La stampa 3D a pellet è quindi preferibile per le parti di grande formato, in quanto non è necessario cambiare la bobina del filamento, poiché la macchina è in grado di estrudere una quantità maggiore senza fermarsi. Va notato, tuttavia, che la stampante 3D a pellet non è in grado di restringere il materiale, il che può causare un flusso di plastica maggiore attraverso l’ugello rispetto a una macchina FDM. Per interrompere il flusso di materiale, l’ugello deve essere fermato o bloccato. È quindi consigliabile ricorrere alla stampa 3D di filamenti per progettare parti più complesse e dettagliate.

Applicazioni

In generale, le applicazioni realizzabili con granuli o filamenti per la stampa 3D sono abbastanza simili: prototipi, utensili, parti finite… lo spettro è ampio. Ma, come avrete capito, ci sono alcune differenze fondamentali da considerare.

Per quanto riguarda i filamenti, la loro versatilità e disponibilità sul mercato li rende utilizzabili per un’ampia gamma di applicazioni. Si prestano bene alla creazione di pezzi di dimensioni modeste, ma anche a progetti che richiedono un certo livello di dettaglio e precisione. I filamenti sono ampiamente utilizzati nel campo della prototipazione rapida, consentendo a designer e ingegneri di creare modelli e moltiplicare i test per valutare i concetti prima della produzione finale. A seconda delle proprietà del filamento in questione, è possibile progettare parti per i settori automobilistico, aerospaziale, alimentare, medicale e altri. Alcuni materiali termoplastici sono resistenti al fuoco e al fumo, altri sono biocompatibili e altri ancora sono rinforzati con fibre di carbonio per una maggiore resistenza, pur rimanendo leggeri.

Poltrona progettata da Slicelab e stampata con granuli di PETG sulla stampante 3D EXT 1270 Titan Pellet.

Se guardiamo ai pellet, l’aspetto particolarmente interessante è che è possibile creare formulazioni su misura mescolando diversi tipi di plastica. Questa versatilità apre le porte a una moltitudine di applicazioni, in particolare nel settore sanitario, dove è possibile sviluppare materiali biocompatibili per la produzione di protesi e impianti su misura. Nel settore automobilistico, i granuli vengono utilizzati per creare parti personalizzate come elementi del cruscotto, passacavi, coperture del motore e componenti meccanici, accelerando il processo di sviluppo e riducendo i costi. Vengono utilizzati anche nel settore del design per realizzare mobili di grandi dimensioni e oggetti decorativi. Infine, è possibile progettare granuli da materiali riciclati, promuovendo l’economia circolare, un concetto particolarmente importante nella società odierna. Questi stessi granuli riciclati possono essere utilizzati per produrre filamenti.

Infine, come accennato in precedenza nell’articolo, l’uso dei pellet nella manifattura additiva è particolarmente interessante per la prototipazione dei materiali. Poiché la materia prima è la stessa nella stampa 3D e nello stampaggio a iniezione, un operatore può stampare in 3D i suoi prototipi e sottoporli a test e certificazioni prima di passare alla produzione di massa, senza dover passare per ulteriori fasi di certificazione. Ciò consente ai produttori di risparmiare una notevole quantità di tempo.

Prezzi

I filamenti sono ampiamente disponibili sul mercato. Sono venduti in bobine, generalmente da 750 grammi, il che li rende più facili da gestire e conservare. I prezzi variano a seconda del tipo di filamento, ma in generale è possibile acquistare una bobina di PLA, uno dei materiali più diffusi, per circa 20/30 euro. Tuttavia, i filamenti più specifici, come quelli flessibili o compositi, possono essere più costosi, con prezzi che vanno dai 30 ai 50 euro per bobina. Inoltre, se si stampano spesso oggetti di grandi dimensioni, l’investimento cresce notevolmente.

I pellet, a differenza dei filamenti, sono generalmente venduti in sacchi da diversi chilogrammi, il che significa che è possibile acquistare una grande quantità di materiale in una sola volta. Questo può rappresentare un investimento iniziale più elevato, poiché il prezzo dei sacchi di pellet può variare da 50 a 100 euro o più, a seconda del tipo di plastica e della quantità, ma in genere, possiamo affermare che i pellet sono più economici dei filamenti. Il prezzo al chilo dei pellet è inferiore a quello dei filamenti, soprattutto a causa del processo di trasformazione necessario per crearli. D’altra parte, un utente che desidera acquistare una piccola quantità di pellet di plastica può avere difficoltà a trovare la quantità necessaria e quindi avrà più senso acquistare filamenti.

È quindi opportuno tenere presente che a lungo termine acquistare pellet potrebbe rivelarsi più vantaggioso per gli utenti che utilizzano abitualmente la stampa 3D. La scelta dipende ovviamente anche dalle proprie esigenze e dal budget.

Bobine di filamenti (Crediti foto: La Nouvelle Ecole)

Produttori di filamenti e pellet sul mercato

Sul mercato della stampa 3D sono presenti numerosi produttori di filamenti e pellet, ognuno dei quali offre il proprio contributo a questo settore in rapida crescita. Come spiegato in precedenza, i filamenti sono molto apprezzati per la loro facilità d’uso e la loro convenienza. Aziende come Polymaker, 3DXtech, 3D4Makers, Nanovia, ColorFabb offrono un’ampia gamma di filamenti di alta qualità, dal PLA al PETG e all’ABS. Le principali aziende chimiche produttrici danno un contributo importante a questa industria; alcune di queste hanno sviluppato un proprio marchio di filamenti, come BASF o Evonik.

Per quanto riguarda i pellet di plastica, i produttori sono principalmente gli stessi gruppi chimici: Arkema e SABIC, per citarne solo due. Ci sono anche attori come Felfil, 3DXtech e Xtellar. Alcuni si sono addirittura specializzati nella produzione di granuli di plastica da rifiuti riciclati, come l’azienda americana re3D; altri, come KIMYA, producono sia pellet che filamenti.

Infine, se guardiamo ai produttori di macchine compatibili con questo tipo di plastica, la scelta è vasta, soprattutto per quanto riguarda i filamenti. Ci sono attori tradizionali come Stratasys, UltiMaker e Zortrax. Sempre più attori stanno entrando in questo mercato, con soluzioni desktop, per uso professionale o industriale. Per quanto riguarda i pellet, possiamo citare i produttori Arburg e Pollen AM, oltre a 3D Systems, che ha acquisito Titan Robotics nel 2022 e AIM3D. L’elenco non è ovviamente esaustivo.

(Crediti immagine: 3Dnatives)

In conclusione, entrambi i tipi di plastica offrono vantaggi produttivi che si adattano bene a diverse esigenze di produzione. Assicuratevi dunque di utilizzare il materiale giusto per massimizzare l’efficienza del vostro processo di produzione additiva!

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