Quali sono i filamenti più resistenti per la stampa 3D?

Quando si tratta di fabbricare pezzi resistenti, una delle scelte più cruciali nella stampa 3D riguarda il materiale utilizzato. Sebbene la tipologia stessa del processo di stampa rivesta un ruolo importante, è innanzitutto il materiale a determinare molte delle caratteristiche del componente finale. Come orientarsi nella scelta? Quali sono i materiali per la stampa 3D più resistenti?

Prima di tutto, è essenziale definire cosa si intende realmente per resistenza. Spesso la resistenza viene confusa con la durabilità, ma le due nozioni non sono identiche. La resistenza dei materiali è definita come “la capacità di un materiale di sopportare forze meccaniche durante l’utilizzo”. Questo concetto comprende diversi fattori, tra cui la resistenza alla trazione, la deformazione e la fessurazione.

Esistono numerosi metodi per valutare la resistenza di un materiale, tra cui la durezza, la resistenza agli urti, la resistenza alla compressione, il limite di snervamento, la resistenza alla fatica e alla flessione. Tuttavia, una delle misure più comuni è la resistenza a trazione ultima, che corrisponde al carico massimo che un materiale può sopportare senza fratturarsi quando sottoposto a una forza di trazione. In altri termini, è la forza necessaria per allungare o rompere definitivamente un materiale.

È su questo aspetto che ci concentreremo. Analizzeremo la resistenza di diversi materiali per la stampa 3D, in particolare i filamenti polimerici utilizzati nella deposizione di filamento fuso (FDM), una delle tecnologie di stampa 3D più diffuse. La resistenza alla trazione sarà espressa in MPa (megapascal), l’unità di pressione del Sistema internazionale di unità (SI), corrispondente a un newton per metro quadrato, nonché in psi (libbre per pollice quadrato), unità più comunemente impiegata nel sistema anglosassone. L’elenco che segue è organizzato in tre categorie: materiali standard, materiali tecnici e materiali compositi.

È inoltre importante sottolineare che alcuni dei materiali con maggior resistenza a trazione sono in realtà i materiali flessibili, come il TPU. Questi ultimi non sono inclusi nella presente rassegna, ma la questione resta aperta al dibattito. Inoltre, le proprietà meccaniche di un pezzo stampato non dipendono unicamente dal materiale, ma anche dalle condizioni di stampa, tra cui la macchina utilizzata, i parametri e l’ambiente. Questi valori servono quindi principalmente come riferimento per confrontare la resistenza relativa tra i diversi materiali.

Materiali standard: meno resistenti, ma più accessibili

In linea generale, i materiali standard non sono i filamenti più resistenti per la stampa 3D, poiché possiedono proprietà meccaniche più contenute. Ciò non significa tuttavia che alcuni non si distinguano per una resistenza superiore rispetto ad altri. Infatti, anche se non paragonabili ai polimeri tecnici o ad alte prestazioni, alcuni presentano comunque una resistenza a trazione relativamente elevata.

Prendiamo l’esempio del PLA. Questo materiale è spesso percepito come uno dei più fragili, in particolare a causa della sua sensibilità ai raggi UV, eppure possiede una resistenza a trazione relativamente elevata, compresa tra 53 e 59 MPa (circa 7800–8250 psi). Confrontiamolo con l’ABS, spesso considerato un materiale robusto: quest’ultimo ha una resistenza a trazione di 34–36 MPa (circa 4600 psi).

Questo confronto non tiene però conto della resistenza a flessione né della durabilità, due ambiti in cui l’ABS eccelle. Il PLA è relativamente fragile e presenta una bassa resistenza agli urti e una limitata resistenza termica, con una temperatura di transizione vetrosa di circa 60°C. L’ABS, al contrario, si distingue per la sua duttilità e la migliore resistenza termica, che lo rendono più adatto a pezzi sottoposti a sollecitazioni meccaniche.

Il PETG, dal canto suo, combina i vantaggi di entrambi i materiali. Con una resistenza a trazione compresa tra 38 e 44 MPa (5511–6380 psi) e un’elevata resistenza a flessione (75–59 MPa), si dimostra più resistente dell’ABS, sebbene meno performante del PLA in termini di rigidità. È inoltre più facile da stampare rispetto all’ABS, il che lo rende un buon compromesso.

Materiali tecnici e ad alte prestazioni: i filamenti più resistenti

I materiali tecnici, concepiti per essere più robusti e adatti alle applicazioni industriali, figurano tra i filamenti più resistenti nella stampa 3D. Alcuni polimeri ad alte prestazioni (HPP) superano persino i materiali tecnici in termini di resistenza e vengono talvolta impiegati come sostituti del metallo.

Policarbonato

Il policarbonato è uno dei filamenti più solidi tra i materiali tecnici, grazie alla sua elevata resistenza a trazione (60–70 MPa), all’eccellente resistenza agli urti e alla robustezza termica. Risulta tuttavia più difficile da stampare a causa della sua spiccata tendenza alla deformazione.

Nylon

Anche il nylon, o poliammide, è conosciuto per la sua resistenza. Questa però varia in funzione della composizione chimica, in particolare dal numero di atomi di carbonio presenti nella catena molecolare. Nella stampa 3D si utilizzano principalmente le tipologie PA6, PA11 e PA12, le ultime due spesso lavorate con tecnologia SLS. Il PA6 è comunemente impiegato sotto forma di filamento, sebbene anche PA11 e PA12 esistano in questa forma, talvolta anche come compositi.

Tutte e tre le poliammidi offrono un’eccellente resistenza agli urti, pur essendo solide e semi-flessibili. Tra queste, il PA6 è il più apprezzato per le applicazioni che richiedono un’elevata resistenza meccanica, con una resistenza a rottura compresa tra 50 e 90 MPa (7250–13100 psi). Questo valore può naturalmente variare, ma il produttore Ensinger Plastics indica per il PA6 una resistenza a rottura di circa 79 MPa, mentre il PA11 si attesta intorno a 52 MPa e il PA12 intorno a 53 MPa.

Tutte queste poliammidi sono riconosciute per la grande resistenza agli urti, all’usura e al calore. Confrontandone le caratteristiche, il PA12 può essere considerato un materiale “tuttofare”, che combina il meglio degli altri due, mentre il PA11 si distingue per la sua flessibilità. Inoltre, questi ultimi due sono più facili da stampare rispetto al PA6.

PEEK

Il polietereterchetone (PEEK) appartiene alla categoria dei polimeri ad alte prestazioni (HPP), noti per le loro proprietà meccaniche eccezionali e la resistenza superiore, al punto da essere talvolta paragonati ai metalli. In termini di resistenza a rottura, il PEEK supera persino alcuni polimeri tecnici, con un valore tipico compreso tra 90 e 100 MPa (13053–14504 psi). Sotto forma di filamento può raggiungere 110 MPa (15954 psi), superando così alcune leghe non ferrose.

Oltre alle eccellenti proprietà meccaniche (resistenza a trazione, flessione, durezza, impatto), il PEEK offre anche un’elevata resistenza chimica. Questa combinazione di caratteristiche lo rende ideale per applicazioni esigenti, in particolare nei settori aerospaziale, automobilistico, oil & gas e medicale.

PEKK

Un altro polimero ad alte prestazioni frequentemente utilizzato nella stampa 3D industriale è il PEKK. Appartenente alla stessa famiglia PAEK del PEEK, il polieterchetonechetone (PEKK) si distingue per diversi aspetti, pur mantenendo una resistenza meccanica eccezionale e simile. Ad esempio, un filamento Lynxter presenta una resistenza a rottura di 105 MPa (15229 psi) e una resistenza a flessione di 95 MPa (13778 psi), valori prossimi a quelli del PEEK.

Il punto di forza del PEKK risiede nella migliore adesione tra gli strati, dovuta a una velocità di cristallizzazione più lenta. Ciò consente una migliore resistenza a trazione su tutti gli assi rispetto al PEEK. Inoltre, al pari di quest’ultimo, possiede un’eccellente resistenza chimica e termica, oltre a una superiore resistenza a flessione.

Ultem

Nella categoria dei polimeri ad alte prestazioni si trova anche il PEI, più noto con il nome commerciale ULTEM. Questo filamento offre un’elevata resistenza a trazione, ma i valori variano a seconda della versione utilizzata. L’ULTEM 9085 è utilizzato per la sua elevata resistenza, con un valore intorno a 70 MPa (10153 psi), che può tuttavia raggiungere, come nel caso del PEKK e del PEEK, fino a 110 MPa a seconda del filamento. Un altro punto di forza dell’ULTEM è la sua eccezionale resistenza termica, che può raggiungere i 180°C, unita a un’elevata resistenza agli urti e a un ottimo rapporto resistenza/peso. Come gli altri polimeri HPP, risulta però difficile da stampare e molto costoso, il che ne limita l’impiego alle applicazioni industriali.

Materiali compositi: rafforzare la resistenza dei polimeri

I materiali compositi combinano più componenti per migliorare la resistenza meccanica, la rigidità, la resistenza termica e la durabilità. Le fibre principalmente utilizzate sono di tre tipologie che vediamo qui nello specifico.

Fibra di carbonio (CF)

La fibra di carbonio è la più resistente e la più costosa tra le fibre composite. Nella stampa 3D, il risultato finale dipende da numerosi fattori, come la posizione delle fibre, la loro densità e la matrice polimerica utilizzata. Secondo alcune fonti, la fibra di carbonio pura possiede una resistenza a trazione di circa 4137 MPa (600.000 psi). Questo valore non si trasferisce naturalmente per intero nei filamenti compositi, ma l’aggiunta di fibra di carbonio consente generalmente di aumentare la resistenza di un materiale di circa il 40%.

Fibra di vetro

La fibra di vetro è uno dei compositi più comunemente utilizzati nella stampa 3D FDM. Come le altre fibre, migliora le proprietà meccaniche dei pezzi stampati, in particolare la flessibilità e la resistenza ai danni. Non raggiunge, però, la stessa resistenza della fibra di carbonio. Allo stato puro, la fibra di vetro presenta una resistenza a rottura di circa 3450 MPa (500.380 psi). L’impatto di questo valore sul filamento finale dipende dalle caratteristiche del materiale composito.

Kevlar (Aramide)

Il Kevlar è noto soprattutto per le sue eccezionali capacità di assorbimento degli urti. La sua resistenza a trazione si colloca in una posizione intermedia tra i valori della fibra di vetro e quelli della fibra di carbonio. Con una densità inferiore rispetto a queste due fibre, il Kevlar rappresenta una scelta eccellente quando peso, resistenza e rigidità sono criteri essenziali. Offre inoltre una buona resistenza ai danni, alla fatica e alle deformazioni. Risulta tuttavia il meno resistente dei tre, con una resistenza a rottura di circa 2757 MPa (399.869 psi), inferiore a quella della fibra di carbonio e della fibra di vetro.

Quindi, secondo voi, qual è il filamento più resistente per la stampa 3D FDM? Faccelo sapere lasciando un commento sui nostri social Facebook e LinkedIn. Trovi tutti i nostri video sul nostro canale YouTube! Non dimenticare di iscriverti alla nostra Newsletter settimanale per ricevere tutte le notizie sulla stampa 3D direttamente nella casella di posta!