Guida ai materiali per la stampa 3D: i compositi
Sempre più aziende stanno utilizzando materiali compositi per la stampa 3D. Se ti stai chiedendo il perché, iniziamo col dire che IDTechEx ha pubblicato un interessante studio sul mercato della manifattura additiva a compositi: si prevede che avrà un valore di $1,73 miliardi nei prossimi dieci anni – una crescita a dir poco impressionante! Facciamo però un po’ di chiarezza: vi diamo qui tutte le informazioni necessarie su questi materiali: dalla loro composizione, alle tecnologie che ne fanno più uso fino ai principali attori sul mercato della stampa 3D di compositi.
Il termine “composito” è impiegato da un punto di vista tecnico per indicare un materiale che è stato rinforzato con fibre. Le fibre sono molto utili quando combinate con un altro materiale, ma non sono quasi mai utilizzate da sole per creare un pezzo. Sono sempre aggiunte a un materiale matrice sotto forma di fibre corte o sotto forma di rinforzo fibroso continuo. Una delle fibre più popolari nel settore della stampa 3D è la fibra di carbonio perché presenta uno dei più elevati rapporti resistenza-peso.
Un pezzo stampato in 3D impiegando un rinforzo di fibre di carbonio, con un maggiore rapporto peso-resistenza e un minore consumo di materiale | Crediti: 9TLabs
Perché rinforzare un materiale con le fibre?
I compositi sono estremamente utili nel creare parti molto leggere, ma robuste al tempo stesso. Le fibre aggiungono resistenza a un pezzo senza aggiungere peso. Come menzionato in precedenza, ci sono due tipi di rinforzo: fibre corte o fibre continue. Nel primo caso, fibre tagliate in segmenti di lunghezza inferiore a un millimetro sono unite a materiali termoplastici tradizionali per aumentare la rigidità e, in minore misura, la resistenza dei componenti. Le fibre tagliate possono essere aggiunte a materiali termoplastici quali nylon, ABS o PLA. Ogni produttore aggiunge e miscela una diversa quantità di fibre corte ai suoi polimeri di plastica, ottenendo bobine di filamenti di diversa resistenza. Bisogna anche tenere presente che la quantità di fibre tagliate influirà sulla qualità di stampa. Al di sopra di una certa soglia, la parte stampata in 3D perderà in termini di finitura superficiale.
Le migliori prestazioni derivano dal rinforzo con fibre continue. Il processo di creazione di parti con compositi di fibre continue non è semplice come quello con compositi di fibre corte perché le fibre devono essere integrate nella termoplastica in maniera continua man mano che la termoplastica viene estrusa. Le fibre possono anche essere posate secondo tecniche di design che ottimizzano il rapporto peso-resistenza di un pezzo e il consumo di materiale, anche note come tecniche DfAM (Design for Additive Manufacturing). Grazie al rinforzo con fibre continue è possibile creare parti resistenti come il metallo.
In termini di fibre disponibili sul mercato, la fibra di carbonio è senz’altro la più popolare. Sono inoltre ampiamente utilizzate nel settore: la fibra di vetro, un comune tipo di plastica fibrorinforzata che impiega fibre di vetro e il Kevlar, una fibra sintetica forte e termoresistente. La fibra di vetro è un materiale economicamente vantaggioso per dare maggiore forza alla plastica e il Kevlar ha un’elevata resistenza agli urti in quanto si piega anziché spezzarsi.
Il software di Anisoprint può generare riversi tipi di riempimenti rinforzati con fibre continue | Crediti: Anisoprint
Quali sono le tecnologie presenti sul mercato?
Essere in grado di stampare con materiali di rinforzo è stato l’obiettivo di numerose startup nel settore della stampa 3D. Negli ultimi anni abbiamo notato il lancio sul mercato di un crescente numero di macchine e tecnologie per abilitare nuove applicazioni, soprattutto in settori industriali come quello aerospaziale e automobilistico.
Essenzialmente, la tecnologia varia a seconda del tipo di composto di cui si parla. Compositi per stampa 3d a fibra corta possono essere estrusi nel normale processo FDM, in quanto il filamento già contiene la fibra. La stampa 3D con fibre continue, invece, è un processo più complicato che richiede due ugelli per stampare contemporaneamente. Solitamente, un ugello estrude la termoplastica e l’altro la fibra. Diversi produttori commercializzano la loro tecnologia con nomi diversi, ma l’idea è all’incirca sempre la stessa.
A sinistra puoi vedere le fibre corte, composte da segmenti di lunghezza inferiore a un millimetro. A destra, il filamento rinforzato con fibre corte. | Crediti: Markforged
Ad esempio, Markforged la chiama Continuous Filament Fabrication (CFF), mentre Anisoprint la chiama Composite Fiber Coextrusion (CFC). Più di recente, Desktop Metal si è a sua volta unita alla corsa per soddisfare la richiesta di questa tecnologia lanciando un nuovo sistema denominato Fiber. Fiber impiega il Micro Automated Fiber Placement (μAFP), che a sua volta si affida a due testine di stampa per rinforzare in maniera continua la termoplastica che viene estrusa. Una tecnologia interessante è il processo di proprietà di AREVO basato sulla tecnologia di Direct Energy Deposition (DED), in cui un laser viene utilizzato per riscaldare contemporaneamente il filamento e la fibra di carbonio mentre un rullo comprime i due insieme.
Impossible Objects ed EnvisionTEC hanno a loro volta aggiunto sistemi per la stampa 3D con fibre continue alla loro gamma di macchine, ma la tecnologia differisce un po’. Intrecciano lamine di fibra di carbonio in una stampa tramite un processo di laminazione. Infine, Continuous Composites impiega una tecnologia ibrida in cui il filo di fibra viene imbevuto di resina e quindi indurito tramite una luce UV, similmente a quanto avviene nella stampa 3D SLA.
Desktop Metal ha lanciato Fiber, una stampante 3D a fibra continua, per soddisfare la crescente richiesta di questa tecnologia | Crediti: Desktop Metal
Chi sono gli attori sul mercato dei compositi per stampa 3D?
Nuovi attori emergono rapidamente sul mercato, come ad esempio la giovane 9T Labs, con sede in Svizzera, che ha creato un sistema di add-on per normali stampanti 3D per permettere la stampa 3D con fibra continua. Chiamano questo processo di stampa 3D Additive Fusion Technology (AFT); il rinforzo è composto da un materiale con riempimento di carbonio, non da fibre di carbonio pure. Naturalmente avrai sentito parlare dei principali attori del settore, tra cui CEAD, Markforged, Anisoprint o Roboze. EnvisionTec, Impossible Objects e Desktop Metal hanno a loro volta aggiunto alla loro gamma di macchine sistemi che permettono la stampa 3D a fibra continua. Nel caso di compositi a fibra corta, tra i produttori di filamenti ci sono Roboze, 3DXTech, ColorFabb, ecc.
Il telaio per bici di AREVO è stato creato utilizzando la stampa 3D a fibra continua | Crediti: AREVO
Come menzionato in precedenza, i materiali con riempimento di fibre di carbonio sono i compositi per stampa 3d più diffusi, soprattutto per applicazioni difficili come prototipi funzionali, ricambi di automobili, componenti leggeri, ecc. Sono inoltre aggiunti a materiali tecnici. Ad esempio, l’anno scorso alcuni ricercatori in Cina stavano studiando i vantaggi dell’aggiunta di fibre di carbonio a termoplastiche dalle elevate prestazioni come il PEEK.
Il mercato dei materiali compositi è in continua crescita e nuove combinazioni di materiali renderanno possibili nuove applicazioni. Non dimentichiamo che Sandvik ha creato il primo composito di diamanti l’anno scorso. Solitamente il diamante è impossibile da utilizzarsi nella manifattura additiva perché è troppo duro. Creando un composto di diamante, però, le proprietà del materiale possono essere utilizzate per numerosi attrezzi resistenti (settore minerario, perforazioni o lavorazione meccanica) e anche per impianti medici!
Il diamante composito creato da Sandvik
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*Crediti immagine di copertina: SABIC
