Materiali di stampa 3D ad alte prestazioni: PEEK, ULTEM e altri polimeri

Negli ultimi anni, i materiali ad alte prestazioni sono diventati un argomento molto controverso nella comunità della stampa 3D. In un mondo in costante mutamento e adattamento a nuove tecnologie e materiali, era solo una questione di tempo prima che i polimeri termoplastici dalle prestazioni elevate si distinguessero tra gli altri materiali per stampa 3D. Il poliarileterchetone (PAEK) è una famiglia di materiali termoplastici semicristallini  in grado di sopportare temperature elevate mantenendo una resistenza eccezionale. Il PAEK è principalmente utilizzato sotto forma di polietere etere chetone (PEEK) e di polietere etere chetone chetone (PEKK), due materiali dall’elevata rigidità. Tuttavia, un’alternativa molto più economica, il polieterimide (PEI), anche noto come ULTEM, ha ottenuto parecchia attenzione perché, per via della sua mancanza di chetone, costa molto meno. Trovi qui tutto quello che devi sapere sulle famiglie PAEK e PEI.

Storia dei materiali ad alte prestazioni

I materiali ad alte prestazioni, il PEEK in particolare, sono forti come l’acciaio e spesso presentano l’80% di peso in meno, cosa che li rende estremamente richiesti nel settore della manifattura. Ma come mai stanno ottenendo un così grande successo nella stampa 3D solo ora? In verità, questi materiali sono in circolazione da oltre trent’anni, soprattutto utilizzati per lo stampaggio a iniezione o per la lavorazione meccanica. In un primo momento Stratasys era l’unica azienda a produrre stampanti in grado di gestire le elevate temperature richieste per fondere i polimeri di PAEK e di PEI. Con l’apertura del mercato, però, più aziende hanno avuto l’opportunità di sperimentare questi materiali, con una conseguente commercializzazione di massa delle loro invenzioni. Con il passare del tempo e con l’indebolimento delle barriere in entrata, vediamo un sempre maggior numero di aziende che fanno il loro ingresso nel settore e iniziano a produrre stampanti in grado di gestire i termoplastici PAEK.

Crediti: ApiumTec

Il PEI è stato sviluppato per la prima volta dal dipartimento plastica di General Electric alla fine degli anni ‘80. Nel 2007, tuttavia, SABIC, una delle principali società pubbliche dell’Arabia Saudita, ha acquisito il dipartimento e quindi i diritti sul brand ULTEM. Poiché questo materiale è un’alternativa più economica al PEEK, ha generato subito un grande interesse da un punto di vista finanziario. Combinato alle sue varie e significative proprietà fisiche come la resistenza al calore elevato, ai solventi e alle fiamme, la forza dielettrica e la conduttività termica, è una fantastica soluzione per numerosi progetti di ingegnerizzazione. ULTEM è diventato il materiale di prima scelta in fatto di applicazioni ingegneristiche estremamente difficili, solitamente nel settore aerospaziale.

Stampa 3D: PAEK e PEI

Ad oggi i polimeri PAEK e PEI sono stampati principalmente con FDM (modellazione a deposizione fusa) o con SLS (sinterizzazione laser selettiva). Considerando le temperature elevate cui operano questi polimeri, è comprensibile che nessuna stampante 3D ordinaria sia in grado di lavorare questi filamenti. Una stampante 3D per PAEK/PEI deve avere un ugello estrusore in grado di gestire temperature di oltre 350°C (660°F), punto di fusione di tali polimeri. Inoltre, il piatto riscaldato deve raggiungere almeno 230°C (450°F) affinché l’oggetto possa essere staccato. Infine, sono richiesti importanti meccanismi di raffreddamento per garantire il corretto equilibrio termico nella camera chiusa.

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La post-elaborazione di materiali ad elevate prestazioni è una procedura interessante. Come nel caso di qualsiasi parte complessa stampata con FDM, è necessario un supporto. Quando si tratta di PAEK e PEI, tuttavia, per via della rigidità dell’oggetto finale, staccare il supporto può essere complicato. Di conseguenza, viene spesso utilizzata una serie di strumenti per finalizzare la produzione di un pezzo. D’altro canto, però, quando si parla di SLS il pezzo è stampato praticamente alla perfezione, senza la necessità di lavorazioni meccaniche extra. Ciò nonostante, i produttori devono tenere in considerazione il fenomeno della deformazione (warping). Dopo aver completato la stampa di un oggetto e dopo che la temperatura all’interno della camera è scesa, i polimeri tendono a rimpicciolirsi. Di conseguenza, PAEK e PEI sono molto popolari per la stampa di piccoli oggetti, dato che più la parte è grande e maggiore sarà l’effetto di deformazione (warping). Sebbene ciò possa essere controllato in una certa misura ottimizzando i parametri di stampa come la velocità e la temperatura.

Principali produttori di materiali ad alte prestazioni

Come ci si aspetterebbe, molte delle grandi aziende chimiche si sono già rese conto del cambiamento in arrivo nel campo della manifattura additiva per termoplastici ad alte prestazioni. Di conseguenza, non sorprende che nomi come Arkema, Lehmann & Voss e Solvay (per menzionarne alcuni) vengano fuori quando si tratta di produzione di materiali PAEK. Per quanto riguarda il PEI, invece, il brand ULTEM – di SABIC – è l’unico per ora disponibile sul mercato.

In termini di stampanti in grado di supportare PAEK e PEI, il produttore cinese INTAMSYS, ha ricevuto moltissima attenzione in quanto offre una gamma di stampanti 3D professionali e da tavolo. Nondimeno, l’olandese Tractus3D sta diventando sempre più popolare, così come il gigante tedesco EOS, che ha messo sul mercato la stampante HTLS (High temperature laser sintering) in grado di trattare questi materiali.

Applicazioni industriali

Con un’eccezionale resistenza meccanica e termica fino a 260°C (500°F), i materiali PAEK resistono allo scioglimento in oli e altre sostanze, a differenza della maggior parte delle plastiche. Se esposti al fuoco, emettono una bassissima quantità di gas o fumi nocivi. Come possiamo immaginare, una famiglia di materiali con un numero così significativo di proprietà può essere utile in numerose industrie.

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Il settore automotive ha ben presto iniziato a sfruttare le capacità uniche di PAEK e PEI per tutta una serie di applicazioni. Una delle aree in cui PAEK e PEI sono stati più sovversivi è quella della produzione di strumenti rapidi a basso costo per stampaggio a iniezione, termoformatura, dispositivi di bloccaggio e accessori. Questo permette alle aziende di produrre un volume da piccolo a medio di pezzi a basso costo senza dover investire nella produzione su larga scala. Inoltre, la produzione di pezzi customizzati è sempre più richiesta in quanto possono essere modificati per adeguarsi a certi requisiti e possono sostenere cambiamenti complessi per migliorare la loro struttura.

Come nel caso di molti altri materiali di stampa 3D, le famiglie PAEK e PEI sono ampiamente utilizzate in campo medicale. PEEK è famoso per essere utilizzato per la schermatura degli apparecchi per la risonanza magnetica (MRI). È anche considerato un materiale biologico avanzato impiegato per impianti medici e in barre di rinforzo e dispositivi di fusione spinale. Il fatto che sia in grado di resistere all’acqua bollente e al vapore surriscaldato lo rende perfetto per oggetti che devono essere sterilizzati a temperature estremamente elevate.

I termoplastici ad alte prestazioni sono anche ampiamente utilizzate nel settore aerospaziale. Resistenza chimica, elevato rapporto peso-resistenza, e basso rischio di incendio, fumo e tossicità rende tali polimeri i sostituti ideali dei metalli, spesso utilizzati per parti di velivoli e pezzi di macchinari. Isolamento termo acustico, staffe strutturali, morsetti e distanziatori, dispositivi di fissaggio, connettori e tubi sono solo alcuni esempi di elementi per cui il settore dell’ingegneria aerospaziale ha iniziato a utilizzare PAEK e PEI, spesso riducendo il peso dei pezzi del 70%.

Altri settori che utilizzano i materiali ad alte prestazioni sono: marino, nucleare, petrolifero e del gas e molti altri.

Il futuro di PAEK e PEI

Crediti: ApiumTec

L’uso di termoplastici ad alte prestazioni richiede è ancora in fase di perfezionamento. Si sta ancora lavorando sul processo di produzione che viene costantemente migliorato. Ad esempio, come menzionato in precedenza, una volta stampato un oggetto in PAEK è ancora necessaria un’ulteriore lavorazione spesso complessa. Tuttavia, nuove innovazioni stanno migliorando costantemente il processo. Diverse aziende stanno attualmente lavorando su una soluzione FDM in cui il supporto dell’oggetto sia stampato in un materiale diverso in modo che possa essere eliminato in maniera più semplice e rapido una volta completata la stampa. Altre aziende, inoltre, come ad esempio Kimya, hanno iniziato a concentrarsi sulle combinazioni di materiali che permettano di sfruttare il meglio di ogni materiale. In questo modo, il prodotto finale può essere ad esempio realizzato al 70% in PEEK e al 30% in fibra di carbonio.

Con lo scadere dei brevetti e l’abbassamento delle barriere in ingresso alla produzione di termoplastici PAEK e PEI e delle stampanti 3D che li supportano, ci aspettiamo che un numero sempre maggiore di aziende si unisca alla catena di fornitura. Questo naturalmente farà aumentare la concorrenza e abbassare il costo dei prodotti finali, con un conseguente maggiore utilizzo di prodotti con PAEK nel settore dell’AM. In generale, sta diventando chiaro che tali termoplastici sono destinati a rimanere e possono competere con la rivoluzione della stampa 3D di metallo in corso.

Cosa pensi dell’uso di polimeri termoplastici ad alte prestazioni nella stampa 3D? Altri settori saranno secondo te coinvolti in un prossimo futuro? Facci conoscere la tua opinione su questo articolo lasciando un commento qui sotto o sulle nostre pagine LinkedIn e Twitter! Non dimenticare di iscriverti alla nostra Newsletter settimanale gratuita per ricevere tutte le ultime notizie sulla stampa 3D direttamente nella tua casella di posta!