8 Motivi per Utilizzare Polimeri ad Alte Prestazioni nella Produzione Additiva

I polimeri ad alte prestazioni (o HPP secondo l’acronimo inglese) sono utilizzati da diversi decenni nel settore dell’industria, in particolare nello stampaggio a iniezione o nelle lavorazione meccaniche. Tuttavia, negli ultimi anni hanno smesso di essere materiali esclusivi dell’ingegneria tradizionale e sono usati anche nella produzione additiva. Questo tipo di polimeri è caratterizzato da proprietà superiori a quelle dei polimeri convenzionali, poiché presentano una maggiore solidità, una migliore resistenza all’usura e una maggiore durata. Tra gli HPP più utilizzati nei processi additivi troviamo la famiglia dei poliarileterchetoni (PAEK), che comprende PEEK e PEKK, e la polietereimmide (PEI), meglio conosciuta con il suo nome commerciale, ULTEM.

La lavorazione degli HPP nella stampa 3D continua a perfezionarsi, ma il loro ruolo è sempre più rivelante per risolvere problemi concreti all’interno di filiere produttive sempre più complesse, con tempi più stretti e costi ottimizzati. Per questo motivo, oggi esploriamo otto motivi per scegliere polimeri ad alte prestazioni nella produzione additiva. L’obiettivo è capire perché questi materiali possono smettere di essere un’alternativa sperimentale e diventare invece una risorsa produttiva avanzata.

#1 : Buona resistenza termica

Una delle caratteristiche più notevoli dei polimeri ad alte prestazioni è la loro stabilità termica in condizioni estreme. Mentre le plastiche standard, come l’ABS, iniziano a perdere le loro proprietà meccaniche a circa 90-100 °C, materiali come il PEEK mantengono la loro struttura anche in uso continuo fino a 250 °C, resistendo a picchi di temperatura fino a 300 °C. Il PEKK e il PEI presentano un comportamento simile, con temperature di deflessione termica superiori a 200 °C, rendendoli una scelta ideale per le applicazioni in cui la stabilità termica è un requisito essenziale. Un simile livello di prestazioni permette l’utilizzo di questo tipo di polimeri anche in ambienti industriali ostili, in particolare per quanto riguarda i componenti meccanici situati in prossimità del motore delle automobili o di supporti strutturali nelle turbine aeronautiche.

Possiamo trovare un esempio di tali prestazioni negli sport automobilistici. La NASCAR, per esempio, ha utilizzato la stampa 3D e l’ULTEM™ 9085 per realizzare un condotto NACA, installato sul pannello inferiore del motore, la cui funzione è quella di canalizzare ed evacuare l’aria calda generata durante la gara.

#2 : Resistenza chimica

La resistenza chimica è un altro fattore che contraddistingue i polimeri ad alte prestazioni. Alcuni polimeri subiscono una degradazione accelerata quando entrano in contatto con solventi organici, idrocarburi o fluidi industriali, ma ciò non avviene nel caso degli HPP. Questi ultimi mantengono la loro struttura praticamente invariata e funzionale anche in ambienti in cui la maggior parte delle termoplastiche fallisce. Sono quindi materiali adatti ad applicazioni nell’ingegneria chimica, nei sistemi di trasporto di fluidi e nelle apparecchiature mediche che vengono disinfettate o sterilizzate chimicamente.

#3 : Eccezionali proprietà meccaniche

I polimeri ad alte prestazioni si distinguono per il loro equilibrio tra resistenza, rigidità e capacità di resistere agli urti, motivo per cui vengono utilizzati in parti funzionali soggette a sollecitazioni prolungate. A differenza delle termoplastiche tradizionali, le termoplastiche ad alte prestazioni offrono proprietà meccaniche paragonabili a quelle dei metalli leggeri, come l’alluminio, possedendo in aggiunta una bassa densità. Ad esempio, il PEEK ha una resistenza alla trazione fino a 90-100 MPa, una cifra superiore a quella del PLA (60 MPa). La sua resistenza alla fatica è legata alle sue proprietà meccaniche. Gli HPP mantengono le loro prestazioni dopo molti cicli, anche in condizioni dinamiche e con sbalzi di temperatura. Infine, sono anche resistenti agli urti, quindi un componente in PEKK, ad esempio, può assorbire carichi improvvisi senza rompersi. Occorre sottolineare che, per raggiungere queste proprietà meccaniche, la maggior parte degli HPP richiede un post-trattamento, come la ricottura o il trattamento HIP, al fine di alleviare le tensioni residue, migliorare la coesione tra gli strati e massimizzare la densità del materiale.

#4 : Sostitutivo dei metalli

Una degli aspetti più rivoluzionari nel campo della produzione additiva è l’utilizzo di polimeri ad alte prestazioni in sostituzione di componenti metallici. Come si può immaginare, questi materiali risultano particolarmente vantaggiosi per la loro combinazione di elevata resistenza chimica, stabilità termica, robustezza meccanica e minor peso rispetto a componenti metallici equivalenti. Sebbene la stampa 3D con HPP presenti ancora delle sfide, la lavorazione di questi materiali offre notevoli vantaggi in diversi settori. Basti pensare agli ingenti scarti generati dalla lavorazione dei metalli e ai costi elevati degli utensili, che, inoltre, non permettono ancora di produrre geometrie complesse o canali interni. Un altro fattore chiave è la resistenza alla corrosione dei polimeri ad alte prestazioni, un punto debole comune nei metalli.

Tuttavia, è importante notare che, sebbene i polimeri ad alte prestazioni offrano proprietà meccaniche paragonabili a quelle dei metalli, la maggior parte di essi sono trattati con FDM/FFF, il che significa che le parti possono presentare una certa anisotropia, a seconda dell’adesione degli strati e della configurazione di stampa. Sebbene questa caratteristica debba essere considerata nella progettazione di componenti destinati a carichi critici, ciò non limita la loro applicazione.

#5 : Compatibilità in ambito medico

Tra tutte le applicazioni dei polimeri ad alte prestazioni, il campo medico è forse quello che ha maggiormente beneficiato delle loro proprietà uniche. In particolare il PEEK, riconosciuto per la sua biocompatibilità, il che significa che è sicuro in caso di contatto prolungato con il corpo umano. Grazie alla sua resistenza simile a quella dell’osso umano, il PEEK viene utilizzato per realizzare impianti personalizzati che riducono le complicazioni post operazioni e si integrano perfettamente con i tessuti corporei. La stampa 3D di PEEK nel settore sanitario si sta affermando progressivamente e le procedure sono in fase di perfezionamento. Vale la pena di menzionare il caso di 3D Systems, che lo scorso anno ha ottenuto l’autorizzazione della FDA per il primo impianto cranico VSP in PEEK stampato in 3D approvato a livello mondiale. Gli impianti possono essere creati negli ospedali stessi e con attrezzature sterili.

#6 : Possibilità di rinforzo

Gli HPP possono anche essere rinforzati con fibre, il che amplia ulteriormente le loro proprietà. Questa versatilità li rende materiali altamente adattabili a diversi ambienti industriali, dall’aviazione alla difesa. La combinazione tra rinforzi e produzione additiva consente anche strategie di progettazione avanzate, come l’orientamento delle fibre in base alla direzione del carico, per ottimizzare il comportamento meccanico del pezzo.

#7 : Libertà per le applicazioni critiche

Il principale vantaggio dei polimeri ad alte prestazioni nella stampa 3D è la loro capacità di permettere applicazioni critiche, ovvero situazioni in cui un guasto del materiale potrebbe avere gravi conseguenze in termini di sicurezza, costi o continuità operativa. Grazie alla stampa 3D, gli HPP soddisfano i requisiti di prestazione aggiungendo geometrie e disegni che sarebbero impossibili da realizzare con i processi utilizzati finora per questi polimeri. Sono particolarmente richiesti per lo sviluppo di applicazioni per il settore aerospaziale, automobilistico e ferroviario.

La diffusione di questi materiali è sostenuta dalle numerose certificazioni internazionali che ne attestano l’affidabilità in condizioni operative molto rigorose. Ad esempio, ULTEM™ 9085 è conforme alle norme 25.853 relative alla resistenza al fuoco, all’emissione di fumo e alla tossicità (FST) per gli interni degli aeromobili, richieste dall’Amministrazione federale dell’aviazione e dall’Agenzia europea per la sicurezza aerea. D’altra parte, FDA e ASTM approvano l’uso del PEEK nei dispositivi impiantabili e chirurgici.

# 8 : Equilibrio tra peso e prestazioni

Infine, i polimeri ad alte prestazioni offrono un equilibrio ottimale tra leggerezza e prestazioni tecniche. A differenza dei metalli che, pur essendo resistenti, presentano lo svantaggio di un’elevata densità, gli HPP offrono in molti casi proprietà comparabili, ma con una riduzione di peso fino al 70% rispetto a parti equivalenti in leghe leggere come l’alluminio. Nell’industria aerospaziale, questo vantaggio è essenziale, perché ridurre anche di un solo chilogrammo il peso di un aereo può far risparmiare migliaia di litri di carburante per l’intero arco di utilizzo.

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*Crediti foto di copertina : VESTAKEEP