Che cos’è la reologia e perché è importante nella stampa 3D dei polimeri?

Il concetto di reologia si riferisce a una branca della fisica che studia i fluidi. In particolare, esamina come si comportano i materiali quando scorrono o si deformano, ovvero come rispondono a una forza o a una sollecitazione applicata. Sebbene la reologia si applichi a una vasta gamma di campi scientifici e tecnologici, nel contesto della stampa 3D diventa cruciale per determinate tecnologie di produzione. Ci aiuta a capire e controllare come si comportano materiali come la plastica e persino gli idrogel durante il successivo processo di stratificazione.

Questa branca della fisica fu introdotta da Eugene Bingham e si affermò come disciplina indipendente intorno al 1930. Etimologicamente, il termine reologia deriva dal greco rheo (“fluire”) e logos (“scienza”). In termini semplici, la reologia descrive come i materiali si deformano e fluiscono in diverse condizioni di stress. Il comportamento reologico di un materiale consente di classificarlo in base a come reagisce alle forze applicate. Ad esempio, i solidi elastici mantengono la loro forma dopo la deformazione, mentre i fluidi viscosi fluiscono continuamente quando viene applicata una forza. Infine, ci sono i fluidi viscoelastici, che combinano le proprietà sia dei solidi elastici che dei liquidi viscosi, come i polimeri utilizzati nella stampa 3D.

Una buona comprensione della reologia aiuta a garantire la qualità delle parti stampate in 3D.

L’importance della reologia nella stampa 3D

La reologia è essenziale nella stampa 3D perché descrive come si comportano i materiali polimerici quando vengono depositati sulla piattaforma di stampa, sia attraverso processi di estrusione che di polimerizzazione. Comprendere la reologia di queste materie plastiche aiuta a prevedere come si comporteranno durante la stampa, che a sua volta è fondamentale per garantire la qualità e l’accuratezza del pezzo finale. Questo perché il comportamento reologico dei materiali durante la stampa influisce direttamente su diversi aspetti del processo e sulla qualità del pezzo stampato. Tra i motivi principali per cui la reologia è fondamentale nella stampa 3D ci sono:

Controllo della viscosità. Sia nei processi di estrusione che in quelli a base di resine, il materiale deve avere un preciso equilibrio tra viscosità ed elasticità.  In entrambi i casi, la viscosità del materiale influenza direttamente il suo flusso e la qualità della parte finale. Se la viscosità è troppo alta, il materiale sarà difficile da estrudere o depositare, causando intasamenti, flusso irregolare o difetti negli strati stampati. D’altra parte, se la viscosità è troppo bassa, il materiale può fluire eccessivamente, causando accumuli indesiderati, deformazioni o scarsa definizione dello strato. L’analisi reologica e la corretta regolazione delle condizioni di processo, come la temperatura e la velocità di estrusione, consentono l’ottimizzazione del flusso di materiale in entrambe le tecniche.

Studio della reologia applicata alla stampa 3D per estrusione.

Riduzione di gocciolamenti e fuoriuscite. Nella tecnologia material jetting, in cui la resina viene depositata sull’area di costruzione, la reologia aiuta a prevenire gocciolamenti o traboccamenti. Se la resina ha proprietà reologiche inappropriate, la deposizione può essere scarsa. Il materiale deve avere una viscosità sufficientemente bassa per fluire correttamente, ma abbastanza alta da evitare gocciolamenti o fuoriuscite.

Adesione dello strato. Una delle principali sfide nella stampa 3D è garantire che ogni strato stampato aderisca correttamente a quello precedente. Ciò dipende in gran parte dalle proprietà reologiche del materiale. I materiali devono essere abbastanza viscosi affinché lo strato appena depositato mantenga la sua forma senza scorrere eccessivamente. Hanno anche bisogno di proprietà viscoelastiche che consentano allo strato di fondersi e legarsi correttamente allo strato sottostante. Ciò è particolarmente importante per stampe ad alta risoluzione e parti con geometrie complesse.

Stabilità dimensionale e Post-Processing. Dopo la stampa, molti materiali tendono a deformarsi, in particolare quando si raffreddano e si solidificano. Queste deformazioni, come deformazioni o restringimenti, possono compromettere la qualità e la precisione delle parti. La reologia prevede come si comporteranno i materiali durante il raffreddamento, consentendo di regolare le condizioni di stampa per ridurre al minimo questi problemi.

Analysis of Rheology Applied to Resin-Based 3D Printing

Sviluppo di nuovi materiali. La reologia svolge un ruolo chiave nella ricerca e nello sviluppo di nuovi composti per la stampa 3D. Ciò include materiali con proprietà specifiche come elevata resistenza termica, maggiore flessibilità o deformazione ridotta durante il raffreddamento. La caratterizzazione reologica consente ai ricercatori di prevedere come si comporteranno questi materiali durante il processo di stampa, assicurandosi che siano adatti alla tecnologia e applicabili in vari settori.

In conclusione, la reologia è un concetto chiave nella stampa 3D di polimeri. Dal controllo del flusso di materiale al miglioramento dell’adesione dello strato e alla riduzione al minimo della deformazione, la comprensione del comportamento reologico dei materiali consente di ottimizzare ogni fase del processo di produzione additiva. Questa conoscenza è essenziale non solo per garantire la qualità delle parti stampate, ma anche per sviluppare nuovi materiali con proprietà che espandono le possibilità della stampa 3D nelle applicazioni industriali.

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*Crediti di tutte le foto: Repsol