Resine vs polveri: quale famiglia di materiali scegliere per la stampa 3D?

A seconda dell’applicazione e del processo di stampa 3D scelti, il materiale da utilizzare può cambiare notevolmente. Plastiche, ceramiche, metalli… la gamma di materiali è davvero molto ampia. Per questo motivo, vorremmo fornire con questo articolo una panoramica dettagliata su due famiglie di materiali in particolare: le resine e le polveri plastiche per la stampa 3D. Sebbene oggi esistano sul mercato numerose polveri e resine, come quelle metalliche o ceramiche, ci concentreremo qui sulle materie plastiche.

È importante ricordare che esistono due tipi di plastiche per la stampa 3D: termoindurenti e termoplastici, la cui differenza principale è il diverso comportamento rispetto al calore. Da un lato, i termoindurenti si induriscono se esposti a una fonte di calore e mantengono la loro forma dopo il raffreddamento. I materiali termoplastici, invece, possono assumere la forma desiderata quando vengono riscaldati e poi raffreddati e cambiano forma a ogni variazione significativa di temperatura, modificando leggermente le loro proprietà ogni volta.

Le polveri plastiche possono essere utilizzate in molti settori, ad esempio nell’industria automobilistica (crediti foto: EOS)

Queste due famiglie di materiali sono tra le più utilizzate nella produzione additiva. Secondo il rapporto Linker, il mercato delle polveri plastiche dovrebbe raggiungere i 3 miliardi di dollari entro il 2029, mentre per le resine il valore è stimato addirittura in oltre 750 miliardi di dollari secondo Fortune Business Insights. Come ci si può aspettare, ogni famiglia di materiali è compatibile con diverse tecnologie di stampa 3D, come SLS o Multi Jet Fusion per le polveri, Material Jetting o fotopolimerizzazione per le resine, ecc. Torneremo su questi diversi punti nel nostro articolo, così come sul post-processing, sui prezzi, sulle caratteristiche dei materiali, sui produttori e molto altro ancora!

Caratteristiche e proprietà di resine e polveri per la stampa 3D

Resine per la stampa 3D

Nell’attuale mercato dei polimeri esistono diverse resine che, a seconda delle loro proprietà, trovano applicazione in diversi settori. L’uso della resina per la stampa 3D consente di creare oggetti di piccole dimensioni con dettagli precisi. Tra le resine presenti sul mercato, possiamo citare:

• Resine standard: sono le più comuni ed economiche, facilmente reperibili sul mercato, semplici da lavorare e da carteggiare, offrono una finitura superficiale liscia. Tuttavia, sono fragili e possono rompersi facilmente. Vengono utilizzate principalmente per la prototipazione rapida.
• Resine flessibili: sono generalmente utilizzate per stampare oggetti resistenti che possono essere piegati o compressi. Inoltre, è disponibile un’ampia gamma di flessibilità e la durezza shore può essere regolata individualmente.
• Resine lavabili con acqua: come suggerisce il nome, non devono essere lavate con alcol isopropilico, ma con acqua, il che facilita la finitura. Hanno un odore meno forte e una superficie asciutta e meno appiccicosa.
• Resine industriali: sono adatte alla produzione di pezzi che richiedono una superficie rigida e dura. Tra le resine industriali, troviamo :
  • Resine resistenti ad alte temperature fino a 238ºC. Queste resine sono utilizzate per la produzione di prototipi che richiedono maggiore precisione e stabilità termica.
  • Le resine calcinabili sono un tipo di resina con un alto livello di dettaglio e una superficie superba, il cui processo di polimerizzazione è più rapido di quello di altre resine. La sua caratteristica principale è che, una volta fuso, il processo è pulito e non lascia residui.
• Resine dentali: esistono resine speciali per il settore dentale, colorate o trasparenti, più flessibili o più rigide. Alcune applicazioni in odontoiatria sono ponti, corone, protesi e queste resine devono quindi essere sterilizzabili.

Le resine svolgono un ruolo importante nell’industria dentale (foto: Formlabs)

Polveri per la stampa 3D

Nel mercato odierno delle polveri polimeriche, esiste un’ampia gamma di materie plastiche, tra cui il nylon è il più comune. È importante aggiungere che le polveri possono contenere anche le cosiddette perle, come ad esempio HP 3D High Reusability PA 12 Glass Beads che, come suggerisce il nome, è una termoplastica riempita con il 40% di perle di vetro.

• Nylon: noto anche come poliammide, i più comuni in polvere sono PA12 e PA11. Entrambi i tipi di nylon assorbono poca umidità e sono utilizzati, ad esempio, nell’industria automobilistica per la loro forza e resistenza all’attrito.
  • Il nylon PA12 è prodotto dal petrolio. Questo materiale è in grado di resistere a grandi variazioni di temperatura e a diverse sostanze chimiche.
  • Il nylon PA11 è un polimero a base biologica, prodotto dall’olio di ricino, ma questo non significa automaticamente che sia biodegradabile. Ha una buona resistenza al calore, un’elevata elasticità ed è apparentemente più ecologico del PA12.
• PEEK: è una termoplastica semicristallina molto apprezzata nell’industria per le sue proprietà meccaniche, la resistenza al calore e all’usura e la capacità di sostituire alcuni metalli grazie al suo rapporto peso/resistenza. Tuttavia, si tratta di un materiale più difficile da lavorare e con requisiti di stampa più esigenti, soprattutto in termini di temperatura. Questo materiale è utilizzato principalmente nell’industria automobilistica, aerospaziale e medica.
• Materiali compositi: i materiali compositi sono costituiti da una matrice polimerica e da fibre corte o lunghe. Le più note sono le fibre di carbonio e le fibre di vetro. Sono spesso scelti per applicazioni in cui sono richieste leggerezza, resistenza e rigidità.
• Polipropilene: anche il PP è semicristallino e si distingue, tra l’altro, per la resistenza chimica, il buon isolamento elettrico e la leggerezza, ma è difficile da stampare perché il trattamento termico deve essere controllato.
• TPU: il poliuretano termoplastico (TPU) è un materiale caratterizzato da un’elevata durata e flessibilità. Presenta inoltre un’elevata resistenza agli urti e all’abrasione.

Un aspetto ecologico delle polveri è la loro riciclabilità. Le polveri utilizzate per SLS e MJF possono essere setacciate e mescolate con una nuova polvere dopo il processo di sinterizzazione per riutilizzare il materiale in eccesso ed evitare gli sprechi.

Crediti foto: BASF

Resine e polveri: i processi di stampa compatibili

Resine

Nella stampa 3D in resina, uno dei processi più comuni è senza dubbio la fotopolimerizzazione, che si ritrova in tecnologie come SLA, DLP o LCD. In questo caso, per polimerizzare la resina si utilizza la luce UV; ciò che differisce da un processo all’altro è la sorgente luminosa utilizzata. Ad esempio, la SLA utilizza un laser per polimerizzare la resina punto per punto, mentre il DLP utilizza un proiettore che polimerizza l’intero vassoio di resina in un solo colpo. Un altro processo completamente diverso, ma compatibile con le resine, è il Material Jetting, in cui vengono utilizzate più resine contemporaneamente, anche se trasparenti.

Per quanto riguarda il post-processing, avrete già notato che dopo la stampa si formano spesso residui di resina appiccicosa sulla superficie, che devono essere lavati via con un solvente. L’alcool isopropilico è il solvente più comune e dà i risultati migliori. È inoltre necessario rimuovere eventuali supporti aggiunti durante il processo di progettazione, a seconda della geometria del pezzo. La scelta migliore è quella di utilizzare una pinzetta. Infine, poiché non tutte le reazioni di polimerizzazione sono necessariamente completate subito dopo la stampa, i pezzi realizzati in resina devono essere sottoposti a un ulteriore trattamento termico. Per fare questo, esistono diversi metodi che vanno dalla semplice polimerizzazione alla luce del sole all’utilizzo di apparecchiature per la polimerizzazione. Si noti che il tempo di polimerizzazione varia da pezzo a pezzo. Infine, in fase di finitura, è possibile levigare le superfici, rinforzare i pezzi stessi o addirittura creare una superficie estetica.

Infine, per quanto riguarda la tossicità della resina, è importante sapere che spesso può causare gravi irritazioni e allergie se viene a contatto con la pelle, soprattutto se esposta ai raggi UV del sole. Attenzione anche all’inalazione dei fumi quando si maneggia la resina. Questi possono causare vertigini agli utenti a causa della loro elevata tossicità, il che sottolinea l’importanza di indossare una protezione adeguata.

La post-elaborazione delle resine comprende molte fasi, come la pulizia (crediti fotografici: Formlabs)

Polveri

Per quanto riguarda la stampa 3D con plastiche in polvere, le tecnologie disponibili sono SLS, MJF e Stratasys SAF; si può citare anche il powder bonding, che in alcuni casi utilizza polveri plastiche. Nella tecnologia SLS, dopo aver depositato un sottile strato di polvere sulla piastra, viene utilizzato un laser per sinterizzare selettivamente la polvere e solidificare l’area selezionata. Esiste anche il processo Multi Jet Fusion di HP che, dopo l’applicazione dello strato di polvere, deposita un agente di fusione in modo selettivo sulle aree in cui le particelle devono essere fuse insieme. Allo stesso tempo, viene applicato un agente di dettaglio che riduce la fusione sui bordi del pezzo, ottenendo bordi puliti e lisci. Nel caso della SAF – Selective Absorption Fusion – la differenza principale è che questa tecnologia utilizza un fluido ad alto assorbimento di energia che, una volta depositato, assorbe l’energia, fondendo la polvere polimerica nel modello 3D desiderato.

Se si vuole stampare con le polveri, bisogna sapere che, a differenza della resina, non c’è bisogno di supporti di stampa. Infatti, il pezzo stampato in 3D si trova nella cosiddetta powder cake durante la stampa ed è quindi supportato.

Per quanto riguarda la post-elaborazione, il primo passo è quello di rimuovere le parti dal pezzo. Ciò comporta un processo di raffreddamento che può durare fino a 10 ore. Successivamente si procede alla rimozione della polvere. Questa operazione può essere eseguita manualmente o automaticamente con una macchina. È necessario indossare speciali dispositivi di protezione, poiché l’inalazione della polvere da rimuovere può causare rischi per la salute. Esistono altre fasi di finitura per i pezzi in plastica, come la galvanizzazione, la verniciatura o la levigatura, ma sono facoltative.

Resine e polveri per la stampa 3D: prezzi

Il prezzo di entrambi i materiali dipende soprattutto dalle rispettive proprietà e applicazioni. Tuttavia, si può dire che il prezzo di un flacone di resina da 500 grammi parte da circa 25 euro per una resina nera standard e arriva a 400 euro per un litro. Le polveri plastiche hanno una fascia di prezzo completamente diversa da quella delle resine. La PA 11, ad esempio, costa tra i 70 euro e i 300 euro al chilo. Ma bisogna considerare che una certa percentuale di polvere può essere riutilizzata nel processo di stampa, di solito a partire dal 50%, il che influisce anche sul prezzo.

Produttori sul mercato

I produttori più noti di queste famiglie di materiali sono i gruppi chimici, responsabili della produzione delle materie prime, e le aziende 3D, che le utilizzano o talvolta le sviluppano in collaborazione con i gruppi chimici. Nel caso delle materie prime per le resine, possiamo citare i gruppi chimici Loctite Henkel e Covestro Additive Manufacturing, ma anche, BASF e Arkema, che collaborano con i produttori di stampanti 3D e spesso sviluppano i propri materiali. Zortrax, Formlabs e anche EnvisionTEC ne sono un esempio. Anche per le polveri, ci sono aziende chimiche, come Arkema, BASF, Evonik, che lavorano in collaborazione con HP, EOS ecc. Non dobbiamo inoltre dimenticare i produttori di polveri per la stampa 3D, come AM Polymers o Fabulous.

Occorre inoltre tenere presente che attualmente esistono più resine proprietarie, in quanto alcune macchine per la produzione di resine sono ancora chiuse, ossia sono compatibili solo con i materiali sviluppati dal produttore stesso.

Applicazioni

Quando si parla di resine, le applicazioni spesso richiedono un certo livello di dettaglio e precisione. Qui troveremo pezzi più piccoli e più elaborati, ma anche componenti più colorati per settori come l’intrattenimento o la gioielleria. Le resine sono molto diffuse anche nel settore medico, in particolare in quello dentale, dove troviamo guide chirurgiche, corone e impianti.

Per quanto riguarda le possibili applicazioni delle polveri, ricordiamo quelle per il settore sanitario. Il nylon è biocompatibile ed è quindi ideale per la produzione di protesi, in quanto può essere messo a diretto contatto con la pelle. Anche l’industria manifatturiera utilizza molto questa famiglia di materiali per prototipi funzionali, piccole e medie serie. Un esempio è la produzione di ingranaggi o cerniere.

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