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Una guida completa ai materiali di stampa 3D
Tecnologia di stampa 3D ha rivoluzionato la produzione e la progettazione dei prodotti negli ultimi anni. Nota anche come produzione additiva, la stampa 3D costruisce oggetti strato per strato utilizzando materiali come plastica, metalli, ceramica e compositi. Man mano che le capacità di L'hardware e i materiali per la stampa 3D continuano ad avanzare, sempre più settori stanno adottando questa tecnologia. Tuttavia, con così tante macchine e opzioni di materiali ora disponibili, può risultare difficile per i principianti. Questa guida si propone di fornire una panoramica completa delle tecnologie e dei materiali di stampa 3D più comuni.
Tipi di tecnologie di stampa 3D e materiali preferiti
Esistono diversi metodi per fondere i materiali durante il processo di stratificazione nella stampa 3D:
- Modellazione a deposizione fusa (FDM) le stampanti estrudono filamenti termoplastici riscaldati attraverso un ugello sulla piastra di stampa. Le plastiche più comunemente utilizzate sono ABS e PLA.
- Stereolitografia (SLA) Solidifica la resina liquida in plastica indurita utilizzando un raggio laser ultravioletto diretto da specchi di scansione. Le resine sono formulate per bassa viscosità e tempi di polimerizzazione rapidi.
- Sinterizzazione laser selettiva (SLS) Sinterizza polveri fini di plastica, ceramica o metallo con un laser ad alta potenza. Non sono necessarie strutture di supporto e possono essere prodotte caratteristiche interne complesse.
- Ddiretto Maltro Laser Sinterrare (DMLS) è una tecnologia simile a letto di polvere, progettata specificamente per la lavorazione di leghe metalliche ad alta resistenza.
Altri metodi, come il material jetting e il binder jetting, consentono di stampare a colori o utilizzare leghe metalliche esotiche. Le possibilità continuano ad ampliarsi con il progresso delle tecnologie e dei materiali di stampa 3D.
Plastica nella stampa 3D
Gli ingegneri dei materiali continuano a spingere le potenzialità dei materiali termoplastici per la stampa FDM. Ecco alcuni filamenti avanzati in grado di stampare prodotti finali durevoli:
- ASA (acrilonitrile stirene acrilato)Offre una resistenza ai raggi UV simile a quella dell'ABS insieme alla resistenza alle intemperie.
- PC (policarbonato)Produce componenti in plastica super resistenti, in grado di sostituire in alcuni casi parti metalliche lavorate meccanicamente. Tuttavia, la competenza nella stampa è essenziale per una buona adesione tra gli strati.
- Filamenti di TPU (poliuretano termoplastico) e TPE flessibileconsentono stampe simili alla gomma con eccezionale flessibilità per applicazioni quali dispositivi indossabili o impugnature personalizzate.
- PEEK (polietere etere chetone)Resiste a sostanze chimiche aggressive e procedure di sterilizzazione, rendendolo adatto alla produzione di dispositivi medici e strumenti scientifici. Tuttavia, il prezzo esorbitante del filamento PEEK ne limita fortemente l'adozione al di fuori dell'industria.
Stampa 3D di metalli
Fino a poco tempo fa, i metalli erano prerogativa esclusiva delle costose stampanti industriali SLS o DMLS nei settori aerospaziale e medicale. Acciaio inossidabile, titanio, nichel e leghe di alluminio sono comunemente utilizzati. Le stampanti 3D per metalli più piccole, progettate per officine, università e studi di progettazione, ora ne ampliano l'accesso grazie ai costi hardware inferiori. La maggior parte utilizza la deposizione di metallo legato per estrudere filamenti compositi contenenti fino al 70% di polvere metallica.
1. Acciaio inossidabile: elevata resistenza e resistenza alla corrosione
Stampa su acciaio inossidabile Garantisce un'eccezionale stabilità dimensionale per i componenti destinati all'uso esterno o all'esposizione a sostanze chimiche. L'adesione degli strati di deposizione metallica consente persino la stampa di ponti o sporgenze senza supporti.Dopo la sinterizzazione, i pezzi possono essere lavorati, filettati e lucidati per ottenere proprietà simili a quelle dell'acciaio inossidabile prodotto tradizionalmente.
2. Titanio – Estremamente leggero e resistente
L'industria aerospaziale lavora spesso con leghe di titanio perché il rapporto resistenza/peso è superiore a quello dell'alluminio. Stampa 3D di parti complesse in titanio In un unico pezzo, si evitano le giunzioni saldate che indeboliscono le strutture in titanio lavorate. Gli elevati prezzi della polvere di titanio rimangono un ostacolo per settori come quello degli sport motoristici che cercano componenti in metallo leggero.
3. Alluminio – Un metallo alternativo accessibile
L'alluminio gode di un utilizzo diffuso grazie al suo peso ridotto e alla resistenza alla corrosione. La stampa 3D in metallo consente di consolidare componenti in alluminio personalizzati, costruiti in passato come assemblaggi. Prototipi di utensili, componenti robotici e modelli di progettazione ne traggono tutti vantaggio. Alluminio stampato in 3DCon l'ulteriore riduzione dei costi delle stampanti, le piccole imprese possono sfruttare la rapida produzione di utensili in alluminio senza dipendere da fornitori esterni.
Stampa 3D di ceramiche e materiali esotici
Le ceramiche tecniche a base di allumina, zirconia e carburo di silicio richiedono temperature estremamente elevate e utensili di precisione per una lavorazione efficiente. Componenti come le giranti delle pompe in ceramica e i sistemi di guida dei missili erano in precedenza impossibili da produrre al di fuori di fonderie specializzate. La stampa 3D elimina queste barriere grazie alle tecnologie a letto di polvere che sinterizzano componenti ceramici complessi.
Inoltre, le possibilità si estendono oltre la semplice ceramica. Man mano che la ricerca esplora l'utilizzo di polveri metalliche e ceramiche con il getto di legante, anche materiali rari e preziosi come l'argento o l'oro possono essere stampati in 3D. La tecnologia potrebbe facilitare la realizzazione di impianti medici personalizzati o componenti elettronici che integrano tracce conduttive stampate da vera pasta di rame o grafene. Stiamo solo iniziando a esplorare il potenziale che abbraccia Ceramica stampata in 3D, vetro e materiali esotici.
Materiali compositi e stampa 3D
Sebbene plastica, metalli e ceramica rimangano i materiali convenzionali utilizzati nella produzione, i compositi che combinano polimeri con altri rinforzi forniscono caratteristiche meccaniche superiori, irraggiungibili con i metodi convenzionali.
1. Compositi in fibra di carbonio stampati in 3D
Stampa FDM con filamento di fibra di carbonio riempie le parti con un polimero leggero e rigido. I filamenti rigidi richiedono ugelli in acciaio temprato per stampare componenti resistenti all'abrasione, più forti del nylon e simili all'alluminio. Le applicazioni spaziano dai telai personalizzati dei quadricotteri ai componenti per auto ad alte prestazioni.
2. Compositi riempiti di metallo e legno
La modellazione a deposizione fusa (Fused Deposition Modeling) combina facilmente le plastiche standard ABS e PLA con polveri metalliche o polpa di legno per modificarne le proprietà estetiche, termiche e funzionali. Le stampe in ottone, rame e bronzo ricordano visivamente il metallo lavorato, pur mantenendo la leggerezza della plastica. Il lamento con riempimento in legno riproduce persino venature realistiche per i prototipi di mobili.
Come selezionare i materiali ideali per la stampa 3D
Con così tante macchine e materiali oggi disponibili per ogni applicazione e budget, abbinare correttamente la tecnologia di stampa agli obiettivi di progettazione e ai requisiti dei materiali richiede ricerca e considerazione di questi fattori chiave:
- Funzionalità della parte: verrà sottoposta a carichi o condizioni ambientali difficili?
- Precisione dimensionale e precisione di stampa necessarie
- Proprietà meccaniche come rigidità, resistenza all'usura o limiti di temperatura
- Costi dei materiali - I filamenti esotici possono avere prezzi elevati
- Facilità di post-elaborazione: i supporti di stampa di alcuni materiali sono più facili da rimuovere
- Modello e specifiche della stampante 3D: le capacità dei materiali variano.
Un confronto tra i materiali di stampa 3D più diffusi utilizzando le caratteristiche chiave
| Materiale | Proprietà | Parametri di stampa | Costo |
|---|---|---|---|
| PLA | Resistenza media, bassa flessibilità, durata moderata | 180-230°C | Basso |
| ABS | Forte, moderatamente flessibile, altamente durevole | 210-250°C | Medio |
| PETG | Forte e flessibile, elevata durata | 230-260°C | Medio |
| TPU | Resistenza media, flessibilità molto elevata, durata moderata | 220-250°C | Medio-Alto |
| Nylon | Elevata resistenza e flessibilità, eccellente durata | 240-260°C | Alto |
| SBIRCIARE | Estremamente resistente, minimamente flessibile, altissima durabilità | 360-400°C | Molto alto |
| Resina | La resistenza e la durata variano a seconda del tipo, non flessibile, polimerizzato con UV | N/A | Alto |
Acquisire esperienza rimane fondamentale prima di cimentarsi in progetti complessi. Le continue innovazioni nei materiali offrono inoltre alle stampanti 3D maggiori capacità ogni anno. Il riferimento a dati quantitativi come schede di sicurezza o schede tecniche aiuta ingegneri e progettisti nella selezione e nella qualificazione del materiale ottimale per ogni applicazione.
Post-elaborazione di oggetti stampati in 3D
Una stampa appena uscita dalla piastra di stampa raramente soddisfa i requisiti di stampa. Diversi processi di finitura migliorano resistenza, estetica e funzionalità:
- Rimozione delle strutture di supporto– Rompere i supporti o scioglierli in bagni chimici.
- Levigatura e limatura– Leviga le discromie superficiali tra gli strati visibili nelle stampe.
- Primerizzazione e verniciatura– In particolare, le stampe SLA devono essere levigate, sigillate e verniciate per nascondere i passaggi degli strati di stampa rivelati dopo la levigatura.
- Unire le parti- Incollare i componenti utilizzando solventi, resine epossidiche o saldature MABS.
- Stampe su metallo– Richiedono cicli di deceraggio e sinterizzazione per bruciare i polimeri e fondere le polveri in metalli solidi.
Il futuro dei materiali per la stampa 3D
La stampa 3D continua a espandersi, passando da applicazioni di nicchia come la prototipazione rapida alla produzione di componenti finali in tutti i settori. Grazie alle economie di scala, ai minori costi di stampa e a una gamma più ampia di materiali, un futuro di produzione interamente distribuita e on-demand è plausibile. Ma la vera sostenibilità dipende dalla riorganizzazione delle catene di approvvigionamento per preservare le risorse con l'avanzare delle tecnologie.
Svolte in bioplastiche rinnovabili e chimica verde può ridurre al minimo gli sprechi e il consumo energetico durante la sintesi dei materiali per le stampanti 3D. Anche la riciclabilità richiede maggiore attenzione durante la formulazione di nuovi compositi o polimeri tecnici. Grazie alla collaborazione tra aziende, ricercatori e autorità di regolamentazione, la stampa 3D potrebbe garantire un accesso equo e rispettoso del clima ai beni manifatturieri a livello globale.
Da asporto
Con l'avanzare di stampanti e materiali, che offrono maggiore precisione, resistenza e funzionalità a costi inferiori, le possibilità sono infinite. Grazie alla conoscenza dei metodi fondamentali, dei materiali e delle tecniche di post-produzione qui trattati, gli ingegneri possono sfruttare la stampa 3D per immaginare progetti di prodotti e attività completamente nuovi. Mantenere pratiche responsabili e sostenibili con la diffusione della stampa 3D garantirà che la tecnologia contribuisca a un futuro equo e prospero in tutto il mondo.
