- Prototypes
- Febbraio 2, 2024
Versatile e rapida, la stampa 3D permette di realizzare prototipi e pezzi finali destinati agli usi e ai settori più diversi: dall’automotive all’alimentare, dal medico all’aerospaziale. A rendere però unico un determinato prototipo non è solo la tecnologia di stampa 3D scelta, quanto più il materiale dal quale partire per dotare il pezzo finale di particolari caratteristiche meccaniche ed estetiche.
Possiamo raggruppare i materiali più comuni per lo stampaggio 3D in tre categorie: metalli, plastiche (i cosiddetti termo-polimeri) e resine. La selezione del materiale di partenza spesso e volentieri precede la scelta della tecnologia di stampa da impiegare, poiché è dalla combinazione di questi due fattori che dipende il risultato finale: un prototipo funzionale che risponda alle particolari esigenze del settore nel quale troverà impiego.
Di seguito tratteremo del dettaglio i materiali gestibili da soluzioni di stampa 3D (un processo poli additivo di stampa).
È bene ricordare però che esistono anche soluzioni 3D sottrattive, che ampliano la gamma dei materiali in cui si può realizzare un prototipo (es. la fresatura CNC) e che verranno trattati in un articolo dedicato.
Metalli: Acciaio e alluminio
Stampa 3D in alluminio
Le leghe di alluminio offrono il giusto compromesso tra leggerezza e solidità, sebbene la loro resistenza sia inferiore a quella dell’acciaio. I componenti e prototipi realizzati con tale materiale (adoperato sotto forma di polvere) trovano impiego nei settori automotive, aeronautico e aerospaziale.
La presenza di alliganti (materiali aggiunti al metallo base) come silicio, rame e magnesio migliorano le proprietà fisiche e meccaniche del prodotto finale, conferendogli maggiore robustezza, tenuta nei processi di saldatura – vitali per la realizzazione di strutture complesse e di grandi dimensioni – e nei trattamenti termici.
Le tecniche di stampa 3D utilizzate per questo tipo di materiale possono essere dirette (come DMLS o SLS) oppure inverse, come il Quick Sand Casting – realizzando lo stampo in sabbie e colando successivamente la lega.
Tra le principali leghe in alluminio utilizzate per la stampa 3D di prototipi e componenti vi sono:
- Alluminio GAISi7 (Quick Sand Casting)
- Alluminio GAISi9 (Quick Sand Casting)
- Alluminio GAISi10 (DMLS/Quick Sand Casting)
- Alluminio GAISi11 (Quick Sand Casting)
- Alluminio GAISi7MgTi (DMLS/Quick Sand Casting)
- Alluminio GAISi9Cu1 (DMLS)
Leghe ricche di silicio, tipicamente impiegate in pressofusione, sono poco adatte alla prototipazione dato che tendono a creare difetti interni, specie se lavorati per colata in gravità.
Stampa 3D in acciaio
Indicato per applicazioni tecniche nel settore meccanico, medico o ingegneristico, l’acciaio, sempre sotto forma di polvere metallica, viene utilizzati nei processi di stampa 3D per la realizzazione di parti particolarmente resistenti alla corrosione.
Gli acciai per stampa 3D possono essere classificati – in base alle loro caratteristiche meccaniche nonché campi d’uso – in:
- Acciai Inossidabili, dotati di un’elevata resistenza alla corrosione, buona saldabilità e lavorabilità a freddo
- Acciai a tutta tempra (per la realizzazione di cuscinetti, sfere, rulli e anelli), con elevata durezza, resistenza all’usura e una buona indeformabilità
- Acciai da cementazione (destinati al trattamento di indurimento superficiale di cementazione e tempra), leghe metalliche contraddistinte da particolari tenacità, durezza, ma anche lavorabilità
- Acciai da bonifica (impiegati solitamente nella realizzazione di componenti sottoposti a particolari sollecitazioni meccaniche), resistenti alla deformazione plastica e alla frattura
La tecnica di stampa 3D preferita per la produzione di componenti e prototipi in metallo è la
Sinterizzazione laser selettiva di polveri metalliche (DMLS), capace di riprodurre oggetti finali
dalle geometrie complesse, minuziosamente dettagliati e bassa massa (ergo particolarmente leggeri).
Ghisa
Quick Sand Casting in Ghisa
La ghisa è una speciale tipologia di lega che si ottiene solo in determinate condizioni di composizione chimica e raffreddamento. Per questo non è possibile realizzare parti in ghisa senza uno stampo.
Per fortuna le tecniche moderno permettono di realizzare stampi non refrattari in silice direttamente da processi di stampa 3D. questi vengono poi processati da una fonderia di ghisa che li riempie con la lega giusta, nelle giuste condizioni di temperatura, con i corretti additivi e giusti tempi di solidificazione (è bene ricordare che da una ghisa si potrebbero ottenere anche vari materiali indesiderati qualora qualcosa non proceda correttamente. Ad esempio, raffreddando troppo in fretta si potrebbe formare la cementite o dei carburi di ferro, tutte sostanze troppo dure o fragili per un impiego reale).
Le varietà di ghisa che è possibile utilizzare nei processi di stampa 3D sono principalmente due: quella lamellare (anche detta “grigia”, la più diffusa e individuata dalle norme EN con la sigla GJL) e quella sferoidale (siglata GJS). Nella prima tipologia di ghisa la grafite si presenta sotto forma di lamelle, e conferisce al materiale buone caratteristiche meccaniche quali resistenza a compressione, taglio, usura, nonché capacità di smorzamento delle vibrazioni e buona lavorabilità. Nella ghisa appunto “sferoidale”, invece, la grafite ha forma di sferoidi, la cui geometria conferisce al materiale una particolare duttilità. Le ghise sono poi classificabili in base alla loro matrice metallica (la struttura che lega insieme i vari granelli di ghisa). Avremo dunque:
- ghise ferritiche, caratterizzate da un’alta duttilità e permeabilità magnetica
- ghise perlitiche, nelle quali la durezza supera la duttilità
- ghise ferritico-perlitiche, presentanti caratteristiche intermedie rispetto alle due precedenti
Indicata per tutte quelle applicazioni che richiedono prestazioni superiori in termini di resistenza a usura e corrosione, nonché stabilità termica, la ghisa può tuttavia essere soggetta a contrazione e deformazioni durante il processo di raffreddamento. Sarà dunque necessario, insieme alla corretta progettazione del pezzo, gestire attentamente i parametri di stampa, garantendo così la realizzazione di componenti affidabili e di qualità.
Tra le ghise più diffuse in campi che spaziano dalla meccanica generale all’oleodinamica ci sono:
Plastiche
Realizzare prototipi e pezzi in plastica mediante la stampa 3D presuppone l’utilizzo di due
tipologie principali di materiale:
- Le termoplastiche, tra cui il PLA, l’ABS (Acrilonitrile Butadiene Stirene), il PA (poliammide 6 o 12) comunemente chiamato Nylon, il PETG, il Nylon e il TPE (Elastomero termoplastico), rappresentano la categoria più diffusa. Ciò che li contraddistingue dai polimeri termoindurenti è la loro capacità di subire cicli reversibili di fusione e solidificazione. Durante il riscaldamento, le termoplastiche diventano modellabili nella forma desiderata, un processo che può essere ripetuto senza degradare le proprietà del materiale.
- Le termoindurenti, i cui polimeri creano legami incrociati irreversibili durante il processo di polimerizzazione – indotto da calore, luce o radiazioni adeguate –, trasformandoli in materiali solidi e infusibili in seguito. A differenza delle termoplastiche, le termoindurenti si decompongono, senza possibilità di riformarsi una volta raffreddate. Questo comportamento le rende non riciclabili e impossibili da trasformare nuovamente nei loro componenti originali. Materiali termoindurenti come l’EP (Poliepoxy) sono utilizzati per la loro particolare stabilità dimensionale e resistenza meccanica, caratteristica che permane anche quando sottoposti ad alte temperature.
Come per i metalli, la scelta del materiale dipende dalle proprietà desiderate per l’applicazione specifica e dalle capacità delle stampanti 3D SLS utilizzate.
Resine
Per la stampa 3D di componenti e prototipi, vengono utilizzate diverse tipologie di resine, o polimeri liquidi fotopolimerizzabili, in processi come la stereolitografia (SLA). Alcuni tipi di resine comunemente utilizzati includono:
- Resine Standard: possono essere resine generiche o formulate per replicare materiali specifici come ABS o polipropilene, offrendo una superficie liscia e opaca, diventando adatte per la verifica del design.
- Resine (o gomme) Flessibili: utilizzate per la stampa di parti flessibili o gommose, queste resine offrono un’ampia gamma di durezze, dalla morbidezza di un elastomero a una maggiore rigidità. Sono utili per la produzione di guarnizioni, gusci protettivi e componenti che richiedono particolare flessibilità.
- Resine Poliuretaniche: trasparenti o traslucide, sono resine da colata ideali per produrre – tramite tecnologia Vacuum Casting – prototipi destinati all’ispezione, modelli che richiedono la visualizzazione interna dei dettagli e altri oggetti lenticolari. Tali resine sfruttano uno stampo siliconico ottenuto copiando un master stereolitografato o fresato a CNC per produrre il massimo dettaglio.
- Resine Termoresistenti: progettate per resistere a temperature elevate, sono adatte per applicazioni che richiedono una maggiore resistenza termica, creando parti che potranno essere esposte a temperature elevate durante l’utilizzo. Si ottengono da specifiche formulazioni di termopolimeri che possono essere fusi una sola volta o da vacuum casting di miscele specificamente formulate.
In ogni caso la scelta del materiale dipende dalle specifiche esigenze dell’applicazione. Ogni materiale varia in termini di proprietà meccaniche, resistenza chimica, durezza, temperatura di transizione vetrosa (Tg) e altre caratteristiche. Inoltre, le tecnologie di stampa 3D in continua evoluzione portano a un costante sviluppo di nuove resine, con proprietà migliorate e capaci di rispondere in maniera puntuale alle più crescenti esigenze dei settori.
La gamma di materiali a cui attingere per la stampa 3D è ampia ma la scelta definitiva ricadrà su materiale capace di conferire all’oggetto finale peculiari caratteristiche fisiche e meccaniche, preservate e valorizzate anche dalla tecnologia di stampa che verrà impiegata.
Se vuoi realizzare un progetto che include la stampa 3D di componenti ma non hai ancora chiaro quale materiale potrebbe fare al caso tuo, contatta il team Prototypes.
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