Materiali per la stampa 3D: Applicazioni e proprietà

La stampa 3D offre la possibilità di prototipare e produrre parti in modo rapido ed economico per un’ampia gamma di applicazioni. Ma la scelta del giusto processo di stampa 3D è solo una parte del processo. Alla fine, dipende dal fatto che i materiali consentano di creare parti con le proprietà meccaniche, le caratteristiche funzionali o l’aspetto desiderate.

Questa guida completa ai materiali di stampa 3D mostra i materiali di stampa 3D in plastica e metallo più popolari disponibili sul mercato, confronta le loro proprietà e applicazioni e descrive un metodo che puoi utilizzare per scegliere quello più adatto al tuo progetto.

Materiali e processi di stampa 3D in plastica

Ci sono decine di materiali plastici disponibili per la stampa 3D, ognuno con qualità uniche che lo rendono più adatto a usi specifici. Per semplificare il processo di ricerca del materiale più appropriato per una parte o prodotto, diamo prima un’occhiata alle principali tipologie di plastica e ai diversi processi di stampa 3D.

Tipi di materiali plastici

Esistono due tipi principali di plastica:

  • I termoplastici sono il tipo di plastica più utilizzato . La principale caratteristica che le distingue dalle plastiche termoindurenti è la loro capacità di resistere a numerosi cicli di fusione e solidificazione. I termoplastici possono essere riscaldati e modellati nella forma desiderata. Il processo è reversibile, poiché non vengono prodotti legami chimici, quindi è possibile riciclare o fondere e riutilizzare i termoplastici. I termoplastici sono spesso paragonati al burro, che può sciogliersi, solidificarsi di nuovo e sciogliersi di nuovo. Ad ogni ciclo di colata, le proprietà cambiano leggermente.
  • Le plastiche termoindurenti rimangono allo stato solido permanente dopo l’indurimento. I polimeri nei materiali termoindurenti reticolano durante un processo di indurimento indotto da luce, calore o irraggiamento adatto. Quando vengono riscaldate, le plastiche termoindurenti si rompono anziché fondersi e non si riformano durante il raffreddamento. Non è possibile riciclare plastiche termoindurenti o riportare il materiale ai suoi ingredienti. Un materiale termoindurente è come l’impasto di una torta, una volta cotto non può essere riconvertito in impasto.

Processi di stampa 3D in plastica

Le tre tecnologie di stampa 3D in plastica più comuni oggi sono:

  • Le stampanti 3D Fused Deposition Modeling (FDM) costruiscono parti fondendo ed estrudendo un filamento termoplastico che un estrusore deposita strato dopo strato sull’area di stampa.
  • Le stampanti 3D per stereolitografia (SLA) utilizzano un laser per polimerizzare le resine termoindurenti liquide in plastica indurita in un processo noto come fotopolimerizzazione.
  • Le stampanti 3D con sinterizzazione laser selettiva (SLS) utilizzano un laser ad alta potenza per fondere piccole particelle di polvere termoplastica.

Stampa 3D FDM

Fused Deposition Modeling (FDM), noto anche come Fused Filament Fabrication (FFF), è la forma più diffusa di stampa 3D di consumo, alimentata dall’avvento delle stampanti 3D per hobbisti.

È una tecnica adatta per modelli proof-of-concept di base, nonché per la prototipazione rapida ea basso costo di parti semplici, come le parti che potrebbero finire per subire un processo di lavorazione.

L’FDM che viene venduto ai consumatori è la tecnica che ha la risoluzione e la precisione più basse rispetto ad altri processi di stampa 3D in plastica. Non è la scelta migliore per stampare disegni complessi o parti con rilievi complicati. Una finitura di qualità superiore può essere ottenuta mediante processi di lucidatura chimica e meccanica. Le stampanti 3D FDM industriali utilizzano supporti solubili per mitigare alcuni di questi inconvenienti e offrono una maggiore varietà di termoplastiche ingegneristiche, ma hanno un prezzo elevato.

Poiché i filamenti fusi formano ogni strato, a volte ci sono spazi vuoti tra gli strati quando non aderiscono completamente. Ciò si traduce in parti anisotrope, qualcosa che è importante considerare quando si progettano parti che devono sopportare carichi o resistere a sollecitazioni di trazione.

Materiali di stampa 3D FDM popolari

I materiali di stampa 3D FDM più comuni sono ABS, PLA e le loro varie miscele. Le stampanti FDM più avanzate possono anche stampare con altri materiali specializzati che offrono proprietà come resistenza al calore, resistenza agli urti, resistenza chimica e rigidità.

MATERIALE CARATTERISTICHE APPLICAZIONI
ABS (acrilonitrile butadiene stirene) Resistente e durevole
Resistente agli urti e al calore
Richiede una piattaforma riscaldata per stampare
Richiede ventilazione
prototipi funzionali
PLA (acido polilattico) Materiali di modellazione per deposizione fusa più semplici da stampare
Rigido, resistente ma fragile
Meno resistente al calore e agli agenti chimici
Biodegradabile
Inodore
Modelli concettuali
Prototipi estetici
PETG (tereftalato de polietileno glicolizado) Compatibile con temperature di stampa più basse per una produzione più rapida
Resistente all’umidità e agli agenti chimici
Elevata trasparenza
Può essere di qualità alimentare
Applicazioni impermeabili Componenti di fissaggio a clip
Nylon Resistente , durevole e leggero Resistente
e parzialmente flessibile
Resistente al calore e agli urti
Molto difficile da stampare con FDM
Prototipi funzionali
Parti resistenti all’usura
TPU (Poliuretano termoplástico) Flessibile ed estensibile
Resistente agli urti
Eccellente smorzamento delle vibrazioni
prototipi flessibili
PVA (alcool polivinilico) Il materiale di supporto solubile si
dissolve in acqua
Materiale per supporti
HIPS (polistirene ad alto impatto) Il materiale di supporto solubile spesso utilizzato con l’ABS si
dissolve nel limonene chimico
Materiale per supporti
Compositi (fibra di carbonio, kevlar, fibra di vetro) Rigido, resistente o estremamente resistente
Compatibilità limitata con alcune costose stampanti 3D FDM industriali
Prototipi funzionali
Guide, fissaggi e strumenti

Stampa 3D SLA

La stereolitografia è stata la prima tecnologia di stampa 3D al mondo, inventata negli anni ’80, e rimane una delle tecnologie più popolari nell’arena professionale.

Le parti SLA hanno la massima risoluzione e precisione, i dettagli più nitidi e la finitura più liscia di qualsiasi tecnologia di stampa 3D. La stampa 3D in resina è un’opzione eccellente per creare prototipi altamente dettagliati che richiedono tolleranze strette e superfici lisce, come stampi, modelli e parti funzionali. Le parti SLA possono anche essere lucidate e/o verniciate dopo la stampa, rendendole parti già pronte per i clienti con finiture altamente dettagliate.

Le parti stampate utilizzando la stampa 3D SLA sono in genere isotropiche. La sua resistenza è più o meno uniforme indipendentemente dal suo orientamento, perché tra ogni strato si instaurano legami chimici. Ciò si traduce in parti con prestazioni meccaniche prevedibili, che sono fondamentali per applicazioni come infissi e raccordi, parti di uso finale e prototipi funzionali.

Materiali di stampa 3D SLA popolari

La stampa 3D SLA è altamente versatile e offre formulazioni di resina con un’ampia varietà di proprietà ottiche, meccaniche e termiche in grado di corrispondere a quelle dei termoplastici standard, ingegneristici e industriali.

MATERIALE CARATTERISTICHE APPLICAZIONI
ABS (acrilonitrile butadiene stirene) Resistente e durevole
Resistente agli urti e al calore
Richiede una piattaforma riscaldata per stampare
Richiede ventilazione
prototipi funzionali
PLA (acido polilattico) Materiali di modellazione per deposizione fusa più semplici da stampare
Rigido, resistente ma fragile
Meno resistente al calore e agli agenti chimici
Biodegradabile
Inodore
Modelli concettuali
Prototipi estetici
PETG (tereftalato de polietileno glicolizado) Compatibile con temperature di stampa più basse per una produzione più rapida
Resistente all’umidità e agli agenti chimici
Elevata trasparenza
Può essere di qualità alimentare
Applicazioni impermeabili Componenti di fissaggio a clip
Nylon Resistente , durevole e leggero Resistente
e parzialmente flessibile
Resistente al calore e agli urti
Molto difficile da stampare con FDM
Prototipi funzionali
Parti resistenti all’usura
TPU (Poliuretano termoplástico) Flessibile ed estensibile
Resistente agli urti
Eccellente smorzamento delle vibrazioni
prototipi flessibili
PVA (alcool polivinilico) Il materiale di supporto solubile si
dissolve in acqua
Materiale per supporti
HIPS (polistirene ad alto impatto) Il materiale di supporto solubile spesso utilizzato con l’ABS si
dissolve nel limonene chimico
Materiale per supporti
Compositi (fibra di carbonio, kevlar, fibra di vetro) Rigido, resistente o estremamente resistente
Compatibilità limitata con alcune costose stampanti 3D FDM industriali
Prototipi funzionali
Guide, fissaggi e strumenti

Stampa 3D SLS

La stampa 3D con sinterizzazione laser selettiva (SLS) è apprezzata da ingegneri e produttori in una varietà di settori per la sua capacità di produrre parti robuste e funzionali. Con un basso costo per parte, un’elevata produttività e materiali consolidati, questa tecnologia è ideale per un’ampia varietà di applicazioni, dalla prototipazione rapida alla produzione in piccoli lotti, al lancio rapido di prodotti (noto come bridging manufacturing) o alla produzione personalizzata.

Poiché la polvere non fusa funge da supporto per il pezzo durante la stampa, non è necessario aggiungere strutture di supporto in modo specifico. Ciò rende la stampa SLS ideale per geometrie complesse come goffratura interna, sottosquadri, pareti sottili e goffratura negativa.

Come con SLA, le parti create da SLS sono generalmente più isotropiche delle parti FDM. Le parti realizzate con SLS hanno una finitura superficiale leggermente ruvida, ma non hanno quasi linee di livello visibili.

Materiali di stampa 3D SLS popolari

La scelta dei materiali di stampa SLS è meno ampia rispetto a quella della stampa FDM e SLA, ma i materiali disponibili hanno ottime caratteristiche meccaniche, con una resistenza che ricorda le parti stampate ad iniezione. Il materiale più comune per la sinterizzazione laser selettiva è il nylon, un popolare termoplastico tecnico con eccellenti proprietà meccaniche. Il nylon è leggero, resistente e flessibile, nonché stabile contro urti, sostanze chimiche, calore, luce UV, acqua e sporco.

MATERIALE DESCRIZIONE APPLICAZIONI
Polvere di nylon 12 Robusto, rigido, resistente e durevole
Resistente agli urti e resistente all’usura ripetuta
Resistente ai raggi UV, alla luce, al calore, all’umidità, ai solventi, alla temperatura e all’acqua
Prototipazione Funzionale
Parti di Uso Finale
Dispositivi Medici
Polvere di nylon 11 Proprietà simili a Nylon 12 Powder, ma con maggiore flessibilità, allungamento a rottura e resistenza agli urti, sebbene la sua rigidità sia inferiore Prototipazione Funzionale
Parti di Uso Finale
Dispositivi Medici
TPU Flessibile, elastico e con una sensazione simile alla gomma
Resistente alla deformazione
Elevata stabilità ai raggi UV
Buon assorbimento degli urti
Prototipazione funzionale
Parti di uso finale flessibili, simili alla gomma
Dispositivi medici
mescole di nylon Materiali rinforzati con vetro, alluminio o fibra di carbonio per aggiungere resistenza e rigidità Parti strutturali per uso finale di prototipazione funzionale

Confronta i processi e i materiali della stampa 3D delle materie plastiche

Ciascuno dei diversi materiali e processi di stampa 3D ha i suoi punti di forza e di debolezza che ne definiscono l’idoneità per diverse applicazioni. La tabella seguente riassume alcune caratteristiche e considerazioni chiave.

FDM SLA SLS
Vantaggio Sono disponibili macchine e materiali di consumo a basso costo Eccellente rapporto qualità-prezzo
Alta precisione
Finitura superficiale liscia
Varietà di materiali funzionali
Parti robuste e funzionali
Libertà di progettazione
Non è necessario utilizzare strutture di supporto
inconvenienti Bassa precisione
Basso livello di dettaglio
Compatibilità progettuale limitata
Macchine industriali ad alto costo se sono richiesti precisione e materiali ad alte prestazioni.
Sensibilità all’esposizione prolungata ai raggi UV Hardware più costoso
Opzioni di materiale limitate
Applicazioni Prototipazione a basso costo
Modelli proof-of-concept di base
Seleziona parti per uso finale con macchine e materiali industriali di fascia alta
Prototipazione funzionale
Modelli, stampi e utensili
Applicazioni odontoiatriche
Prototipazione e fusione di gioielli
Realizzazione di modelli e oggetti di scena
Prototipazione funzionale Produzione
limitata, personalizzata o rapida di prodotti
Materiali Termoplastici standard, come ABS, PLA e le loro varie miscele in macchine a disposizione del consumatore. Mescole ad alte prestazioni in macchine industriali ad alto costo. Varietà di resina (plastiche termoindurenti). Resine standard per ingegneria (simili ad ABS e polipropilene, flessibili, resistenti alla temperatura), per fonderia, applicazioni odontoiatriche e mediche (biocompatibili). Ingegneria dei termoplastici. Polvere di Nylon 11, Polvere di Nylon 12 e loro mescole, elastomeri termoplastici come il TPU.

Stampa 3d in metallo

Oltre alla plastica, sono disponibili diversi processi di stampa 3D per la stampa 3D in metallo.

  • Metallo fdm

Le stampanti FDM in metallo funzionano in modo simile alle stampanti FDM tradizionali, ma utilizzano barre di metallo estruso tenute insieme da leganti polimerici. Le parti finite senza post-polimerizzazione vengono sinterizzate in un forno per rimuovere il legante.

  • Fusione laser selettiva (SLM) e sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS)

Le stampanti SLM e DMLS funzionano in modo simile alle stampanti SLS, ma invece di fondere le polveri polimeriche, fondono le particelle di polvere metallica strato dopo strato usando un laser. Le stampanti 3D SLM e DMLS possono creare prodotti in metallo resistenti, precisi e complessi, rendendo questo processo ideale per applicazioni aerospaziali, automobilistiche e sanitarie.

Materiali di stampa 3D in metallo popolari

  • Il titanio è leggero e ha ottime caratteristiche meccaniche. È forte, duro e altamente resistente al calore, all’ossidazione e agli acidi.
  • L’acciaio inossidabile è molto tenace, ha un’elevata duttilità ed è resistente alla corrosione.
  • L’alluminio è leggero, durevole, resistente e ha buone proprietà termiche.
  • L’acciaio per utensili è un materiale duro e resistente ai graffi che puoi utilizzare per stampare strumenti di uso finale e altre parti che richiedono un’elevata resistenza.
  • Le leghe di nichel hanno un’elevata resistenza alla trazione, allo scorrimento e alla frattura. Sono inoltre resistenti al calore e alla corrosione.

Alternative alla stampa 3D in metallo

Rispetto alle tecnologie di stampa 3D in plastica, la stampa 3D in metallo è notevolmente più costosa e complessa, il che la rende non disponibile per la maggior parte delle aziende.

La stampa 3D SLA è invece adatta per flussi di lavoro di fonderia che producono parti metalliche a basso costo, con maggiore libertà di progettazione e in tempi ridotti rispetto ai metodi tradizionali.

Un’altra alternativa è la zincatura delle parti SLA, che prevede il rivestimento di un materiale plastico su uno strato di metallo mediante elettrolisi. Questo combina alcune delle migliori qualità del metallo (tenacità, conduttività elettrica e resistenza alla corrosione e all’abrasione) con le proprietà specifiche del materiale di base (solitamente plastica).

Come scegliere il giusto materiale per la stampa 3D

Con tutti questi materiali e le opzioni di stampa 3D disponibili, come facciamo a sapere qual è la scelta giusta?

Ecco il nostro sistema in tre fasi per scegliere il materiale di stampa 3D più adatto al tuo progetto.

Passaggio 1: definire i requisiti di prestazione

La plastica utilizzata per la stampa 3D ha diverse caratteristiche chimiche, ottiche, meccaniche e termiche che determinano le prestazioni delle parti stampate in 3D. Man mano che l’uso previsto si avvicina all’uso nel mondo reale, i requisiti di prestazione aumentano di conseguenza.

REQUISITI DESCRIZIONE RACCOMANDAZIONE
basse prestazioni Per la prototipazione di forma e adattamento, la modellazione concettuale e la ricerca e sviluppo, le parti stampate devono soddisfare solo requisiti di prestazioni tecniche ridotte.

Esempio: un prototipo a forma di mestolo da minestra per test ergonomici. Non sono richiesti requisiti di prestazioni funzionali diversi dalla finitura superficiale.

FDM: PLA
SLA: Standard Resins, Clear Resin (parte trasparente), Draft Resin (stampa veloce)
prestazioni moderate Per la convalida o gli usi di pre-produzione, le parti stampate dovrebbero funzionare il più vicino possibile alle parti finali per i test funzionali, ma non hanno requisiti di durata di conservazione rigorosi.

Esempio: una custodia per proteggere gli elementi elettronici da urti improvvisi. I requisiti di prestazione includono la capacità di assorbire gli urti, quindi il guscio deve chiudersi correttamente e mantenere la sua forma.

FDM: ABS
SLA: Resine ingegneristiche
SLS: Nylon 11 Powder, Nylon 12 Powder, TPU
Alte prestazioni Per le parti di uso finale, le parti stampate in 3D durante la produzione devono resistere all’usura per un periodo di tempo specifico, che si tratti di un giorno, una settimana o più anni.

Esempio: suole esterne di scarpe. I requisiti di prestazione includono rigorosi test di durata della vita con cicli di carica e scarica, solidità del colore negli anni e resistenza allo strappo, tra gli altri.

FDM: compositi
SLA: resine ingegneristiche, mediche, odontoiatriche o per gioielli
SLS: polvere di nylon 11, polvere di nylon 12, TPU, compositi di nylon

Passaggio 2: tradurre i requisiti di prestazione in requisiti di materiale

Una volta identificati i requisiti di prestazione per il tuo prodotto, il passaggio successivo consiste nel tradurli in requisiti di materiale. Le proprietà del materiale soddisferanno tali esigenze di prestazione. Normalmente troverai queste misure nella scheda tecnica del materiale.

REQUISITI DESCRIZIONE RACCOMANDAZIONE
carico di rottura per trazione Resistenza del materiale alla rottura sotto sforzo. La resistenza alla trazione è importante per le parti strutturali, portanti e meccaniche o statiche. FDM: PLA
SLA: resina trasparente, resine rigide
SLS: polvere di nylon 12, compositi di nylon
modulo a flessione Resistenza del materiale alla flessione sotto carico. Un buon indicatore della rigidità (alto modulo) o della flessibilità (alto modulo) di un materiale. FDM: PLA (alto), ABS (medio)
SLA: Resine rigide (alto), Resine resistenti e durevoli (medio), Resine flessibili ed elastiche (basso)
SLS: Mescole di nylon (alto), Polvere di nylon 12 (medio)
Allungamento Resistenza del materiale alla rottura durante l’allungamento. Ti aiuta a confrontare i materiali flessibili in base a quanto possono allungarsi. Indica anche se un materiale si deformerà prima o si romperà improvvisamente. FDM: ABS (medio), TPU (alto)
SLA: Resine resistenti e durevoli (medio), Resine flessibili ed elastiche (basso)
SLS: Nylon 12 (medio), Nylon 11 (medio), TPU (alto)
Resistenza agli urti Capacità di un materiale di assorbire gli urti e l’energia d’urto senza rompersi. Indica tenacità e durata, ti aiuta a scoprire con quanta facilità un materiale si rompe quando cade a terra o si scontra con un altro oggetto. FDM: ABS, nailon
SLA: Tough 2000 Resin, Tough 1500 Resin, Grey Pro Resin, Durable Resin
SLS: Nylon 12 Powder, Nylon 11 Powder
Temperatura di piegatura sotto carico Temperatura alla quale un campione si deforma sotto un carico specifico. Indica se un materiale è adatto per applicazioni soggette a temperature elevate. SLA: resina ad alta temperatura, resine rigide
SLS: polvere di nylon 12, componenti di chiodi
Dureza (riva) Resistenza del materiale alla deformazione superficiale. Ti aiuta a identificare la corretta “morbidezza” per plastiche morbide come gomma ed elastomeri per alcune applicazioni. FDM: TPU
SLA: Resina flessibile, Resina elastica
SLS: TPU
Resistenza allo strappo Resistenza del materiale allo sviluppo di tagli sotto tensione. Importante per valutare la durata e la resistenza allo strappo di plastiche morbide e materiali flessibili come la gomma. FDM: TPU
SLA: resina flessibile, resina elastica, resina durevole
SLS: polvere di nylon 11, TPU
strisciamento Il creep è la tendenza di un materiale a deformarsi permanentemente sotto l’influenza di sollecitazioni costanti: tensione, compressione, taglio o flessione. Il basso creep nelle plastiche dure indica una lunga durata ed è fondamentale per le parti strutturali. FDM: ABS
SLA: Resine rigide
SLS: Polvere di nylon 12, composti di nylon
set di compressione Deformazione permanente dopo la compressione del materiale. È importante per la plastica morbida e le applicazioni elastiche e indica se un materiale tornerà alla sua forma originale una volta rimosso il carico. FDM: TPU
SLA: Resina flessibile, Resina elastica
SLS: TPU

Passaggio 3: scegli i materiali

Quando traduci i requisiti di prestazione in requisiti di materiale, molto probabilmente ti ritroverai con un singolo materiale o un piccolo gruppo di materiali che potrebbero essere adatti alla tua applicazione.

Se ci sono diversi materiali che soddisfano i tuoi requisiti di base, puoi esaminare una gamma più ampia di caratteristiche desiderate e considerare i vantaggi, gli svantaggi e il modo in cui vengono scambiati nei materiali e nei processi dati per fare la tua scelta finale.

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