Stampa 3D con materiali flessibili: processi, materiali e applicazioni

Grazie al costo accessibile e alla facilità di utilizzo, la modellazione a deposizione fusa è probabilmente la tipologia di stampa 3D più nota. Questa tecnica consiste nella fusione ed estrusione, attraverso un ugello, di un filamento di plastica dura che viene depositato strato per strato formando la parte. Esistono diverse tipologie di materiali FDM sul mercato, tra cui vari filamenti flessibili.

La stampa 3D FDM con filamenti flessibili è vantaggiosa perché permette di produrre parti o prototipi semplici e flessibili in modo facile e conveniente. Le parti realizzate con questa tecnica hanno buone proprietà di elasticità, resistenza agli urti, assorbimento delle vibrazioni e allungamento. Queste qualità rendono la stampa 3D FDM con filamenti flessibili ideale per la creazione di prototipi iniziali di ammortizzatori, attuatori o componenti per organi di presa, nonché involucri morbidi e alloggiamenti allungabili.

Tuttavia, poiché i filamenti flessibili mantengono parte della loro capacità di allungamento anche allo stato fuso durante l'estrusione, spesso le stampe realizzate tramite FDM con materiali flessibili presentano difetti di qualità. Caratteristiche del design quali sporgenze o ponti causano spesso problemi come formazione di fili (stringing), finitura superficiale disomogenea, ostruzione degli estrusori e scarse prestazioni meccaniche. Poiché le parti realizzate tramite stampa 3D FDM non sono chimicamente isotropiche nella direzione dell'asse Z, durante l'allungamento gli strati possono separarsi. Se la parte è destinata ad allungarsi per poi tornare alla sua posizione originale, questa separazione ne provoca spesso la rottura. 

Inoltre, eventuali scatti o deviazioni accidentali rispetto al percorso programmato dell'estrusore possono influenzare negativamente l'indurimento dei filamenti flessibili. Questi tendono ad avere una minore adesione rispetto ai filamenti rigidi, per cui è importante sapere che l'apparecchio deve rimanere perfettamente fermo durante la stampa, mentre l'ugello e l'estrusore devono muoversi molto lentamente per lasciare al filamento flessibile abbastanza tempo per fuoriuscire e indurirsi.

La maggior parte delle stampanti 3D FDM è compatibile con certi tipi di filamenti flessibili. Al fine di restringere il campo di ricerca della stampante FDM più adatta ai materiali flessibili, è buona prassi considerare solo gli apparecchi in grado di riscaldare l'estrusore fino a una temperatura di circa 220 °C e dotati di letto riscaldato, ventola di raffreddamento, estrusore diretto per ridurre al minimo lo stringing e velocità di immissione controllabili per modificare la rapidità di estrusione del filamento flessibile.

Tutti i filamenti flessibili per la stampa 3D possono essere classificati come elastomeri termoplastici (TPE), poiché vengono modificati dal calore e presentano proprietà elastomeriche. Il termine TPE, tuttavia, può anche fare riferimento a un tipo specifico di filamento. Le cinque tipologie più comuni di filamenti flessibili per la stampa 3D sono:

TPU (poliuretano termoplastico): il TPU è una delle tipologie più comuni di filamento flessibile. Questo materiale è resistente, capace di resistere agli urti e all'usura nel tempo e disponibile in diverse colorazioni. Molti prodotti che ricordano la gomma sono in realtà realizzati in TPU. Il TPU è leggermente più rigido di altri elastomeri termoplastici ed è pertanto il filamento flessibile con cui è più facile stampare in 3D, poiché il rischio di perdita di goccioline dall'ugello (oozing) con conseguente stringing è ridotto. La stampa 3D FDM con filamenti flessibili di TPU è vantaggiosa per la creazione di prototipi iniziali, ma nel caso di prototipi funzionali e parti per utilizzo finale può fornire prestazioni peggiori a causa delle proprietà anisotropiche del materiale. 

TPC (copoliestere termoplastico): il TPC è un filamento flessibile per la stampa 3D a base di poliestere. Possiede buona stabilità termica e resistenza alle sostanze chimiche, ma è meno flessibile di altri TPE. Fra le parti più comuni realizzate in TPC vi sono componenti antiurto e condotti dell'aria flessibili, nonché involucri, coperchi e alloggiamenti morbidi che servono a proteggere da compressione o urti. Quando si stampa con il TPC, occorre portare il materiale a temperatura ambiente prima di inserirlo nella stampante, utilizzare un estrusore diretto e assicurarsi che quest'ultimo sia in grado di raggiungere una temperatura di almeno 230 °C. 

TPA (poliammide termoplastica): la TPA è un copolimero chimico altamente flessibile e dall'aspetto liscio costituito da TPE e nylon flessibile. La combinazione di questi due materiali flessibili di uso comune per la stampa 3D porta alla creazione di un filamento liscio, morbido e flessibile. La TPA è molto resistente e in grado di sopportare pressione o urti ripetuti. Questo materiale è quindi ideale per la creazione di parti che vengono ripetutamente sottoposte a torsione, piegatura o allungamento, quali prototipi funzionali, dispositivi indossabili e componenti ingegneristici. La maggior parte dei filamenti di TPA ha una durezza Shore di circa 80A, che ricorda quella di una gomma. 

TPE (elastomero termoplastico): come già menzionato, la sigla TPE può fare riferimento all'intero gruppo di termoplastiche elastomeriche oppure a un materiale specifico. I filamenti di TPE sono molto elastici e morbidi e più difficili da utilizzare nei processi di stampa rispetto alla loro controparte più rigida, il TPU. I filamenti flessibili di TPE sono soggetti a oozing o tendono a surriscaldarsi e perdere la forma conferita dall'ugello, per cui devono essere stampati molto lentamente con un apparecchio in grado di controllare con facilità e precisione la temperatura dell'estrusore. La scelta di questo materiale è adatta per la stampa 3D di dispositivi indossabili, ad esempio cinturini, o di beni di consumo che possono essere momentaneamente deformati per adattarsi alla forma di un dispositivo, come le custodie per cellulari. 

PLA morbido: il PLA morbido è un filamento flessibile realizzato a partire da fibre organiche trattate con sostanze chimiche. Riesce a mantenere facilmente una forma rigida, ma ritorna alla sua conformazione originale se sottoposto a pressione. Per la sua rigidità, viene comunemente usato in parti quali prototipi di pneumatici o elementi tenaci simili alla gomma che devono mantenere forma e struttura la maggior parte del tempo. Sebbene il PLA morbido sia uno dei filamenti flessibili con cui è più semplice stampare, questo materiale tende maggiormente a ostruire l'estrusore, per cui la velocità di stampa deve essere ridotta. 

Le stampanti 3D a resina, come quelle stereolitografiche (SLA), utilizzano un laser o un'altra fonte luminosa per polimerizzare, strato per strato, la plastica liquida contenuta in una vasca. Questi apparecchi offrono svariate opzioni per la stampa con materiali flessibili. 

Solitamente, le aziende che producono le stampanti 3D a resina realizzano anche i propri materiali, che risultano quindi più difficili da identificare e raggruppare rispetto ai filamenti flessibili per la stampa 3D FDM. Tuttavia, tutti i materiali flessibili per la stampa 3D a resina condividono alcune caratteristiche e considerazioni di stampa e possono essere usati per un'ampia gamma di applicazioni in svariati settori. 

Il termine sinterizzazione laser selettiva (SLS) si riferisce al processo di stampa 3D a fusione su letto di polvere in cui un laser fonde particelle di polvere strato per strato. Il materiale non utilizzato sostiene le parti durante la stampa, permettendoti di creare design complessi e interconnessi senza bisogno di alcuna struttura di supporto. Proprio come avviene per la stampa 3D FDM, anche per quella SLS le aziende produttrici offrono ai team ingegneristici polveri che sono già di uso comune, come il nylon e il TPU.

Uno dei vantaggi della produzione additiva è la possibilità di scegliere per ogni applicazione il giusto materiale tra svariate resine, polveri e filamenti disponibili. Per creare parti stampate in 3D flessibili che si comportano come le gomme, i siliconi o gli elastomeri termoplastici realizzati con tecniche tradizionali, si può scegliere tra un'ampia gamma di tecnologie, materiali e marche.

L'ecosistema SLA di Formlabs rende la stampa 3D con resine flessibili facile e intuitiva, grazie alla combinazione di apparecchiature affidabili e materiali avanzati appositamente sviluppati per determinate applicazioni e settori. Esistono svariati materiali flessibili utilizzabili con gli ecosistemi Form 3/B/+ e Form 3L/3BL. Tra questi, vi sono anche materiali biocompatibili che aprono la strada a nuove applicazioni nel settore sanitario e dei dispositivi medici. Il processo di stampa 3D con resine flessibili risulta semplice e ordinato anche durante le fasi di post-elaborazione, grazie alle apposite soluzioni automatizzate disponibili.