Guida ai materiali di stampa 3D: tipologie, applicazioni e proprietà

Ci sono decine di materiali in plastica disponibili per la stampa 3D, ciascuno con caratteristiche uniche che lo rendono la scelta migliore per casi d’uso specifici. Per semplificare il processo di ricerca del materiale più adatto a una determinata parte o prodotto, esaminiamo innanzitutto i principali tipi di plastica e i differenti processi di stampa 3D.

Ci sono due categorie di plastica principali:

• Le termoplastiche sono il tipo di plastica più utilizzato. La caratteristica principale che le distingue dalle plastiche termoindurenti è la loro capacità di essere sottoposte a numerosi cicli di fusione e solidificazione. Le termoplastiche si possono riscaldare e modellare nella forma desiderata. Il procedimento è reversibile, dal momento che non implica alcun legame chimico, perciò è possibile riciclarle o fonderle e in seguito riutilizzarle. Un comportamento analogo è osservabile, ad esempio, nel burro: una volta fuso, può essere riportato allo stato solido e poi fuso di nuovo. A ogni ciclo di fusione, le proprietà cambiano leggermente.

• Le plastiche termoindurenti (dette anche semplicemente "termoindurenti") rimangono in uno stato solido permanente dopo la polimerizzazione. I polimeri dei materiali termoindurenti creano legami incrociati durante il processo di polimerizzazione, che viene indotto da calore, luce o radiazioni adeguate. Se riscaldate, le plastiche termoindurenti non si fondono, ma si decompongono e non si riformano una volta raffreddate. Non è possibile riciclare le plastiche termoindurenti o trasformarle nuovamente nei loro componenti originali. Un materiale termoindurente è come l’impasto di una torta, una volta cotto, non può più essere fuso e tornare all’impasto crudo.

Attualmente, i tre processi più usati per la stampa 3D in plastica sono i seguenti:

• Le stampanti 3D a modellazione a deposizione fusa (FDM) fondono ed estrudono filamenti termoplastici, che vengono poi depositati strato per strato nell'area di stampa dall’ugello della stampante.

• Le stampanti 3D stereolitografiche (SLA) utilizzano un laser per polimerizzare resine liquide termoindurenti, trasformandole in plastica indurita: questo processo viene chiamato fotopolimerizzazione.

• Le stampanti 3D a sinterizzazione laser selettiva (SLS) utilizzano un laser ad alta potenza per fondere piccole particelle di polvere termoplastica.

La modellazione a deposizione fusa (FDM), nota anche come fabbricazione a fusione di filamento (FFF), è la forma di stampa 3D più diffusa tra i consumatori, soprattutto grazie a un numero crescente di stampanti 3D per hobbisti. 

Questa tecnica è adatta per modelli Proof-of-Concept semplici, nonché per la prototipazione veloce e a basso costo di parti semplici, come quelle che normalmente vengono realizzate tramite lavorazione meccanica.

La stampa FDM per consumatori offre una risoluzione e una precisione inferiori rispetto ad altri processi di stampa 3D in plastica e non è l'opzione più adatta per la stampa di design complessi o parti con dettagli elaborati. Si possono ottenere finiture di qualità superiore tramite processi di lucidatura meccanica e chimica. Le stampanti 3D FDM industriali utilizzano supporti solubili per ridurre al minimo queste problematiche e offrono un'ampia gamma di termoplastiche ingegneristiche o perfino di composti, ma hanno un costo decisamente elevato.

Poiché i filamenti fusi creano ogni singolo strato, a volte possono rimanere dei vuoti tra gli strati quando non aderiscono del tutto. Ciò genera parti anisotropiche, un aspetto che non va sottovalutato nella progettazione di elementi che dovranno sopportare carichi o resistere alla trazione.

I materiali per la stampa 3D FDM più comuni sono l’acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS), l’acido polilattico (PLA) e le loro miscele. Le stampanti FDM più avanzate possono anche stampare usando altri materiali specialistici che assicurano proprietà quali maggiore rigidità o resistenza a calore, urti e sostanze chimiche.

La stereolitografia, inventata negli anni '80, è stata la prima tecnologia di stampa 3D al mondo ed è ancora una delle tecnologie più diffuse a livello professionale. 

Rispetto a tutte le altre tecnologie di stampa 3D in plastica, le parti stampate tramite stereolitografia presentano una migliore risoluzione e precisione, dettagli più definiti e finiture superficiali più lisce. La stampa 3D a resina è un'ottima opzione per i prototipi ricchi di dettagli e che richiedono tolleranze ridotte e superfici lisce, nonché per le parti funzionali, come stampi, modelli e parti per utilizzo finale. Le parti realizzate tramite stampa 3D SLA possono anche essere sottoposte a processi di post-elaborazione, tra cui lucidatura, verniciatura, rivestimento e molti altri, il che consente di produrre parti pronte all'utilizzo e con finiture di alta qualità.

Le parti realizzate tramite stampa 3D SLA sono isotropiche: dal momento che tra ciascuno strato si instaurano legami chimici, la loro resistenza è costante a prescindere dall’orientamento. Ciò genera parti con prestazioni meccaniche prevedibili, una caratteristica fondamentale per applicazioni come dime e fissaggi, parti per utilizzo finale e prototipi funzionali.

La stampa 3D SLA è molto versatile dal momento che la formulazione delle resine offre numerose proprietà ottiche, meccaniche e termiche in grado di imitare quelle delle termoplastiche standard, ingegneristiche e industriali. Inoltre, la stampa 3D a resina offre la gamma di materiali biocompatibili più ampia in assoluto.

La disponibilità di materiali specifici varia molto in base all'azienda produttrice e alla stampante. Con oltre 40 materiali di stampa 3D SLA, il catalogo delle resine di Formlabs è il più completo sul mercato.

I team di ingegneria e produzione di diversi settori si affidano alla stampa 3D a sinterizzazione laser selettiva (SLS) perché permette di realizzare parti robuste e funzionali. Il costo per unità ridotto, l'elevata produttività e i materiali testati la rendono ideale per una serie di applicazioni, dalla prototipazione rapida fino ai supporti di produzione, passando per la produzione ponte, in volumi ridotti o personalizzata.

Poiché la polvere non fusa sostiene le parti durante il processo di stampa, non sono necessarie ulteriori strutture di supporto. Ciò rende la SLS ideale per geometrie complesse che includono dettagli interni, sottosquadri, pareti sottili e dettagli in negativo. 

Proprio come le stampe 3D SLA, anche quelle SLS sono generalmente isotropiche. La presenza di particelle di polvere rende la finitura superficiale delle parti SLS leggermente ruvida, mentre le linee degli strati sono quasi del tutto invisibili. Inoltre, le stampe 3D SLS possono facilmente essere sottoposte a post-elaborazione per migliorarne ulteriormente le proprietà meccaniche e l'aspetto.

La selezione di materiali per la stampa SLS è limitata rispetto alla FDM e alla SLA, ma i materiali disponibili vantano eccellenti proprietà meccaniche, con una resistenza simile a quella delle parti create tramite stampaggio a iniezione. Il materiale più utilizzato per la sinterizzazione laser selettiva è il nylon, una termoplastica ingegneristica molto diffusa con proprietà meccaniche eccellenti. Il nylon è leggero, resistente e flessibile, nonché stabile se sottoposto a urti, sostanze chimiche, calore, raggi UV, acqua e sporcizia. Altri materiali di stampa 3D SLS diffusi sono il polipropilene (PP) e il poliuretano termoplastico (TPU) flessibile.

Sono disponibili molteplici processi di stampa 3D non solo per la plastica, ma anche per il metallo. 

• Modellazione a deposizione fusa (FDM) per metalli

Le stampanti FDM per metalli funzionano in modo simile alle stampanti FDM tradizionali, ma usano aste metalliche estruse tenute insieme da leganti polimerici. Le parti allo stato grezzo vengono sinterizzate in un forno di cottura per rimuovere i leganti. 

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

Le stampanti 3D SLM e DMLS per metalli funzionano in modo simile alle stampanti SLS ma, invece di fondere le polveri di polimeri, usano un laser per fondere insieme particelle di polvere di metallo strato dopo strato. Si tratta di apparecchi in grado di creare prodotti in metallo robusti, precisi e complessi, il che rende questo processo ideale per applicazioni aerospaziali, automobilistiche e mediche.

• Il titanio è leggero e possiede eccellenti proprietà meccaniche. È durevole, robusto e altamente resistente a calore, ossidazione e acidi.

• L’acciaio inossidabile è estremamente robusto, duttile e resistente alla corrosione.

• L’alluminio è leggero, durevole, robusto e possiede buone proprietà termiche.

• L’acciaio per strumenti è un materiale resistente e antigraffio, adatto alla stampa di strumenti per utilizzo finale e altre parti ad alta resistenza.

• Le leghe di nichel possiedono un’alta resistenza a trazione, scorrimento e rottura e sono resistenti al calore e alla corrosione.

Rispetto alla stampa 3D in plastica, quella in metallo è di gran lunga più costosa e complessa, il che la rende inaccessibile per molte aziende.

In alternativa, la stampa 3D SLA è adatta a workflow di fusione di parti in metallo a costi ridotti, con una maggiore libertà di design e tempi di realizzazione inferiori rispetto ai metodi tradizionali. 

Un’altra opzione è la galvanizzazione di parti SLA, che consiste nel rivestire un materiale plastico con uno strato di metallo mediante elettrolisi. In questo modo si combinano alcune delle migliori qualità del metallo, come robustezza, conduttività elettrica e resistenza alla corrosione e all'abrasione, con le proprietà specifiche del materiale primario (solitamente la plastica).

Come scegliere la soluzione migliore tra tutti i materiali e le opzioni di stampa 3D disponibili?

Seguendo il nostro quadro di riferimento in tre passaggi, potrai scegliere il materiale di stampa 3D e la stampante 3D per le materie plastiche più adatti alla tua applicazione.

Le plastiche usate per la stampa 3D hanno caratteristiche chimiche, ottiche, meccaniche e termiche diverse che determinano quali saranno le prestazioni delle parti stampate in 3D. Più il loro utilizzo sarà concreto, più stretti saranno i requisiti di prestazione.

Una volta identificati i requisiti di prestazione per i tuoi prodotti, il passaggio successivo consiste nel convertirli in requisiti dei materiali, vale a dire, le proprietà del materiale che saranno in grado di soddisfare quei requisiti di prestazione. Questi dati si trovano generalmente nella scheda tecnica del materiale.

Per ulteriori dettagli sulle proprietà dei materiali, leggi la nostra guida alle proprietà meccaniche e termiche più comuni.

Una volta convertiti i requisiti di prestazione in requisiti dei materiali, probabilmente ti ritroverai con un singolo materiale o dovrai scegliere tra un gruppo ridotto di materiali potenzialmente adatti alla tua applicazione. 

Se più di un materiale soddisfa i tuoi requisiti di base, ti suggeriamo di prendere in considerazione un ventaglio più ampio di caratteristiche desiderate e di bilanciare i pro e i contro di materiali e processi prima di fare una scelta definitiva.