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

Ci sono dozzine 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 passare attraverso numerosi cicli di fusione e solidificazione. Le termoplastiche si possono riscaldare e modellare nella forma desiderata. Il procedimento è reversibile, dato che non implica alcun legame chimico, perciò è possibile riciclare o fondere e riutilizzare i materiali termoplastici. Un comportamento analogo è osservabile, ad esempio, nel burro: una volta fuso, può essere riportato allo stato solido e poi fuso di nuovo. Ad ogni ciclo di fusione, le proprietà cambiano leggermente.

• Le plastiche termoindurenti (dette anche solo "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 la resina liquida, trasformandola 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 hobbisti. 

Questa tecnica è adatta per modelli Proof-of-Concept di base, 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 delle finiture di alta qualità tramite processi di lucidatura meccanica e chimica. Le stampanti 3D FDM industriali utilizzano supporti solubili per ridurre al minimo queste problematiche e offrire una vasta 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. Questo genera parti anisotropiche, un aspetto che non va sottovalutato nella progettazione di parti 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. 

Le parti stampate in stereolitografia presentano una migliore risoluzione e precisione, dettagli più precisi e finiture superficiali più lisce rispetto a tutte le altre tecnologie di stampa 3D. La stampa 3D a resina è un'ottima scelta per i prototipi ricchi di dettagli e che richiedono tolleranze strette e superfici lisce, come stampi, modelli e parti funzionali. Le parti stampate in stereolitografia si possono anche lucidare e/o dipingere dopo la stampa. Così facendo, si ottengono parti dotate di finiture superficiali estremamente dettagliate e pronte per il cliente.

Generalmente le parti stampate usando la stampa 3D SLA sono isotropiche: dal momento che i legami chimici si instaurano tra ciascuno strato, la loro resistenza è pressoché uniforme a prescindere dall’orientamento. Questo genera parti con prestazioni meccaniche prevedibili, una caratteristica importante per applicazioni come dime e fissaggi, parti per uso finale e prototipi funzionali.

La stampa 3D SLA è molto versatile dal momento che la formulazione delle resine offre una vasta gamma di proprietà ottiche, meccaniche e termiche in grado di imitare quelle delle termoplastiche standard, ingegneristiche e industriali.

Ingegneri e produttori di diversi settori si affidano alla stampa 3D tramite sinterizzazione laser selettiva (SLS) perché permette di realizzare parti robuste e funzionali. Il costo per unità ridotto, l'alta produttività e i materiali testati la rendono ideale per una serie di applicazioni, dalla prototipazione rapida fino alla produzione in piccoli lotti, ponte o su misura.

Poiché la polvere non fusa sostiene la parte durante il processo di stampa, viene meno la necessità di strutture di supporto dedicate. Ciò rende la sinterizzazione laser selettiva ideale per geometrie complesse, tra cui dettagli interni, sottosquadri, pareti sottili e dettagli in negativo. 

Le parti SLS, come le parti SLA, sono anche generalmente più isotropiche delle parti FDM. Le parti SLS hanno finiture superficiali leggermente ruvide per via delle particelle di polvere, ma le linee degli strati sono quasi invisibili.

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 impatti, sostanze chimiche, calore, raggi UV, acqua e sporcizia.

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

• FDM per metalli

Le stampanti FDM per metalli lavorano in modo simile alle tradizionali stampanti FDM, ma usano aste metalliche estruse tenute insieme da legami polimerici. Le parti allo stato grezzo vengono pulite e sinterizzate in un forno di cottura per rimuovere le parti di legatura. 

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

Le stampanti SLM e DMLS lavorano 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. Le stampanti 3D SLM e DMLS sono 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 caratteristiche meccaniche. È resistente, 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 nickel possiedono un’alta resistenza a trazione, attrito e rottura, e sono resistenti al calore e alla corrosione.

Se paragonata alle tecnologie di stampa 3D in plastica, la stampa 3D 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 ai workflow di fusione di parti metalliche a costi ridotti, con una maggiore libertà di design e tempi di realizzazione inferiori rispetto ai metodi tradizionali. 

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

Con tutti questi materiali e opzioni di stampa 3D disponibili, come si fa a scegliere la soluzione migliore?

Seguendo il nostro quadro di riferimento in tre passaggi potrai scegliere il materiale di stampa 3D più adatto 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 nei requisiti dei materiali, vale a dire, le proprietà del materiale che sarà 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, è probabile che ti ritroverai con un singolo materiale o a dover 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.