Presentazione della Nylon 11 CF Powder: la prima polvere SLS rinforzata con fibra di carbonio per parti resistenti e leggere

Formlabs SLS 3D printing powder: Nylon 11 CF Powder

Formlabs è orgogliosa di annunciare il primo materiale rinforzato con fibra di carbonio del nostro catalogo, la Nylon 11 CF Powder per la stampante 3D a sinterizzazione laser selettiva (SLS) Fuse 1+ 30W. La Nylon 11 CF Powder consente ai produttori di creare parti robuste, leggere e resistenti al calore, senza ricorrere ai metodi tradizionali come sovrapposizione o lavorazione meccanica. 

Grazie all'elevata temperatura di distorsione termica, al modulo di elasticità e all'elevata rigidità, la Nylon 11 CF Powder è ideale per:

  • Telai, dime e fissaggi per il settore aerospaziale
  • Prototipi e fissaggi di prova per il settore automobilistico
  • Telai per veicoli elettrici a batteria 
  • Parti di ricambio

Le parti rinforzate con fibra di carbonio sono utilizzate nei settori che richiedono applicazioni ad alte prestazioni e parti rigide, robuste, resisti al calore, ma allo stesso tempo leggere. Sebbene le parti rinforzate con fibra di carbonio siano già ampiamente utilizzate, non esistono molte opzioni per la stampa 3D e nessuna di queste può competere con il prezzo, la qualità e la facilità d'uso delle stampanti della serie Fuse 1 di Formlabs.

Che cos'è la fibra di carbonio?

Le fibre di carbonio vengono realizzate attraverso un processo industriale che impiega una materia prima, solitamente poliacrilonitrile o un sottoprodotto del legno, e la porta a una temperatura elevatissima, "bruciando" di fatto tutti i componenti del materiale a parte il carbonio. Le fibre risultanti sono strutture cristalline costituite quasi interamente da carbonio, che vengono intessute tra loro per produrre quella che viene comunemente definita fibra di carbonio. Queste fibre possono essere aggiunte a una resina per produrre lastre modellabili, intrecciate in un tessuto oppure aggiunte a una polvere per essere poi sinterizzate o unite da una stampante 3D. 

I materiali compositi come le plastiche rinforzate con fibre di carbonio possono avere una resa superiore a quella delle parti realizzate mediante la lavorazione meccanica di acciaio, legno o alluminio. Le fibre di carbonio conferiscono maggiore resistenza al materiale di base, ma non aggiungono molto peso, per cui, a parità di peso, questi compositi sono spesso molto più resistenti rispetto ai materiali omogenei. Vengono impiegati comunemente per realizzare condotti, collettori, prese d'aria per i motori delle automobili, telai per il settore aerospaziale, attrezzature sportive ad alte prestazioni e applicazioni per la produzione di imbarcazioni. I veicoli elettrici, le turbine eoliche e altri settori emergenti legati alla sostenibilità utilizzano le proprietà di resistenza e leggerezza delle parti in fibra di carbonio per aumentare l'efficienza.

Chain set 3D printed in Nylon 11 CF Powder

Metodi tradizionali per la produzione di parti rinforzate con fibra di carbonio

I metodi più comuni per la produzione di parti in fibra di carbonio sono il wet lay-up, la laminazione pre-preg e lo stampaggio a trasferimento di resina (RTM). Tutti questi metodi necessitano di uno stampo e possono richiedere molta manodopera. 

Gli stampi possono essere realizzati a basso costo con la stampa 3D e questo flusso di lavoro ha permesso alle piccole e medie imprese di produrre parti per uso finale in fibra di carbonio a un costo molto inferiore rispetto ai metodi tradizionali. Tuttavia, anche quando si utilizzano stampi realizzati con la stampa 3D, ci sono delle limitazioni legate al volume di produzione e la geometria. Le parti con canali interni o piccoli dettagli negativi e positivi, nonché i lotti di produzione di decine e centinaia di parti, sono difficili da creare e richiedono molto tempo.

carbon fiber part manufacturing
Whitepaper

Produzione di parti in fibra di carbonio con stampi realizzati in 3D

Scarica questo whitepaper contenente linee guida per la progettazione di stampi compositi e guide dettagliate ai metodi di pre-preg e laminazione manuale per la creazione di parti in fibra di carbonio.

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Stampa 3D diretta di parti con la Nylon 11 CF Powder

Negli ultimi anni, grazie all'introduzione di una maggiore potenza di sinterizzazione e agli sviluppi della scienza dei materiali che consentono di combinare le particelle di fibra di carbonio polverizzate con i comuni materiali SLS, come le particelle di nylon, è diventato possibile stampare direttamente in 3D parti rinforzate con fibra di carbonio. 

Come succede per molte applicazioni della stampa 3D, la stampa 3D diretta di parti rinforzate con fibra di carbonio non sostituirà completamente i metodi tradizionali per la creazione di parti in fibra di carbonio, ma è da considerarsi un metodo di produzione complementare. Anche se il carico di rottura a trazione (UTS) non è elevato come quello delle parti in fibra di carbonio prodotte in modo tradizionale, le parti stampate in 3D realizzate con la Nylon 11 CF Powder hanno una resistenza e una rigidità nettamente superiori rispetto alle loro controparti in materiale polimerico non rinforzato. I vantaggi della stampa 3D di parti rinforzate con fibra di carbonio sono da ricercare nella capacità della stampante Fuse 1+ 30W di affrontare le sfide di natura geometrica, di fornire un'alternativa veloce e a basso impiego di manodopera ai metodi di produzione tradizionali, nonché nelle dimensioni accessibili e nel flusso di lavoro semplificato. 

Questo metodo di produzione additiva consente di evitare le limitazioni geometriche caratteristiche del processo di stampaggio tradizionale; inoltre, il fatto che le stampanti SLS non richiedano supporti esterni al letto di stampa riduce ulteriormente le limitazioni di progettazione. A ostacolare l'adozione di massa di questo metodo di produzione di parti rinforzate con fibra di carbonio è l'elevato prezzo iniziale della maggior parte delle tecnologie di stampa 3D in grado di produrre parti rinforzate in fibra di carbonio. 

La stampante SLS Fuse 1+ 30W abbatte questa barriera, offrendo una soluzione per la produzione di parti rinforzate con fibra di carbonio ad alte prestazioni, affidabili e di elevata precisione a un prezzo accessibile. Rispetto a molte soluzioni di stampa 3D industriali, con la Fuse 1+ 30W si possono creare parti in fibra di carbonio a prezzi irrisori e con una manodopera molto inferiore. La Nylon 11 CF Powder è disponibile esclusivamente per la stampante Fuse 1+ 30W ed è stata convalidata insieme al nuovo modello della serie Fuse 1 per garantire risultati sempre affidabili e uniformi. 

Several carbon fiber 3D printed engineering parts, made with Nylon 11 CF Powder.

Ideale per applicazioni ad alte prestazioni

La Nylon 11 CF Powder è il materiale ideale per chi vuole produrre in-house parti di ricambio che verrebbero normalmente realizzate in metallo. Quando si rompe un'attrezzatura e occorre ripararla, ogni minuto trascorso in attesa di una soluzione da parte del fornitore di componenti sostitutivi può tradursi in perdite di migliaia di dollari dovute ai tempi di inattività. Sebbene le parti di ricambio stampate in 3D siano disponibili da anni, molte aziende hanno aspettato di trovare il materiale adatto prima di investire in questa soluzione. La Nylon 11 CF Powder è perfetta per queste applicazioni e può rappresentare un'alternativa rigida, robusta e leggera al metallo per le parti di ricambio che devono resistere a impatti ripetuti e a temperature elevate.

MaterialiNylon 11 CF PowderNylon 12 GF PowderNylon 12 PowderNylon 11 Powder
Carico di rottura a trazione X (MPa)69385049
Carico di rottura a trazione Y (MPa)52385049
Carico di rottura a trazione Z (MPa)38385049
Modulo di elasticità X (MPa)6500280018501600
Allungamento a rottura, X (%)941140
Allungamento a rottura, Y (%)1541140
Allungamento a rottura, Z (%)536N/A
Resistenza all'urto Izod (J/m)74363271
Temperatura di distorsione termica a 1,8 MPa (°C)1781138746
Temp. di distorsione termica a 0,45 MPa (°C)188170171182

Grazie alla sua elevata rigidità, all'alta resistenza agli urti e al peso ridotto, questo nuovo materiale ad alte prestazioni è ideale anche per dime, fissaggi e attrezzature di produzione. Le parti in Nylon 11 CF Powder sono ideali per i processi di creazione di parti metalliche, anche nei casi in cui non possono essere utilizzate come sostituto diretto, in quanto questo materiale è adatto a produrre attrezzature da banco in grado di contenere parti metalliche calde, senza deformarsi o rompersi. 

Nel caso delle parti per uso finale, anche le applicazioni nel settore aerospaziale e aeronautico, come la produzione di droni, possono trarre vantaggio dall'elevata tolleranza al calore e dalla resistenza agli urti della nuova Nylon 11 CF Powder. I droni e gli altri velivoli sono infatti esposti a temperature elevate, sia per effetto del sole quando volano al di sopra della copertura nuvolosa, sia per le modalità di alimentazione: i droni a batteria necessitano di telai in grado di resistere alle alte temperature e di proteggere i componenti dal calore della batteria, mentre gli aerei a reazione sono ovviamente soggetti al calore elevato prodotto dagli elementi del motore a combustione.

Nylon 11 CF 3d printed sample part
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Orientamento della stampa per la massima resistenza

Poiché la resistenza alla trazione delle parti realizzate con la Nylon 11 CF Powder è data dalle fibre di carbonio, durante la stampa occorre tenere conto anche dell'orientamento delle parti. 

Il rullo per la ridistribuzione della polvere all'interno della stampante Fuse 1+ 30W tende a disporre le fibre di carbonio in senso longitudinale rispetto all'asse X. Di conseguenza, il carico di rottura a trazione (UTS) delle parti cresce in modo significativo nella direzione X: l'UTS è di 38 MPa sull'asse Z e 69 MPa sull'asse X. Per ottimizzare la resistenza di una parte stampata, è opportuno orientare le stampe in modo che le sollecitazioni previste si verifichi lungo l'asse X.

Orienta le parti in modo che la sollecitazione prevista si verifichi lungo l'asse X per ottimizzare la resistenza delle fibre di carbonio.

Orienta le parti in modo che la sollecitazione prevista si verifichi lungo l'asse X per ottimizzare la resistenza delle fibre di carbonio.

Convalidate insieme per la massima affidabilità

La nuova stampante Fuse 1+ 30W è stata convalidata insieme a questo materiale ad alte prestazioni per ridurre al minimo la curva di apprendimento. Sebbene questo sia il primo materiale di Formlabs rinforzato con fibra di carbonio, i precedenti materiali di rinforzati, come la Rigid 10K Resin e la Nylon 12 GF Powder, garantiscono prestazioni di altissimo livello e hanno consentito nuove applicazioni in settori come quello automobilistico, aerospaziale e manifatturiero.

La stampante SLS Fuse 1+ 30W e il generatore di azoto si integrano per semplificare il flusso di lavoro.

La stampante SLS Fuse 1+ 30W e il generatore di azoto si integrano per semplificare il flusso di lavoro.

La nuova stampante Fuse 1+ 30W prevede la possibilità di stampare con una riserva di azoto, che crea un ambiente stabile e inerte all'interno della camera di stampa. Questo ambiente consente di creare parti in Nylon 11 CF Powder senza rischio di ossidazione e preservando così la qualità della polvere non sinterizzata intorno alle parti. Questo permette di migliorare il tasso di rigenerazione e di rendere più economica la stampa.

All'interno di un ambiente a base di azoto, la Nylon 11 CF Powder ha un tasso di rigenerazione del 30%, il che significa che per ogni nuova camera di stampa è necessario solo il 30% di polvere nuova, mentre il resto può essere polvere riciclata da stampe precedenti. Questo flusso di lavoro può portare potenzialmente a una stampa senza sprechi, che permette di ridurre i costi dei materiali, contribuisce a mantenere lo spazio di lavoro più pulito e facilita la riduzione dell'inquinamento.

La Nylon 11 CF Powder può essere integrata facilmente nel flusso di lavoro e richiede solo due o tre ore di pulizia nel passaggio dalla Nylon 11 Powder (a fronte di intere giornate necessarie per la pulizia quando si cambia materiale su altri apparecchi SLS tradizionali). Questa caratteristica consente di ottimizzare la giornata lavorativa per concentrarsi su attività che generano profitti, ma mantiene l'opzione di un'unità di produzione multi-materiale. 

Aggiungendo alla Fuse Sift un nuovo setacciatore, è possibile utilizzare lo stesso flusso di lavoro di stampa e post-elaborazione degli altri materiali SLS.

Aggiungendo alla Fuse Sift un nuovo setacciatore, è possibile utilizzare lo stesso flusso di lavoro di stampa e post-elaborazione degli altri materiali SLS. 

L'ultimo passo verso l'introduzione della SLS in-house

Attualmente molti produttori si appoggiano a fornitori di parti SLS per una vasta gamma di applicazioni: prototipi, parti per uso finale, parti di ricambio e supporti di produzione. Per implementare la produzione in-house è necessario che il volume di parti richieste (spesso per diversi gruppi di applicazioni) sia sufficientemente elevato da giustificare l'investimento. 

3D printed Carbon Fiber weight

Il lancio della Nylon 11 CF Powder aggiunge un nuovo materiale al catalogo di polveri SLS di Formlabs, ma si tratta di un materiale che rende possibile la realizzazione di un'ampia gamma di nuove applicazioni. I produttori devono poter contare su parti SLS adatte ad applicazioni che richiedono temperature elevate, impatti ripetuti e robustezza, ed è proprio quello che offre questa nuova polvere. Con la stampante Fuse 1+ 30W, il nuovo flusso di lavoro è facile da integrare, manutenere e gestire, a un prezzo accessibile.

AVVISO: la Nylon 11 CF Powder può agire come irritante sulla pelle e sulle membrane mucose. Formlabs consiglia di utilizzare dispositivi di protezione individuale (DPI) adeguati. Fai sempre riferimento alla scheda dati di sicurezza (SDS) e all'articolo di assistenza corrispondente come principali fonti di informazioni per comprendere come maneggiare e usare in sicurezza i materiali Formlabs.