Una guida completa ai materiali per la stampa 3D
Tecnologia di stampa 3D ha rivoluzionato la produzione e la progettazione dei prodotti negli ultimi anni. Conosciuta anche come produzione additiva, la stampa 3D costruisce oggetti strato per strato utilizzando materiali come plastica, metalli, ceramiche e compositi. Poiché le capacità di L'hardware e i materiali per la stampa 3D continuano ad avanzare, sempre più settori stanno adottando questa tecnologia. Ma con così tante macchine e opzioni di materiali ora disponibili, può diventare opprimente per i nuovi arrivati. Questa guida mira a fornire una panoramica completa delle tecnologie e dei materiali di stampa 3D più comuni.
Tipi di tecnologie di stampa 3D e materiali preferiti
Esistono diversi metodi per fondere i materiali durante il processo di stratificazione nella stampa 3D:
- Modellazione a deposizione fusa (FDM) le stampanti estrudono filamenti termoplastici riscaldati attraverso un ugello sulla piastra di stampa. Le plastiche più comunemente utilizzate sono ABS e PLA.
- Stereolitografia (SLA) solidifica la resina liquida in plastica indurita utilizzando un raggio laser ultravioletto diretto da specchi di scansione. Le resine sono formulate per bassa viscosità e tempi di polimerizzazione rapidi.
- Sinterizzazione laser selettiva (SLS) sinterizza polveri fini di plastica, ceramica o metallo insieme a un laser ad alta potenza. Non sono necessarie strutture di supporto e possono essere prodotte caratteristiche interne complesse.
- Ddiretto Megualmente Laser SInterazione ((DMLS) è una tecnologia simile a letto di polvere, progettata specificamente per la lavorazione di leghe metalliche ad alta resistenza.
Altri metodi come il material jetting e il binder jetting possono stampare a colori o utilizzare leghe metalliche esotiche. Le possibilità continuano ad espandersi con l'avanzare delle tecnologie e dei materiali di stampa 3D.
Plastica nella stampa 3D
Gli ingegneri dei materiali continuano a spingere le capacità dei termoplastici per la stampa FDM. Ecco alcuni filamenti avanzati in grado di stampare prodotti finali durevoli:
- ASA (acrilonitrile stirene acrilato)Offre una resistenza ai raggi UV simile a quella dell'ABS insieme alla resistenza alle intemperie.
- PC (policarbonato)produce componenti in plastica super resistenti in grado di sostituire in alcuni casi parti metalliche lavorate. Tuttavia, il know-how di stampa è essenziale per una buona adesione tra gli strati.
- Filamenti di TPU (poliuretano termoplastico) e TPE flessibileconsentono stampe simili alla gomma con eccezionale flessibilità per applicazioni quali dispositivi indossabili o impugnature personalizzate.
- PEEK (polietere etere chetone)resiste a sostanze chimiche aggressive e procedure di sterilizzazione, rendendolo adatto alla produzione di dispositivi medici e strumenti scientifici. Tuttavia, il prezzo esorbitante del filamento PEEK ne limita fortemente l'adozione al di fuori dei settori industriali.
Stampa 3D di metalli
Fino a poco tempo fa, i metalli erano esclusivamente dominio delle costose stampanti industriali SLS o DMLS nei settori aerospaziale e medico. Acciaio inossidabile, titanio, nichel e leghe di alluminio sono comunemente utilizzati. Le stampanti 3D in metallo più piccole progettate per officine, università e studi di progettazione ora ampliano l'accesso grazie ai costi hardware inferiori. La maggior parte utilizza la deposizione di metallo legato per estrudere filamenti compositi contenenti fino al 70% di polvere metallica.
1. Acciaio inossidabile – Elevata resistenza e resistenza alla corrosione
Stampa acciaio inossidabile garantisce un'eccezionale stabilità dimensionale per le parti che vengono utilizzate all'esterno o esposte a sostanze chimiche. L'adesione degli strati di deposizione di metallo legato consente persino di stampare ponti o sporgenze senza supporti.Dopo la sinterizzazione, i pezzi possono essere lavorati, filettati e lucidati per ottenere proprietà simili a quelle dell'acciaio inossidabile prodotto tradizionalmente.
2. Titanio – Estremamente leggero e resistente
L'industria aerospaziale lavora spesso con leghe di titanio perché il rapporto resistenza/peso è superiore a quello dell'alluminio. Stampa 3D di parti complesse in titanio in un unico pezzo evitano le giunzioni saldate che indeboliscono le strutture in titanio lavorate. Gli alti prezzi della polvere di titanio rimangono una barriera al di fuori di settori come gli sport motoristici che cercano componenti in metallo leggero.
3. Alluminio – Un metallo alternativo accessibile
L'alluminio gode di un uso diffuso grazie al suo peso ridotto e alla resistenza alla corrosione. La stampa 3D in metallo consente di consolidare parti in alluminio personalizzate costruite come assemblaggi in passato. Prototipi di utensili, componenti robotici e modelli di progettazione ne traggono tutti vantaggio Alluminio stampato in 3DCon l'ulteriore riduzione dei costi delle stampanti, le piccole imprese possono sfruttare la rapida lavorazione degli utensili in alluminio senza dipendere da fornitori esterni.
Ceramica e materiali esotici Stampa 3D
Le ceramiche tecniche realizzate in allumina, zirconia e carburo di silicio richiedono temperature estremamente elevate e utensili di precisione per essere lavorate in modo efficiente. Parti come giranti di pompe in ceramica e sistemi di guida di missili erano in precedenza impossibili da produrre al di fuori di fonderie specializzate. La stampa 3D elimina queste barriere grazie alle tecnologie a letto di polvere che sinterizzano componenti ceramici complessi.
Inoltre, le possibilità si espandono oltre la semplice ceramica. Man mano che la ricerca indaga sull'uso di polveri metalliche e ceramiche con il binder jetting, anche materiali rari e preziosi come l'argento o l'oro possono essere stampati in 3D. La tecnologia potrebbe facilitare impianti medici personalizzati o componenti elettronici che integrano tracce conduttive stampate da pasta di rame o grafene effettiva. Stiamo solo iniziando a esplorare il potenziale che abbraccia Ceramica stampata in 3D, vetro e materiali esotici.
Materiali compositi e stampa 3D
Sebbene materie plastiche, metalli e ceramiche rimangano i materiali convenzionali utilizzati nella produzione, i compositi che combinano polimeri con altri rinforzi forniscono caratteristiche meccaniche superiori, irraggiungibili con i metodi convenzionali.
1. Compositi in fibra di carbonio stampati in 3D
Stampa FDM con filamento di fibra di carbonio riempie le parti con un polimero leggero e rigido. I filamenti rigidi richiedono ugelli in acciaio temprato per stampare componenti resistenti all'abrasione, più forti del nylon e simili all'alluminio. Le applicazioni spaziano dai telai personalizzati dei quadricotteri ai componenti per auto ad alte prestazioni.
2. Compositi riempiti di metallo e legno
La modellazione a deposizione fusa combina facilmente anche plastiche ABS e PLA standard con polveri metalliche o polpa di legno per modificare proprietà estetiche, termiche e funzionali. Le stampe infuse di ottone, rame e bronzo assomigliano visivamente al metallo lavorato, pur mantenendo il peso più leggero delle plastiche. Il lamento riempito di legno cattura persino venature realistiche per prototipi di mobili.
Come selezionare i materiali ideali per la stampa 3D
Con così tante macchine e materiali ora disponibili per ogni applicazione e budget, abbinare correttamente la tecnologia di stampa agli obiettivi di progettazione e ai requisiti dei materiali richiede ricerca e considerazione di questi fattori chiave:
- Funzionalità della parte: sarà sottoposta a carichi o condizioni ambientali difficili?
- Sono necessarie accuratezza dimensionale e precisione di stampa
- Proprietà meccaniche come rigidità, resistenza all'usura o limiti di temperatura
- Costi dei materiali - I filamenti esotici possono avere prezzi elevati
- Facilità di post-elaborazione: i supporti di stampa di alcuni materiali sono più facili da rimuovere
- Modello e specifiche della stampante 3D: le capacità dei materiali variano.
Un confronto tra i materiali di stampa 3D più diffusi utilizzando le caratteristiche principali
| Materiale | Proprietà | Parametri di stampa | Costo |
|---|---|---|---|
| PLA | Resistenza media, bassa flessibilità, durata moderata | 180-230°C | Basso |
| addominali | Forte, moderatamente flessibile, altamente durevole | 210-250°C | Medio |
| PETG | Forte e flessibile, elevata durata | Temperatura: 230-260°C | Medio |
| TPU | Resistenza media, flessibilità molto elevata, durata moderata | Temperatura: 220-250°C | Medio-Alto |
| Nylon | Elevata resistenza e flessibilità, eccellente durata | Temperatura: 240-260°C | Alto |
| SBIRCIARE | Estremamente forte, minimamente flessibile, altissima durata | 360-400°C | Molto alto |
| Resina | La resistenza e la durata variano a seconda del tipo, non flessibile, polimerizzato con UV | N / A | Alto |
Acquisire esperienza rimane fondamentale prima di tentare build complesse. Le costanti innovazioni dei materiali conferiscono inoltre alle stampanti 3D maggiori capacità ogni anno. Il riferimento a dati quantitativi come schede di sicurezza o tecniche aiuta ingegneri e progettisti nella selezione e nella qualificazione del materiale ottimale per ogni applicazione.
Post-elaborazione di oggetti stampati in 3D
Una stampa fresca appena uscita dalla piastra di stampa raramente soddisfa i requisiti appena tolta dalla scatola. Vari processi di finitura migliorano la resistenza, l'estetica e la funzionalità:
- Rimozione delle strutture di supporto– Rompere i supporti o scioglierli in bagni chimici.
- Levigatura e limatura– Leviga le discromie superficiali tra gli strati visibili nelle stampe.
- Primerizzazione e verniciatura– In particolare, le stampe SLA devono essere levigate, sigillate e verniciate per nascondere i passaggi dello strato di stampa rivelati dopo la levigatura.
- Unire le parti- Incollare i componenti utilizzando solventi, resine epossidiche o saldature MABS.
- Stampe su metallo– Richiedono cicli di deceraggio e sinterizzazione per bruciare i polimeri e fondere le polveri in metalli solidi.
Il futuro dei materiali per la stampa 3D
La stampa 3D continua a espandersi da scopi di prototipazione rapida di nicchia verso la produzione di parti finali in tutti i settori. Con economie di scala, costi di stampa più bassi e una gamma più ampia di materiali, un futuro di produzione interamente distribuita e on-demand è plausibile. Ma la vera sostenibilità dipende dalla riorganizzazione delle supply chain per conservare le risorse man mano che le tecnologie avanzano.
Svolte in bioplastiche rinnovabili e chimica verde può ridurre al minimo gli sprechi e l'uso di energia durante la sintesi dei materiali per le stampanti 3D. Anche la riciclabilità necessita di maggiore considerazione durante la formulazione di nuovi compositi o polimeri tecnici. Con sforzi collaborativi tra aziende, ricercatori e regolatori, la stampa 3D potrebbe fornire un accesso equo e rispettoso del clima ai beni prodotti a livello globale.
La conclusione
Man mano che stampanti e materiali avanzano per offrire maggiore precisione, resistenza e funzionalità a costi inferiori, le possibilità sono infinite. Con la conoscenza dei metodi fondamentali, dei materiali e delle tecniche di post-elaborazione qui trattati, gli ingegneri possono sfruttare la stampa 3D per immaginare progetti di prodotti e attività completamente nuovi. Mantenere pratiche responsabili e sostenibili man mano che la stampa 3D si diffonde ulteriormente garantirà che la tecnologia si sviluppi verso un futuro equo e prospero in tutto il mondo.