Materiali ad alta prestazione per la stampa 3D

Scalmalloy

I materiali ad alta prestazione per la stampa 3D sono quei materiali che possiedono proprietà meccaniche uniche che li rendono ideali per applicazioni specializzate di alta qualità.

I polimeri come il silicone, TPE (Elastomeri Termoplastici), TPU (Poliuretano Termoplastico) e PEEK (polietere etere chetone), i metalli come il tungsteno, il rame e il Scalmalloy ® (lega d’alluminio ad alta prestazione) e le ceramiche tecniche o ingegneristiche come allumina, zirconia e silice sono solo alcuni dei nostri materiali ad alte prestazioni per la stampa 3D.

Si distinguono tutti per le loro eccezionali proprietà, che si tratti di resistenza a temperature estreme, durezza incredibile, biocompatibilità o qualità simili alla gomma.

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Polimeri ad alta prestazione per la stampa 3D

I polimeri ad alta prestazione o ingegneristici sono un gruppo di materiali plastici che hanno proprietà meccaniche o termiche migliori rispetto ai materiali più ampiamente utilizzati come il Nylon, PS (polistirolo), PP (polipropilene), PE (polietilene), PET, ecc. Sebbene non sia affatto un elenco definitivo, mettiamo qui in evidenza tre materiali polimerici ad alta prestazione di particolare interesse: PEEK, TPE-TPU e silicone.performance polymer materials: PEEK, TPE-TPU and Silicone.

PEEK

Il PEEK (polietereterchetone) è un materiale termoplastico tecnico altamente robusto, resistente al calore e ignifugo che può essere utilizzato come sostituto leggero per metalli. Le componenti in PEEK possono essere fino al 70% più leggere delle stesse parti prodotte in metallo.

È utilizzato nelle industrie aerospaziali, automobilistiche, dell’energia, elettronica e medica per la fabbricazione di anelli, calotte e custodie. Il PEEK biocompatibile viene usato in campo medico anche per la produzione di protesi.

Il PEEK appartiene alla famiglia dei polimeri polichetonici (PAEK). Tuttavia, il PEEK può essere un materiale piuttosto costoso e in genere viene utilizzato per la produzione di componenti terminali. Il PEEK ad alta prestazione per la stampa 3D è disponibile come filamento per FDM e in polvere per SLS.

Se stai cercando un materiale alternativo più economico con caratteristiche simili, valuta anche il PEI (ULTEM).

TPE e TPU

Il TPE e il TPU sono elastomeri termoplastici con caratteristiche simili alla gomma.

Il TPU (poliuretano termoplastico) è una tipologia specifica di elastomero termoplastico (TPE) ed è disponibile in vari gradi di durezza per ottenere parti che possono essere sia morbide (simil-gomma) che dure (plastica rigida) aseconda della necessità.

Gli elastomeri termoplastici vengono utilizzati per realizzare custodie, coperchi, pannelli, e suole per calzature in simil-gomma. Furono inventati negli anni ’50, ma solo recentemente questi materiali sono diventati disponibili come materiali stampabili in 3D per l’industria manifatturiera additiva.

Silicone

Il silicone è un materiale versatile ed onnipresente, di cui l’industria manifatturiera additiva ha atteso a lungo la disponibilità per l’impiego nella stampa 3D. Il silicone è un polimero termoindurente e impossibile da stampare con i processi di stampa esistenti, poiché comportano tutti il riscaldamento e la formazione del materiale fuso.

Questo è cambiato nel 2018 quando è stato inventato un processo che ha consentito la stampa con siliconi reali: il DOD, ovvero “drop on demand”. Sono seguite altre scoperte ed innovazioni, e la stampa 3D col silicone è attualmente possibile. Per adesso, solo parti relativamente piccole possono essere stampate in silicone, ma sono in arrivo stampanti più grandi.

Il silicone è biocompatibile ed è usato ampiamente in campo medico, ma anche in altri settori.

La stampa in silicone è piuttosto costosa. Un’alternativa più economica è il TPE, in particolare per le serie ad alto volume.

Sei curioso di sapere quanto costa stampare la tua parte con un materiale di stampa 3D ad alte prestazioni?

Metalli ad alta prestazione per la stampa 3D

L’altro principale gruppo di materiali utilizzato nell’industria manifatturiera additiva sono i metalli. I metalli sono per lo più stampati usando Selective Laser Melting (SLM) e Direct Metal Laser Sintering (DMLS) ma esistono anche filamenti metallici per macchine FDM. Sono disponibili polveri metalliche per i metalli più comunemente usati come l’acciaio inossidabile, l’acciaio per utensili, l’alluminio, il titanio, il nichel, il cobalto e varie leghe cromate. Alcuni metalli risultano più difficili da stampare in 3D, in particolare il rame e il tungsteno. Questi due metalli saranno discussi in questa pagina, assieme ad un metallo speciale sviluppato per la stampa 3D chiamato Scalmalloy.

Rame per FDM e SLM

Il rame è un materiale molto popolare apprezzato per la sua alta conduttività termica ed elettrica.

I filamenti di rame per le macchine FDM sono disponibili da un po’, ma essendo l’SLM il metodo preferito per stampare i metalli, si potrebbe pensarte che la polvere di rame sarebbe disponibile per la stampa 3D. In realtà, sono proprio le proprietà uniche del rame a renderlo inadatto alla sinterizzazione laser, poiché il rame non assorbe il laser né altri metalli.

I ricercatori hanno dovuto sviluppare nuove tecniche per rendere possibile la stampa 3D del rame. Nell’anno 2017, c’è stata una prima svolta: le polveri di rame sono state sinterizzate usando un cosiddetto laser verde (che è più facilmente assorbito dalla polvere di rame) e aggiungendo il preriscaldamento della polvere di rame al processo per prevenire la frattura. Il risultato è che adesso è possibile stampare in 3D componenti in rame di alta qualità.

Ulteriormente, il 2020 ha visto lo sviluppo di un filamento di rame puro (99,8% Cu in peso) per le macchine da stampa 3D dei metalli industriali con l’FDM, rendendo l’FDM un’opzione anche per la stampa industriale in rame.

3D printing copper

Stampa 3D col rame

Il rame è sempre stato un materiale molto popolare grazie alla sua conduttività termica ed elettrica. Recenti sviluppi hanno aperto nuove possibilità alla fabbricazione additiva.

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Tungsteno e altri metalli refrattari

 

Il tungsteno è uno dei cinque metalli refrattari (gli altri quattro sono: molibdeno, tantalio, renio e niobio). I metalli refrattari sono metalli estremamente resistenti alle alte temperature, che possono resistere a temperature superiori a 4000 ° C.

Sono difficili da lavorare anche con metodi di produzione tradizionali, ma sono altamente richieste per applicazioni che richiedono elevata resistenza al calore e agli urti.
Il carburo di tungsteno, un composito di tungsteno, classificato come ceramica, è estremamente robusto e resistente al calore, e viene utilizzato nelle industrie aerospaziali e della difesa. Le sue applicazioni includono ugelli per motori a razzo, testate di armi (per penetrare superfici dure), pale di turbine per aerei (resistenti al calore) e strumenti più piccoli come lame di seghe, punte, cuscinetti, pistoni e attrezzature per saldatura.

Il tungsteno è anche usato in campo medico per le sue proprietà di schermatura dalle radiazioni. L’industria medica utilizza tungsteno puro per la risonanza magnetica, i collimatori e la radioprotezione.

Altri metalli refrattari

Tra i vari metalli refrattari, il molibdeno è il più utilizzato, poiché è il più economico.

Il molibdeno viene utilizzato nelle leghe per rinforzare gli acciai, come l’acciaio inossidabile.

Il tantalio è noto per la sua resistenza alla corrosione e può essere utilizzato per realizzare impianti ortopedici. Rispetto al titanio, ha una più alta citocompatibilità (non dannoso per la cellula) e biocompatibilità.

Il renio è il più raro e quindi il più costoso tra i metalli refrattari. Le leghe di renio sono utilizzate spesso nelle componenti elettroniche. Il niobio ha potenziali applicazioni nel settore aerospaziale (ugello a razzo) e in quello dell’energia. I metalli refrattari sono un mercato di nicchia nell’industria delle polveri metalliche.

Scalmalloy

Scalmalloy è un metallo brevettato per la stampa 3D ad alta prestazione, realizzato in lega (ALLOY) di scandio (SC), alluminio (AL) e magnesio (M).

In principio, fu sviluppato per l’industria aerospaziale, ma è ora di particolare interesse anche per altri settori. Lo Scalmalloy è già utilizzato nell’industria automobilistica (scambiatori di calore), nella robotica (collettori idraulici) e negli sport motoristici (staffe).

È leggero, resistente e ha un’elevata duttilità per l’uso nell’industria aerospaziale, ma non solo. Rispetto all’alluminio tradizionale (AlSi10Mg), lo Scalmalloy è molto più forte (anche del titanio) a causa dell’aggiunta di scandio. Le componenti stampate in 3D con Scalmalloy sono leggere, resistenti alla corrosione e di elevata duttilità.

Ceramiche ad alte prestazioni per la stampa 3D

Il terzo gruppo di materiali da esaminare sono le ceramiche ad alte prestazioni o ceramiche tecniche/ingegneristiche. Queste ceramiche sono state ottimizzate per applicazioni industriali.

Le ceramiche tecniche sono rigide, resistenti al calore, hanno scarsa conducibilità termica, un buon isolamento elettrico, resistenti alle frattura e sono oltretutto biocompatibili.

Tuttavia, queste ceramiche sono particolarmente difficili da modellare usando tecnologie di produzione convenzionali, dando alla produzione additiva un ulteriore vantaggio nella lavorazione di questi materiali.

Queste caratteristiche consentono di utilizzare la ceramica in varie aree di applicazione e settori industriali.

Negli sport motoristici, la ceramica viene utilizzata per dischi freno, cuscinetti e collettori di scarico.

Nel campo medico, la ceramica viene utilizzata per impianti e componenti endoscopici.

L’industria energetica utilizza componenti ceramici per le loro favorevoli proprietà di isolamento termico ed elettrico. Si possono trovare ceramiche nelle celle a combustibile, negli accessori per valvole e nei corpi delle bobine. La ceramica è ottima anche per gli utensili da taglio di componenti laser. L’industria aerospaziale impiega la ceramica per il suo peso relativamente basso rispetto ai metalli.

Ceramic high performance material for 3D printing

Materiali ad alte prestazioni per la stampa 3D: ceramica tecnica

Allumina, zirconia, silice e altre ceramiche

I più noti sono allumina, zirconia e silice.

L’allumina (ossido di alluminio) è la più utilizzata perché è la più economica.

La zirconia (biossido di zirconio) viene utilizzata nell’industria dentale (per la sostituzione dei denti) ma anche nell’industria aerospaziale e nucleare.

Materiali futuri ad alte prestazioni per la stampa 3D

I più noti tra questi materiali sono allumina, zirconia e silice.

L’allumina (ossido di alluminio) è la più utilizzata, essendo la più economica.

La zirconia (biossido di zirconio) viene utilizzata nell’industria dentistica (per la sostituzione dei denti) ma anche nell’industria aerospaziale e nucleare.

La ceramica a base di silice come il carburo di silicio è il materiale ceramico più duro (paragonabile al diamante).

Interessanti anche le ceramiche ad alta prestazione non ossidate come il nitruro di silicio, il carburo di silicio, il carburo di boro e il nitruro di alluminio e vari compositi di leghe metallo-ceramiche.

I modelli in ceramica sono realizzati utilizzando la tecnologia SLS o Binder Jetting, utilizzando polveri ceramiche.

Conclusione

I materiali ad alte prestazioni per la stampa 3D sono un’entusiasmante categoria di materiali nel campo della produzione additiva. Questi materiali si distinguono per le loro eccezionali proprietà, dalla resistenza al calore estremo, all’incredibile durezza, alla biocompatibilità o alle eccezionali qualità simili alla gomma. Questi materiali generalmente non sono economici, sono materiali di alta qualità pensati per applicazioni avanzate di uso finale. Tutti i materiali citati sono disponibili presso Beamler. L’elenco non è esaustivo o definitivo in quanto i nuovi materiali vengono sviluppati man mano che l’industria manifatturiera additiva evolve.

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