Stampa 3D: come scelgo il filamento giusto?

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ABS Filamenti _Credit AliExpressFra le numerose tecnologie per la stampa 3D, quella basata sulla fusione di un filamento di materiale termoplastico sta assumendo volumi di mercato significativi, grazie al successo del progetto open source RepRap che ha alimentato numerose iniziative imprenditoriali e artigianali per la vendita di stampanti 3D FFF (Fused Filament Fabrication) in kit e montate. Dall’iniziale kit Cupcake di Makerbot, risalente al 2009, la tecnologia si è evoluta e perfezionata grazie all’apporto della comunità e degli sperimentatori più ingegnosi, ma resta lo standard di fatto delle bobine di filamento da 1,75 o 3 mm, disponibili oggi in vari colori e composizione chimica.

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Tanti mercati, pochi produttori
Il mondo delle termoplastiche è caratterizzato solitamente da grandi volumi di produzione: questo non ha favorito la nascita di produttori locali interessati alla produzione di poche migliaia di chili di filamento per stampanti 3D all’anno. Come conseguenza, fino alla fine del 2012 solo poche aziende del Far East hanno servito con il loro filamento il mercato globale tramite rivenditori locali, spesso basati su Internet, serviti con un prodotto di qualità relativamente bassa e una varietà molto limitata.
Con la velocità tipica della tecnologia, il mercato si è rapidamente sviluppato con alcune decine di migliaia di stampanti 3D vendute a livello mondiale e a oggi la richiesta di filamenti per la stampa 3D sta persuadendo anche i produttori locali a entrare sul mercato, cercando di dare ai consumatori un’alternativa di qualità al
prodotto di massa cinese. Già dall’anno scorso alcune aziende in Europa e in America hanno iniziato a offrire una valida alternativa alle “solite bobine” con un prodotto molto più curato sotto il profilo dimensionale e anche migliore come composizione chimica, diversificandolo poi con un’accorta scelta nei colori offerti in assortimento. Oggi l’offerta è quindi basata su una significativa quantità di materiale di tipo PLA e ABS realizzato in Cina e riconoscibile dalla gamma di colori offerti (rosso, verde, blu, bianco coprente, naturale trasparente, rosa coprente, arancione coprente, giallo trasparente, nero, verde chiaro coprente, azzurro
chiaro coprente, viola, oro e grigio leggermente metallizzati) e dalle produzioni degli altri Paesi basate su aziende che si sono attivate nella produzione di filamento conto terzi o per una commercializzazione diretta; sono riconoscibili per la presenza in assortimento di colori diversi da quelli sopra indicati per sfumatura e numerosità.

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Matematica e diametro
Le stampanti 3D, pur sembrando macchine semplici sotto il profilo meccanico ed elettronico, traducono con una grande precisione le istruzioni del G-code in movimenti sugli assi e in avanzamento del filamento con la sua conseguente estrusione dall’ugello. Il G-code viene generato dal software di slicing per far sì che da questi movimenti venga prodotto un oggetto 3D con precise caratteristiche dimensionali. La quantità di plastica da estrudere viene calcolata assumendo per il filamento un diametro specificato, quindi, attraverso formule matematiche, vengono generate le istruzioni. Il volume di un cilindro si calcola moltiplicando la sua altezza
per pi greco e poi per il quadrato del raggio (V=h*pi*r2); appare quindi chiaro che una variazione nel diametro porta a una variazione del volume che è maggiore dello scostamento dal valore previsto per il diametro. In termini numerici, un solo decimo di millimetro in più o in meno per il filamento da 3 mm, pari al 3,3% di variazione del diametro, corrisponde a -5% e +7% di variazione in volume, ovvero valori che possono sensibilmente alterare il risultato finale. Tutto questo ragionamento per arrivare a dimostrare che una tolleranza di diametro di + o – 5 punti percentuali (+/- 0,15 mm) apparentemente accettabile sul diametro, corrisponde a una variazione del volume estruso di circa +/- 10 punti percentuali, inaccettabile per numerosi lavori di precisione. Quindi un buon filamento dovrebbe avere al massimo 0,05 mm di tolleranza per garantire un flusso di materiale vicino a quello calcolato dal software di slicing. In alternativa, è accettabile usare filamento che ha un diametro diverso da quello nominale purché si tratti di uno scostamento che non varia all’interno della bobina oltre la tolleranza già indicata: in questi casi basta prevedere un profilo del filamento con il diametro misurato e il software di slicing lo gestirà nel modo corretto.

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La temperatura giusta
Trattandosi di filamento in materiale termoplastico, trovare la temperatura adatta al proprio ugello e alla velocità con cui si desidera stampare non è un’operazione impossibile, ma richiede un minimo di metodo e una buona conoscenza della stampante. I valori indicati dal produttore sono con una forchetta di anche 25 °C – decisamente tanti – e a questo va anche sommato l’errore di misurazione che la maggior parte delle stampanti 3D non professionali deve all’impiego di un componente passivo qual è la resistenza NTC (Negative Temperature Coefficient). Ogni bobina di materiale richiede quindi un lavoro di individuazione sperimentale della temperatura ottimale a una velocità e con un modello possibilmente sempre uguali. Scoperta questa temperatura, potrà essere utilizzata come riferimento per le stampe con quella specifica bobina; anche in questo caso si tratta di un valore che può essere memorizzato nel profilo del filamento. Se il materiale non è omogeneo sotto il profilo della mescola o della formulazione chimica, si possono trovare spezzoni con comportamenti diversi e imprevedibili rispetto alla temperatura e anche questo è uno degli elementi che contribuiscono alla definizione di un prodotto di buona o scarsa qualità.

PET Oggetto _ Credit Taluman

Come scegliere?
Innanzitutto la scelta va fatta in base alla propria esperienza con la stampante: chi ne ha ormai una buona padronanza può gestire anche le situazioni dovute a filamenti poco omogenei, mentre chi è un neofita dovrebbe ridurre al minimo i fattori di rischio e quindi affidarsi solo a materiale di comprovata qualità. Detto in altri termini, chi è bravo riesce a stampare un po’ con tutti i filamenti – salvo produzioni veramente disastrose – mentre l’inesperto tende a incappare in ogni tipo di problema e ha quindi bisogno di materiale che non richieda grande attenzione e continua messa a punto dei parametri durante la stampa. Un altro consiglio riguarda gli esperimenti con materiali diversi: ad ogni cambio di materiale, i residui nell’estrusore potrebbero essere incompatibili con la temperatura richiesta dal nuovo materiale, creando ostruzioni che non si fluidificano o, peggio, creando residui carbonizzati di difficile rimozione.
Nel seguito le schede dei filamenti più diffusi, con pro e contro, per aiutarvi a scegliere in base alle vostre esigenze e alla vostra esperienza. Non siate impazienti e vi risparmierete un sacco di problemi. Iniziate con la ricerca del materiale online e cercate di capire se avete individuato un venditore che dispone di materiale scelto per la qualità o per il prezzo. Negozi che vendono i filamenti sono ad oggi ancora molto pochi e averne uno nelle vicinanze è ancora l’eccezione, ma la situazione potrebbe cambiare come è accaduto per le ricariche delle stampanti a getto d’inchiostro.

TPU (Termo Plastic Urethane)
DIFFUSIONE: scarsa
PREZZO: a partire da 50 euro al kg
DIFFICOLTÀ DI STAMPA: media
PRO: elastico, flessibile, non ha ritrazione termica, in vari colori, non delamina, molto resistente, con vari gradi di elasticità.
CONTRO: utilizzabile solo con alcuni tipi di estrusore, piano di stampa che dipende dall’elasticità del filamento, poco diffuso, costoso. Il TPU è un vero elastomero termoplastico, adatto all’estrusione e capace di dare grandi soddisfazioni. Ne esistono molti tipi e fra le sue caratteristiche ci sono elasticità e flessibilità che possono essere variati agendo sulla composizione. Ci sono quindi TPU più o meno elastici che, corrispondentemente, sono più o meno critici nella stampa. Attualmente è prodotto solo da due aziende – Recreus e NinjaFlex – con colori e caratteristiche diverse.
POLIAMIDE (nylon – PA)
DIFFUSIONE: scarsa
PREZZO: dai 50 ai 70 euro al kg
DIFFICOLTÀ DI STAMPA: alta
PRO: resistenza meccanica statica e dinamica, parti utilizzabili in prototipi funzionali, resistenza ai solventi.
CONTRO: alta temperatura di stampa, difficoltà di adesione al piano di stampa, tende a delaminare (i layer non aderiscono fra loro e il pezzo si “sfoglia”), prezzo più elevato, molto sensibile all’umidità che ne compromette la stampabilità.Le caratteristiche del nylon sono note e la possibilità di stamparlo per estrusione FDM è stato un significativo passo avanti per i materiali disponibili. Non è facile trovare la soluzione per farlo aderire al piatto dato che il nylon praticamente si attacca solo su se stesso, ma soluzioni con piani leggermente porosi come MDF possono essere una soluzione. Teme veramente molto l’umidità.
PLA (Acido Polilattico – Polilattato)
DIFFUSIONE: ottima
PREZZO: dai 20 ai 50 euro al kg
DIFFICOLTÀ DI STAMPA: bassa
PRO: Varietà dei colori, poca dilatazione termica, biodegradabile, non puzza durante la stampa
CONTRO: è fragile in caso di caduta, è di difficile lavorazione per la rifinitura post stampa, è sensibile all’umidità e all’invecchiamento, si ammorbidisce già a 50/60 gradi. Uno dei materiali più diffusi grazie alla sua bassa temperatura di stampa – attorno ai 200 °C – e all’ottima resa visiva e fisica. Ammorbidendosi a temperature relativamente basse, teme anche il calore che si genera in una vettura lasciata al sole. Consigliato come materiale per le stampe di tutti i giorni e per i primi passi. Non richiede un piano riscaldato.
ABS (Acrilonitrile Butadiene Stirene)
DIFFUSIONE: ottima
PREZZO: dai 18 ai 50 euro al kg
DIFFICOLTÀ DI STAMPA: media
PRO: robustezza, non si ammorbidisce fino a circa 89 °C, facile da rifinire e lavorare dopo la stampa anche con solventi, resiste meglio agli agenti atmosferici, è il materiale con cui è iniziata la stampa 3D FDM e conta quindi su decine di anni di esperienze pregresse.
CONTRO: richiede una temperatura di stampa elevata, ha un elevato ritiro durante il raffreddamento, richiede piatto riscaldato e camera chiusa, emette odori e fumi durante la stampa. Con l’ABS si possono stampare parti adatte a un impiego pratico, come parti di un modellino radiocomandato o elementi di un progetto meccanico. In ABS sono state stampate le parti delle prime stampanti RepRap proprio grazie alla loro robustezza. Purtroppo l’elevato ritiro durante il raffreddamento richiede una certa perizia nella stampa e nel calcolo delle dimensioni del modello 3D. In mancanza di piatto riscaldato e camera di stampa chiusa, si possono adottare espedienti per migliorare l’adesione, ma solo per pezzi di piccolo dimensioni e la stampa di parti grandi (superiori ai 10 cm su x o y) diventa un’impresa.
PLA COMPOSITI (Wood, Clay, Glow in the dark, Carbonio…)
DIFFUSIONE: scarsa
PREZZO: a partire da 50 euro al kg
DIFFICOLTÀ DI STAMPA: media
PRO: combinano a una matrice termoplastica materiali inerti da cui ereditano le caratteristiche, adatti a esperimenti artistici e di design, in costante miglioramento.
CONTRO: possono risultare fragili, instabili, possono otturare gli ugelli più piccoli, costosi. L’idea di mescolare al PLA della polvere di legno è di un team tedesco e risale ormai a un paio di anni fa. Con il nome commerciale LayWood questo filament ha attirato molta attenzione. Da lì si sono susseguiti esperimenti con altri materiali che hanno visto polvere di gesso, polvere di ceramica, fibre di carbonio, micro sferule con sostanze fosforescenti e sempre più spesso si assiste a nuovi esperimenti. Sono filamenti costosi e particolari, da acquistare in piccolo quantità perché sono adatti a stampe molto specifiche, da progettare in base al materiale. Meccanicamente risultano anche più fragili del solo PLA.

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