Polimeri ad alte prestazioni per la stampa 3D

L'influsso della pandemia sta radicalmente trasformando le abitudini di produzione e di progettazione dei manufatti. Secondo Context World, che si occupa di analizzare i mercati tecnologici, il 2020 ha definito quelli che possono essere i nuovi scenari industriali per la stampa 3D. Infatti è diventato chiaro che la stampa 3D può essere sfruttata facilmente e rapidamente per stampare quando serve quasi tutto ciò che è necessario. Si può ottenere un componente senza aspettare i tempi di consegna o le complesse catene di fornitura associate alle tecniche di produzione tradizionali. Gli oggetti possono anche essere realizzati nella regione (o anche nello stesso edificio) dove saranno utilizzati o assemblati. Questa consapevolezza ha portato a un rinnovato interesse da parte nuovi mercati con una previsione di incremento delle vendite di stampanti 3D del 15% nel 2021.

Sta cambiando anche l’utilizzo delle stampanti 3D. Da un uso strettamente legato alla realizzazione di prototipi e di oggetti singoli, le nuove tecnologie e in nuovi materiali polimerici e compositi sono destinati a guidare la crescita del settore della stampa 3D e a vedere uno sviluppo della produzione in serie.

La stampa 3D, detta anche AM (additive manufacturing o manifattura additiva), nata negli anni ’80, si è consolidata nel tempo per la realizzazione rapida di prototipi e ha trovato grande impiego nello studio di nuovi prodotti e di pezzi personalizzati. Tuttavia,la prototipazione è solo una delle applicazioni, perché i nuovi materiali e tecnologie rendono possibile usare le stampanti 3D nella fabbricazione in serie. Si tratta di un’importante trasformazione nel mondo della produzione industriale. Uno dei motivi principali che ha impedito a questa tecnica produttiva di prendere piede era la maggiore convenienza in termini di tempo e di materiali dello stampaggio tradizionale..

Tecnologie più sofisticate e veloci stanno prendendo piede accanto più diffusa modalità FDM (deposito di filamenti). Sistemi come la fusione del letto di polvere (dette SLS) o la fotopolimerizzazione in vasca (SLA) sono più veloci e permettono la produzione su vasta scala. La tecnologia solitamente usata nella manifattura additiva è l’FDM, che utilizza un filamento polimerico fuso estruso su una lastra da una testina che, con strati sovrapposti, replica l’oggetto disegnato dal software. Il polimero utilizzato è una poliammina e i tempi sono determinati dallo spessore degli strati e dai passaggi che occorrono per arrivare all’oggetto finito. A una maggiore definizione corrispondono strati più sottili e quindi maggior tempo di esecuzione. Inoltre se la tecnica di stampaggio classica ha a disposizione circa 3.000 tipi di materiali, che riescono a soddisfare le richieste di tutti i campi di applicazione, per la stampa 3D ce ne sono solo 30. Tra essi la poliammide, che essendo già largamente usata nelle produzioni di scala, non aggiunge nulla a prodotti tradizionali.

I polimeri nella stampa additiva FDM

Con l’introduzione di poliuretano e policarbonato nei metodi di stampa additiva, si arricchisce il ventaglio di possibilità in termini di prestazioni e proprietà come durezza, resistenza al calore, trasparenza e flessibilità. Il poliuretano e il policarbonato adoperati in uno dei metodi di stampa più comuni come l’FDM, hanno mostrato vantaggi anche rispetto ai materiali e ai metodi convenzionali e abbattono i costi degli stampi e i tempi di sviluppo. Per non parlare della libertà di progettazione che si traduce in soluzioni sempre più sofisticate e rispondenti alle richieste del mercato. Gli studi condotti nei centri di ricerca Covestro, hanno mostrato come il poliuretano usato in luogo della poliammide è particolarmente versatile e presenta vantaggi anche nella produzione su scala industriale.

I poliuretani termoplastici (TPU) sia flessibili che rigidi o il policarbonato ad alta resistenza (PC) si sono rivelati particolarmente adatti per la stampa 3D. Infatti il loro comportamento nella fusione e nell’indurimento produce un legame permanente tra gli strati applicati. Si mantengono le caratteristiche proprie dei due polimeri: resistenza all'abrasione ed elasticità, oltre che elevata resistenza agli urti o alla combustione e grande stabilità termica.

Poliuretani termoplastici nella tecnica di stampa SLS

L’SLS (sinterizzazione laser selettiva) è una tecnologia di stampa additiva in cui una fonte di energia localizzata, di solito un laser ad alta potenza, fonde selettivamente strato dopo strato un letto di polvere fino ad ottenere il componente desiderato. Il processo SLS è ideale per pezzi con geometrie complesse, soprattutto quando hanno dettagli interni o pareti sottili. I pezzi stampati SLS hanno eccellenti proprietà meccaniche e resistenza simili a quelle dei pezzi stampati a iniezione. Le polveri di poliuretano termoplastico (TPU) presentano vantaggi di resistenza ed elasticità rispetto ad altri polimeri.

Resine di nuova generazione per la produzione additiva SLA

Inventata negli anni ’80, la stereolitografia (SLA) è una delle tecnologie di stampa 3D più popolari nell’industria. La tecnologia SLA utilizza un laser o un proiettore per trasformare il polimero liquido in una plastica solida attraverso il processo di fotopolimerizzazione. Tra tutte le tecnologie di stampa 3D, la stereolitografia è quella che produce pezzi con la massima risoluzione e precisione, con dettagli definiti e una finitura superficiale di qualità. Qui le resine poliuretaniche ad alta tecnologia conferiscono durezza, flessibilità e resistenza agli agenti atmosferici e chimici superiore alla poliammina. Sono possibili miscele con isocianati e polioli, che rendono la resina rispondente a tutte le applicazioni e alle proprietà richieste dalla produzione.

Le resine ad alta tecnologia hanno vantaggi e caratteristiche sempre più elevate che possono sostituire con successo lo stampaggio tradizionale. . Possono avere proprietà tali da soddisfare ogni esigenza in produzioni ad alto tasso tecnologico nelle quali c’è bisogno di:

• elevata resistenza chimica e agli agenti atmosferici
• colori solidi nel tempo
• perfetta trasparenza se richiesta dal progetto
• basso ritiro e rispetto delle misure stabilite
• modularità del composto con la realizzazione di miscele personalizzate.

La stampa 3D SLA è utilizzata con successo in settori molto specialistici come la medicina ricostruttiva e la chirurgia orale e maxillo-facciale.

La stampa additiva può rendere possibile la rivoluzione industriale green? Sicuramente ci sono alcuni aspetti della stampa 3D che riescono a modificare profondamente i modi consueti di produzione. E se contemporaneamente si fanno scelte consapevoli in linea con i principi dell’economia circolare si ottiene una significativa sostenibilità dell’industria manifatturiera.

La prima rivoluzione è sicuramente quella logistica. La stampa 3D parte da un file che è possibile inviare ovunque. Si può creare ciò che serve, quando e dove se ne ha effettivamente bisogno, senza necessità di magazzini, di pezzi obsoleti lasciati in giacenza. Con la diminuzione dei trasporti si riduce anche il consumo di carburante e quindi l’emissione di CO₂ nell’atmosfera.

Per definizione stessa, rispetto allo stampaggio tradizionale, la stampa 3D è un processo produttivo che non produce scarti. Gli oggetti sono infatti creati dall’addizione di materia prima e si utilizza solo quella necessaria alla loro realizzazione. Inoltre le stampanti 3D usano poca energia con beneficio per l’ambiente e risparmio economico per le imprese.

Anche le materie prime ecologiche concorrono alla sostenibilità. I laboratori Covestro hanno messo a punto filamenti e polveri a base di TPU con una componente di origine biologica che arriva al 50% che possono essere usati con le macchine standard di stampa 3D.

Se si vuole che questa tecnologia sostenibile si sviluppi, è indispensabile creare materiali polimerici adattabili a qualsiasi tipo di stampante. Come dice Lukas Breuers, marketing manager di Covestro:

La stampa 3D sta mostrando tutto il suo potenziale nei svariati settori dove sta portando già grandi innovazioni nel campo dell’abbigliamento, dell’automotive e delle costruzioni.