TERMOPLASTICA: LA SCELTA OTTIMALE PER LA STAMPA 3D QUANDO LA STABILITÀ DEL MATERIALE E LE PRESTAZIONI A LUNGO TERMINE SONO FONDAMENTALI

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1 OTTIMALE PER LA STAMPA 3D di Fred Fischer, Stratasys La maggioranza degli odierni prodotti di consumo e molti articoli commerciali sono realizzati con termoplastiche. Quando sviluppano un nuovo prodotto, per prevederne al meglio le prestazioni finali i progettisti realizzano dei prototipi con un materiale quanto più simile a quello del prodotto da lanciare sul mercato. Ecco perché la stampa 3D con termoplastiche è ampiamente diffusa. Utilizzando sistemi dotati della tecnologia di modellazione a deposizione fusa (FDM ) è possibile realizzare parti sia con le termoplastiche più comunemente impiegate, quali ABS, policarbonato e varie miscele, sia con termoplastiche tecniche per applicazioni nei settori aerospaziale, medicale, automotive, dell'elettronica e in altri campi specialistici. Quando ci si avvale della stampa 3D per realizzare prodotti finiti, l'uso di una termoplastica è ancora più importante e potrebbe essere l'unica opzione possibile per molte applicazioni. L'AZIENDA DELLE SOLUZIONI DI STAMPA 3D

2 I materiali caratterizzano i processi di produzione. A loro volta, i processi di produzione influenzano le proprietà dei materiali del prodotto finito. La fabbricazione additiva non fa eccezione. Le tecnologie sono identificate in base ai materiali che utilizzano e la qualità della produzione è determinata dai metodi di lavorazione. Nel caso della tecnologia FDM, i materiali sono termoplastiche di qualità industriale, incluse alcune termoplastiche tecniche ad alte prestazioni. La fabbricazione additiva usa un processo basato sulla stratificazione per convertire i modelli digitali in parti di plastica. Partendo direttamente dai file CAD (Computer-Aided Design), sistemi automatizzati depositano il materiale strato dopo strato, rendendo semplice anche la produzione di parti molto complesse. Il processo FDM crea le parti funzionali mediante estrusione e deposito dei materiali. SELEZIONE DI UNA TERMOPLASTICA Per la produzione di beni finiti non sono disponibili scorciatoie. La stabilità del materiale e le prestazioni durature sono fondamentali. Quindi è necessario considerare con attenzione le proprietà meccaniche, termiche, elettriche e chimiche e qualsiasi eventuale cambiamento derivante dall'invecchiamento o dall'esposizione ambientale. Tuttavia, poiché le parti realizzate con un sistema FDM condividono molte delle caratteristiche proprie delle termoplastiche stampate a iniezione, è possibile basarsi sulle conoscenze già acquisite in questo campo. Per tutte le altre applicazioni, inclusi prototipi funzionali, modelli, strumenti e attrezzature di produzione, il processo di selezione è molto più semplice. La chiave è conoscere le caratteristiche peculiari di ciascun materiale FDM. Si dovranno prendere in esame i seguenti aspetti: Utilizzando le stesse tipologie di materie prime impiegate negli stabilimenti di stampaggio a iniezione in tutto il mondo, la tecnologia FDM permette di creare parti in plastica con proprietà idonee per applicazioni che vanno dalla modellazione concettuale allo sviluppo prodotto, fino alla produzione. Come nel caso delle parti stampate a iniezione, sono disponibili diverse opzioni di materiali, ognuno con caratteristiche peculiari, studiate per soddisfare le esigenze di ogni specifica applicazione. Caratteristiche del materiale Disponibilità per la tecnologia FDM Materiale per i supporti Colore Per scegliere il materiale giusto occorre ricercare la migliore combinazione di questi aspetti, attribuendo le corrette priorità. Prendendo in esame le diverse opzioni di materiale si scoprirà che la scelta è facile in virtù di uno standard prestazionale critico (ad es. inerzia chimica) o di una preferenza personale (ad es. post-lavorazione senza intervento dell'operatore). TERMOPLASTICA / 2

3 I materiali FDM hanno molte caratteristiche in comune. Ciascun materiale è simile in termini di ABS-M30 caricamento e modalità di costruzione delle parti, compatibilità con gli ambienti d'ufficio e grado di sicurezza che ne permette la manipolazione senza particolari protezioni. Inoltre, indipendentemente dal materiale FDM utilizzato, le parti prodotte sono stabili dal punto di vista dimensionale e offrono una durata sufficiente per applicazioni con requisiti elevati. ABS La formulazione ABS-M30 è la plastica più comunemente utilizzata nel processo FDM ed è specifica per la linea di stampanti 3D di produzione Fortus. Questo materiale è noto anche come ABSplus per la linea Dimension di stampanti 3D. In forma di filamento grezzo, questi due materiali sono identici e presentano le stesse proprietà meccaniche. Tuttavia, esaminando le schede tecniche per ABSplus e ABS-M30, si potrà rimanere sorpresi dalla differenza riscontrabile L'ABS, una delle termoplastiche più comunemente utilizzate, è stato alla base della tecnologia FDM per molti anni. Considerando il suo consumo annuo, è il materiale più largamente utilizzato nei sistemi FDM. È talmente diffuso che può essere etichettato come generico, che è un'affermazione vera, ma fuorviante. I materiali ABS sono un'ottima scelta per modelli, prototipi, strumenti e parti finite. Dal 40% al 70% più robuste rispetto ai materiali FDM di appena qualche anno fa, le termoplastiche oggi disponibili per i sistemi FDM offrono una maggiore resistenza alla trazione, all'impatto e alla nelle proprietà dei materiali nelle parti finite. Così come per le parti stampate a iniezione, il processo di lavorazione fa la differenza. Sviluppati per applicazioni di fabbricazione, i sistemi di produzione 3D Fortus sono dotati di controlli hardware e software avanzati che determinano una diversa lavorazione dei materiali. In questo modo le caratteristiche del materiale ottenibili dall'abs-m30 migliorano. Mentre l'absplus permette di realizzare parti robuste, l'abs-m30 è generalmente più resistente in tutte le categorie. flessione. TERMOPLASTICA / 3

4 Con entrambi i materiali si potranno produrre parti stabili, robuste e durature. Entrambi sono ABS-ESD7 disponibili in una gamma di colori inclusi bianco, nero, rosso, blu, verde, giallo fosforescente e altri ancora. Un'altra qualità comune che rende questi due materiali i cavalli di battaglia dell'fdm è la facilità di finitura. Come avviene nella maggior parte dei processi di fabbricazione additiva, i sistemi FDM utilizzano una struttura di supporto usa e getta per la costruzione della parte, ma i materiali ABS hanno qualcosa che pochi altri offrono: la rimozione dei supporti senza l'intervento dell'operatore. Grazie al materiale solubile del supporto si elimina ogni necessità di lavoro manuale. Le parti vengono collocate in una vasca dove i supporti si dissolvono. ABS-ESD7 è il materiale dissipativo elettrostatico di Stratasys disponibile per la tecnologia FDM. Previene l'accumulo di elettricità statica, quindi è ideale per applicazioni dove un'eventuale carica statica potrebbe danneggiare i componenti, compromettere le prestazioni o causare un'esplosione. Per questi motivi, l'abs- ESD7 è particolarmente adatto per contenitori La finitura delle superfici delle parti in ABSplus e ABS-M30 è più che adeguata per la modellazione concettuale, la prototipazione funzionale e la creazione di strumenti di produzione. Se l'applicazione è finalizzata alla realizzazione di modelli master, modelli di marketing o prodotti finiti e l'utente desidera una finitura delle superfici simile a quella dello stampaggio a iniezione, l'fdm dispone di un processo opzionale automatizzato e organizer di componenti elettrici, elementi per linee di produzione e assemblaggio di componenti elettronici e parti di nastri trasportatori. Altre applicazioni includono la progettazione e l'approvazione dei prodotti per custodie e alloggiamenti per componenti elettronici, materiali di imballaggio per l'elettronica e sistemi di trasporto o erogazione di polveri o materiali nebulizzati. di lisciatura denominato "Finishing Touch Smoothing Station", in grado di levigare le parti in meno di un minuto. ABS-ESD7 elimina anche un altro problema comune legato all'elettricità statica, cioè l'attrazione e l'accumulo di particolato e polveri TERMOPLASTICA / 4

5 che possono degradare le prestazioni dei ABSi prodotti. L'ABS-ESD7 evita inoltre l'attrazione di liquidi atomizzati, quindi è particolarmente adatto in ambito medico per inalatori che devono erogare l'intera dose al paziente senza lasciare farmaco nebulizzato attaccato alle pareti interne dell'inalatore. Tutte le proprietà meccaniche dell'abs-esd7 corrispondono a quelle dell'abs-m30, entro un range del 5%. Il principale vantaggio dell'absi è la traslucenza. Pur avendo buone proprietà meccaniche, questo ABS-M30i materiale eccelle in applicazioni nell'ambito dell'illuminazione. È largamente utilizzato per la valutazione funzionale di lenti per componenti quali i fari delle automobili. La grande diffusione dell'absi per lenti e proiettori è ovvia se si considerano i colori disponibili: rosso, ambra e naturale. È inoltre utile per il monitoraggio del Le apparecchiature mediche, farmaceutiche e di manipolazione degli alimenti sono soggette flusso di materiali in applicazioni di lavorazione o trasferimento di materiale in polvere o solido sfuso. a norme severe per proteggere i consumatori da eventuali malattie. La regolamentazione ASA include standard quali le normative ISO e USP Class VI, che classifica un materiale come biocompatibile. ABS-M30i soddisfa questi criteri, quindi può essere usato per prodotti che vengono a contatto con la cute, gli alimenti e i farmaci. L'ABS-M30i unisce un'alta resistenza con capacità sterilizzanti, altro criterio importante per prodotti che vengono a contatto con il nostro corpo e con ciò che ingeriamo. L'ABS-M30i può essere sterilizzato mediante raggi gamma oppure ossido di etilene (EtO). Un'eccellente termoplastica generica è l'asa (acriliconitrile stirene acrilato). L'ASA offre proprietà meccaniche migliorate rispetto all'abs e un importante elemento di distinzione: la stabilità ai raggi UV. Utilizzando l'asa è possibile costruire parti resistenti ai raggi ultravioletti non soggette a TERMOPLASTICA / 5

6 macchine le parti sono accurate, stabili e molto durature. Il PC presenta eccellenti proprietà meccaniche e un'alta resistenza termica. È inoltre caratterizzato dalla seconda resistenza alla trazione più alta tra tutti i materiali FDM e da un'elevata temperatura degrado in seguito a esposizione prolungata alla luce del sole. Questo materiale permette inoltre di conseguire i migliori risultati estetici rispetto a qualsiasi altra termoplastica FDM. Facile da utilizzare e affidabile, l'asa è ideale per parti di automobili, articoli sportivi, prototipazione funzionale in esterni e parti finite per infrastrutture esterne e per uso commerciale, quali alloggiamenti elettrici. Le eccellenti proprietà meccaniche ed estetiche dell'asa sono particolarmente indicate anche per applicazioni generiche di prototipazione. Inoltre, offre 10 opzioni di colore, più di qualsiasi altro materiale FDM di deviazione del calore di 138 C (280 F). Un materiale serio per applicazioni esigenti, quali test funzionali, realizzazione di attrezzature o produzione. PC-ABS PC Vi è un buon motivo per unire il policarbonato all'abs: ottenere le proprietà più apprezzate di entrambi i materiali, PC e ABS. Questo materiale offre le proprietà meccaniche superiori e la resistenza termica del PC, tra cui uno dei valori più alti di resistenza agli urti di tutti i materiali FDM. Allo stesso tempo presenta anche una buona Stratasys ha un occhio di riguardo anche per le applicazioni di produzione, quindi non ignora la termoplastica industriale più diffusa, il policarbonato (PC). Il PC è disponibile su tutti i sistemi di produzione 3D Fortus e all'uscita dalle resistenza alla flessione, nonché l'eccellente definizione dei particolari e l'attraente finitura superficiale dell'abs. Come tutte le versioni dell'abs per FDM, anche il PC-ABS offre l'opzione di finitura senza intervento dell'operatore, con supporti solubili. TERMOPLASTICA / 6

7 PC-ISO Analogamente all'abs-m30i, il PC-ISO è un materiale biocompatibile (ISO e USP Class VI), risultando così l'altra alternativa in ambito FDM per i settori medicale, farmaceutico e del packaging alimentare. Un altro tratto in comune è la possibilità di essere sterilizzato con raggi gamma oppure ossido di etilene (EtO). Le caratteristiche che distinguono il PC-ISO sono la sua maggiore resistenza a trazione e flessione, nonché una temperatura di deviazione del calore più elevata. In queste categorie i suoi valori sono dal 33% al 59% più elevati di quelli dell'abs-m30i. PLA Il PLA è un materiale plastico rinnovabile e biodegradabile offerto come opzioni a basso costo per le iterazioni di parti con bozza rapida in traslucido e opaco. PLA offre una buona resistenza alla trazione, una rigidità più elevata rispetto all'abs e una resistenza paragonabile al policarbonato. Il basso punto di fusione l'hdt indicano che per la modellazione sono richiesti una minore quantità di calore ed energia. Il PLA è efficace per la verifica concettuale rapida e l'approvazione dei progetti. Le applicazioni ideali includono la modellazione concettuale anticipata, la prototipazione rapida e la fusione delle parti in metallo. TERMOPLASTICA / 7

8 Anche se la propria applicazione non necessita della certificazione FST, è un materiale da non trascurare, in considerazione della sua resistenza meccanica, durata e resistenza al calore e agli agenti chimici. È robusto e supporta condizioni estreme. Tra i 15 materiali FDM, la resina ULTEM 9085 ha proprietà termiche, meccaniche e chimiche che la rendono superiore nella maggior parte delle categorie. In termini di vendite, si tratta Resina ULTEM 9085 La resina ULTEM 9085, uno dei tre materiali termoplastici tecnici ad alte prestazioni disponibili per FDM, è un prodotto di SABIC Innovative Plastics e viene usato in molti prodotti per il settore aeronautico e aerospaziale. La resina del materiale per FDM con il maggior tasso di crescita. ULTEM 9085 è un materiale certificato FST, pertanto è conforme agli standard relativi a fiamme, fumo e tossicità. Quando viene lavorato in un sistema Fortus, questo materiale mantiene inalterate le sue caratteristiche FST. Pertanto, le aziende di trasporti che devono rispettare severi requisiti spesso richiedono la resina ULTEM Disponibile anche nella resina ULTEM Filamento di materiale ULTEM 9085 Aerospace ULTEM 9085 è inoltre disponibile in due tipi di materiale aerospaziale che soddisfano i requisiti di fornitura per i materiali da utilizzare per le parti di produzione da parte di molti produttori del settore aerospaziale Aerospace, questa opzione offre la totale tracciabilità per rispondere ai più rigidi requisiti di certificazione del settore aerospaziale. Specifica aerospaziale generale: specifica generale che soddisfa i requisiti della maggior parte dei produttori del settore aerospaziale. TERMOPLASTICA / 8

9 Specifica aerospaziali personalizzata: prodotto inclusi strumenti e attrezzature per la produzione alimentare e dispositivi medici personalizzati. Primo materiale Stratasys approvato per il contatto con gli alimenti, la resina ULTEM 1010 offre inoltre realizzato in modo personalizzato che soddisfa i requisiti di una specifica che è sviluppata insieme a un singolo cliente. Resina ULTEM 1010 livelli di resistenza termica, chimica e alla trazione più elevati di qualsiasi termoplastica FDM. È ideale per tutto, dalle applicazioni aerospaziali a quelle sottocofano nel settore automobilistico, all'attrezzaggio in materiali compositi. Altro prodotto di SABIC Innovative Plastics, la resina ULTEM 1010 è la termoplastica FDM ad alte prestazioni di più recente introduzione e offre eccellenti livelli di resistenza e stabilità termica. Con il più basso coefficiente di espansione termica rispetto a qualsiasi altro materiale FDM, la resina ULTEM 1010 è ideale per molte applicazioni nell'ambito della produzione di attrezzature industriali e per componenti che richiedono al contempo resistenza e stabilità termica. La capacità della resina ULTEM 1010 di resistere alla sterilizzazione a vapore in autoclave e le sue certificazioni di idoneità al contatto con gli alimenti (NSF 51) e di biocompatibilità (ISO 10993) ne fanno il materiale perfetto per applicazioni specializzate, PPSF / PPSU Polifenilsulfone La prima termoplastica tecnica ad alte prestazioni per FDM è stata il PPSF (altrimenti denominato PPSU). Questo materiale dalle caratteristiche eccellenti è stato aggiunto per applicazioni sotto cofano e altri utilizzi avanzati, dove altre plastiche possono soccombere al calore e agli attacchi chimici. Il PPSF presenta una resistenza termica (temperatura di deviazione del calore di 189 C/372 F) e una resistenza chimica eccellenti. Dal punto di vista meccanico è superiore agli altri materiali FDM al di fuori dei materiali ad alte prestazioni. PPSF è resistente a oli, benzine, prodotti chimici e acidi. TERMOPLASTICA / 9

10 Analogamente all'absi e all'abs-m30i, anche il PPSF è sterilizzabile. Tuttavia, grazie alla sua resistenza termica e chimica, è possibile utilizzare altri metodi, quali sterilizzazione in autoclave, al plasma, chimica e a radiazioni. FDM Nylon 12 L'FDM Nylon 12 è il primo della nuova famiglia di materiali in nylon di Stratasys. Nylon 12 integra l'attuale portafoglio di materiali FDM e permette nuove applicazioni che necessitano di un'elevata resistenza alla fatica e un'alta resistenza chimica, comprese chiusure a pressione ripetitive e inserti a frizione. Utilizzato principalmente nei settori aerospaziale, automotive e dei beni di consumo, il Nylon 12 offre una robustezza senza eguali e un processo semplice e pulito, senza polveri. Le parti in Nylon 12 di FDM presentano un allungamento a rottura superiore del % e una migliore resistenza a fatica rispetto a qualunque altra tecnologia di fabbricazione additiva. FDM Nylon 6 FDM Nylon 6 combina caratteristiche di resistenza e robustezza superiori rispetto alle altre termoplastiche per applicazioni, che richiedono parti e strumentazione personalizzate in grado di durare più a lungo e di sopportare rigidi test funzionali. Progettata con nylon 6, una termoplastica diffusa nella produzione, questo materiale funziona bene con il modello Fortus 900mc per produrre parti durature con una finitura levigata e un'elevata resistenza alla rottura. FDM Nylon 6 è ideale per coloro che realizzano prodotti e per gli ingegneri addetti allo sviluppo nei settori automobilistico, aerospaziale, dei beni di consumo e della produzione industriale. TERMOPLASTICA / 10

11 ST-130 Essendo l'unico materiale per modelli FDM progettato e testato specificamente per le applicazioni di attrezzaggio composite, ST-130 aiuta a creare strutture complesse e cave, tutto in un unico punto tramite l'attrezzaggio usa e getta. ST-130 offre maggiore controllo sulla precisione interiore e sulla finitura delle superfici dei componenti compositi cavi senza lunghi processi per la costruzione di stampi, grinze interne dovute alla strumentazione a guscio o le fasi supplementari di giunzione e finitura necessarie nella costruzione con più parti. MATERIALE ABS-M30, ABSplus ABS-ESD7 ABS-M30i ABSi ASA PC PC-ABS PC-ISO PLA ST-130 Resina ULTEM 9085 Resina ULTEM 1010 PPSF Nylon 12 FDM Nylon 6 CARATTERISTICHE CHIAVE Versatile, robusto Resistente alle scariche elettrostatiche Biocompatibile Traslucente Stabile ai raggi UV Resistente (resistenza a trazione) Alta resistenza (impatto) Biocompatibile Stampa rapida delle bozze, componenti ad alta risoluzione Progettato per strumenti usa e getta Ottime caratteristiche meccaniche Certificazione FST. Resina ULTEM 9085 Aerospace disponibile. Certificazione di sicurezza alimentare e bio-compatibilità. Massima resistenza termica. Resistente (resistenza termica/ chimica) Resistente (alta resistenza alla fatica) Resistente (urti), robusta (alta resistenza alla fatica) Il modello ST-130 e il materiale di supporto ST-130_S si dissolvono in modo semplice, producendo componenti composti leggeri, resistenti e senza giunzioni con geometrie complesse. TERMOPLASTICA / 11

12 CONCLUSIONI I 16 materiali FDM condividono molte caratteristiche che li rendono idonei sia per la modellazione progettuale, sia per la produzione in volumi ridotti. Ciascuno, tuttavia, offre proprietà uniche che lo distinguono dagli altri. Queste proprietà includono la trasparenza, la biocompatibilità, la certificazione FST, la resistenza chimica, la resistenza termica e la resistenza meccanica e sono proprio queste proprietà che semplificano la selezione del materiale giusto. Nella fabbricazione, i materiali definiscono il processo. Nella fabbricazione additiva, l'fdm è riconosciuto come il processo che offre una selezione di materiali termoplastici per un utilizzo funzionale. Stratasys tiene in dovuta considerazione il feedback ricevuto dal mercato sui materiali più importanti per gli utenti, esplora costantemente le possibili opzioni per i materiali del futuro e continuerà a ricercare e sviluppare nuove formule per materiali termoplastici da utilizzare nei propri sistemi FDM. TERMOPLASTICA / 12

13 STRATASYS.COM SEDE LEGALE 7665 Commerce Way, Eden Prairie, MN (numero verde USA) (Intl) (Fax) 2 Holtzman St., Science Park, PO Box 2496 Rehovot 76124, Israele (Fax) L'AZIENDA DELLE SOLUZIONI DI STAMPA 3D Certificazione ISO 9001: , 2015, 2016 Stratasys Ltd. Tutti i diritti riservati. Stratasys, il logo Stratasys, PolyJet, ABS-M30, ABSplus, Fortus, Finishing Touch, ABS-ESD7, ABS-M30i, ABSi, PC-ISO e FDM Nylon 12 sono marchi o marchi registrati di Stratasys Ltd. e/o delle sue società controllate o affiliate e possono essere registrati in alcune giurisdizioni. Fused Deposition Modeling, FDM Technology sono marchi di Stratasys Inc. ULTEM è un marchio registrato di SABIC o affiliate. Tutti gli altri marchi appartengono ai rispettivi titolari e Stratasys non si assume alcuna responsabilità in merito alla selezione, alle prestazioni o all'utilizzo di questi prodotti non Stratasys. Specifiche di prodotto suscettibili di modifiche senza preavviso. Stampato nel 2015 negli USA. WP_FDM_Thermoplastics_A4_1216a Per ulteriori informazioni su sistemi, materiali e applicazioni Stratasys, chiamare il numero (USA) o visitare il sito