Compositi e additive, 2 mondi fantastici che separati permettono di realizzare componentistiche di altissimo livello per i settori più esigenti come l’aereospace e l’automotive. In questo testo però vedremo alcuni interessanti sistemi di additive manufacturing che utilizzano i materiali compositi, e daremo uno sguardo al “metal replacement”
Da quando si sono uniti compositi e additive manufacturing sono aumentate le possibilità di utilizzo di quest’ultimo in settori da sempre riconosciuti come altamente tecnologici come l’aereospace, automotive e quindi ha portato ad un enorme lavoro di ricerca per migliorare l’uso dei compositi come materiale per additive manufacturing.
Facciamo un attimo un ripasso però, cosa sono precisamente i materiali compositi? Beh non sono altro che materiali che presentano almeno due o più fasi date da almeno due materiali con proprietà fisiche differenti, l’unione dei materiali da vita ad un materiale nuovo con proprietà migliori di quelle che potrebbero dare le singole fasi singolarmente. Normalmente queste fasi quando si parla di compositi polimerici si distinguono tra matrice (polimerica di varia natura) e rinforzo (solitamente sotto forma di fibra carbonio, vetro, ecc.)
Ormai le tecnologie di lavorazione di questi materiali sono consolidate, ma con l’additive se ne è sicuramente consolidata un’altra. Le modalità di stampa 3D dei compositi sono diverse, vorrei vedere però quelle che sfruttano come base l’estrusione termoplastica, anche nota con gli acronimi FFF o FDM.
Filamenti caricati di fibra “tagliata”
L’utilizzo della tecnologia FDM con i compositi ha portato allo sviluppo di 2 modi di utilizzo dei materiali: un “classico” filamento in materiale polimerico solitamente per questi scopi materiali molto prestanti già di base, quindi nylon, policarbonati ecc , dove all’interno del filamento sono inglobate delle microfibre tagliate, solitamente carbonio o fibra di vetro .
Un’azienda da nominare che fa uso di questo tipo di materiale è sicuramente Markforged, con i prodotti a marchio Onyx. L’altra è Stratasys, l’azienda leader del mercato della stampa 3D mondiale, che ha inventato la tecnologia FDM e da alcuni anni offre il sistema Fortus 380mc Carbon Fiber 3D Printer, sviluppato appositamente per lavorare con il filamento in nylon caricato carbonio.
Altri specialisti dell’uso di questi materiali via FFF sono la società Italiana Roboze e quella Cinese Raise 3D, solo per citarne un paio particolarmente attive.
Sono però disponibili decine di filamenti di questo tipo, offerti da tutti i principali produttori, a partire da aziende come 3DEXTECH, che si sono specializzate in questo campo, e giganti come LEHVOSS o Arkema. Quindi quasi tutte le stampanti 3D FFF di livello professionale e industriale sono in grado di stampare questo tipo di materiali.
Estrusione di fibra continua
L’altro sistema è un’esclusiva proprio di Markforged “Continuous Fiber Fabrication” (CFF) – anche se altre aziende, tra cui Anisoprint, già offrono una tecnologia simile. Con questo sistema le fibre depositate sono fibre lunghe che offrono migliori prestazioni in termini di tensione e creano quindi componenti unici con proprietà uniche
Sul loro sito è presente una spiegazione di come funziona questa tecnologia che secondo il mio punto di vista è veramente interessante ed offre molte possibilità. Inventato da Greg Mark all’inizio dello scorso decennio, il processo CFF deposita allo stesso tempo un filamento di matrice in materiale termoplastico e un filamento di rinforzo in fibra continua. Anche se i pezzi non riescono certo a raggiungere le performance dei compositi intessuti realizzati con metodi più tradizionali, soprattutto per quanto riguarda la resistenza sull’asse z, i pezzi che possono essere prodotti con queste tecnologie sono molto più resistenti di quelli prodotti senza rinforzo o con rinforzi in fibra tagliata. E possono servire per attività di “metal replacement”.
Metal replacement, cos’è?
Non è altro che rimpiazzare ove possibile componentistica di varia natura (meccanica, estetica ecc) che solitamente è fatta in metallo con componenti realizzate con dei polimeri che riescono ad emulare le caratteristiche del metallo senza inficiare troppo sulla durata della componentistica e sul funzionamento in sé .Ormai il metal replacement vien usato in vari ambiti come l’automotive ricavando da stampi ad iniezione la relativa componentistica.
Con la stampa 3D (polimerica) è già da un po’ che si è iniziato a vedere sistemi realizzati ad hoc per questo scopo: aziende come Stratasys, Markforged e Roboze sono sicuramente avanti in questo campo.
Con quali materiali è possibile fare un metal replacement? Si possono usare una serie di tecnopolimeri compositi e non. Da citare sicuramente le performanti resine termoplastiche della famiglia del PEEK (PAEK), e del polieterimide (PEI) come l’ULTEM, che, anche senza essere rinforzati garantiscono temperature d’esercizio eccezionali e delle caratteristiche meccaniche fantastiche. Inoltre sono biocompatibili (possono essere sterilizzati a oltre 100°C), infatti hanno preso largo spazio nel mondo medicale.
A livello di compositi, oltre ai due appena citati che vengono rinforzati con microfibre di carbonio, solitamente troviamo il nylon carbon a base PA12 (poli ammide) addizionato con alte percentuali di microfibre di carbonio nylon12 carbon fiber (Stratasys)
Con questi sistemi riusciamo per piccole quantità ad abbattere i costi di stampi ad iniezione e manteniamo la leggerezza che questi polimeri hanno continuando ad avere le caratteristiche meccaniche e fisiche per il metal replacement.
