Esclusivo: Chromatic 3D Materials presenta l’era della stampa 3D in poliuretano

Pur coprendo il settore della produzione additiva globale, occasionalmente ci imbattiamo in startup che lavorano su tecnologie che possono sembrare marginali ma hanno un enorme potenziale. Non si tratta solo di avere una buona idea, ma di trovare i veri punti deboli della produzione – il che non è così facile come sembra – e, cosa più importante, avere il know-how per affrontarli. Il lavoro di Chromatic 3D Materials con l’estrusione di termoindurenti, in particolare i poliuretani, ne è un perfetto esempio. La capacità di stampare in 3D in modo efficiente ed economico uno dei materiali più utilizzati al mondo aprirà un’enorme opportunità. E una delle parti migliori dell’approccio di C3DM è che questa opportunità potrebbe essere sfruttata da ognuno dei tanti produttori di stampanti 3D per estrusione in tutto il mondo.

L’approccio dell’azienda è basato su materiali e software e indipendente dall’hardware. I poliuretani stampati in 3D FlexTune™ di Chromatic 3D Materials sono una gamma di elastomeri di gomma che offrono alte prestazioni e alta flessibilità, con potenziali applicazioni pressoché infinite, dall’automotive ai prodotti di consumo. Il CEO Cora Leibig ha fondato l’azienda nel 2016, basandosi su una carriera ventennale nel settore dei materiali. In Dow Chemical ha lavorato per un decennio nella ricerca e sviluppo aziendale e nella ricerca e sviluppo specifici per i poliuretani.

“Affinché una nuova tecnologia venga lanciata nel mondo dei materiali, è necessario dimostrare che ci sono centinaia di milioni di libbre di potenziale”, spiega il dott. Leibig, “e il motivo è che la catena di fornitura è così profonda. Ci sono così tanti passaggi che devi compiere prima di arrivare a un prodotto finale”.

Questo è il motivo per cui inizialmente è stata attratta dalla stampa 3D: “Ciò che mi interessava”, spiega, “è davvero portare la selezione dei materiali molto più vicino agli utenti finali e questo cambia davvero le dinamiche di ciò che serve per fornire prodotti innovativi materiali al mercato. Penso che ciò che la stampa 3D porterà nel mondo sono materiali innovativi che non abbiamo mai visto prima e che hanno funzionalità molto più elevate”.

Dove sono i termoindurenti?

Guardando più da vicino quali materiali erano disponibili per la stampa 3D, Cora Leibig ha notato che la tavolozza era davvero limitata per la stampa 3D. E, forse non sorprende, il segmento più grande che mancava (ed è tuttora) mancante è il termoindurente, una categoria che include poliuretani, siliconi ed epossidici.

Ciò è dovuto alle caratteristiche intrinseche dei materiali termoindurenti, che sono allo stesso tempo molto utili e anche molto difficili da stampare in 3D. Ma difficile non significa impossibile. Come in ogni segmento manifatturiero, ci vuole ricerca. La sfida più grande per i poliuretani di stampa 3D, come per qualsiasi applicazione o processo termoindurente, è che la chimica definisce come elabora, più della meccanica del sistema di elaborazione.

In una stampante a filamenti termoplastici, si deve regolare la temperatura della testina di stampa e la temperatura del letto. Nei termoindurenti, si deve regolare la chimica.

In una stampante a filamenti termoplastici, bisogna regolare la temperatura della testina di stampa e la temperatura del letto. Nei termoindurenti, va invece regolata la chimica. “In una stampante a filamenti termoplastici, è necessario regolare la temperatura della testina di stampa e la temperatura del letto”, spiega il dott. Leibig. “Nei termoindurenti, è necessario regolare la chimica. Ed è un po’ più complicato. In Chromatic 3D Materials modifichiamo aspetti come la densità dei tipi di reazione per i materiali estrusi o il modo in cui si mescolano”.

La gamma FlexTune™ di elastomeri di gomma poliuretanica è stampata nella gamma Shore A di 40-90. Questi materiali sono stati utilizzati per decenni in applicazioni di stampa non 3D che richiedono durata. Possono essere flessi, allungati, attorcigliati, schiacciati più e più volte. Esempi del loro utilizzo includono tacchi e suole di scarpe, ruote per rollerblade e guarnizioni nelle tenute idrauliche. Il team di Chromatic 3D Materials ha trovato un modo per stampare in 3D utilizzando questi elastomeri poliuretanici ad alte prestazioni in un modo che non sacrifica la loro forza e durata.

Chimica contro meccanica

Lo specifico processo di stampa 3D implementato da Chromatic può essere descritto come un incrocio tra getto d’inchiostro ed estrusione. Durante il processo di stampa, due componenti liquidi vengono miscelati nella testina di stampa. L’atto di miscelazione innesca una reazione chimica. Nel momento in cui il liquido lascia la testina di stampa e si deposita sulla superficie di stampa, il materiale è un gel parzialmente polimerizzato. Si solidifica in un materiale appiccicoso stabile in pochi minuti. L’intero processo viene eseguito a temperatura ambiente.

In altre parole, mentre nell’estrusione termoplastica il materiale viene fuso e riformato, un materiale termoindurente viene effettivamente “creato” durante il processo di estrusione. Ciò si traduce in forti legami chimici in tutta la parte, con più proprietà isotropiche. “Ciò significa che in sostanza, quella parte creata è una singola molecola”, spiega Leibig. “L’altro vantaggio”, continua, “è il modo in cui lo progettiamo: il materiale che esce dalla punta ha una viscosità di circa diecimila volte inferiore a quella di un filamento, il che significa che puoi stampare molto più velocemente”.

In sostanza, quella parte che hai stampato è una singola molecola

È molto più una sfida chimica che meccanica, ma questo non significa che sia insormontabile. E il vantaggio è che puoi utilizzare tutti gli strumenti che le persone utilizzano per la chimica termoindurente da oltre 50 anni e applicarli alla stampa 3D. Leibig sostiene che il motivo principale per cui non ci sono stati più progressi è che in pochi stanno facendo ricerche sulla stampa 3D termoindurente oggi.

Una di queste aziende è Carbon, la cui sintesi della luce digitale basata sulla stereolitografia utilizza un mix di termoindurenti e fotopolimeri per attivare un processo di fotocopiatura. Cora spiega che il processo basato sull’estrusione di Chromatics offre molta più versatilità. “Stiamo solo usando la miscelazione per innescare la reazione. Questo ci consente di adottare un regime molto flessibile e anche di incorporare additivi, come i coloranti “, spiega.

I sistemi di estrusione Chromatic possono essere installati su qualsiasi stampante 3D per estrusione, cambiando la testina di stampa termica con una termoindurente. Internamente il team di Chromatic utilizza una stampante 3D Juggerbot standard di grande formato. Chromatic fornisce i materiali e il software necessario (ne parleremo più avanti). Per molti produttori di hardware, il sistema Chromatic 3D Materials può rappresentare un’opportunità unica per estendere in modo significativo la propria portata di mercato.

Alla ricerca di parti critiche

Sfruttando questa versatilità, Chromatic si sta concentrando su applicazioni come tenute e guarnizioni per apparecchiature industriali, che sono parti che hanno costi di catena di fornitura estremamente elevati. Una parte che richiede solo pochi centesimi di materiale può finire per costare decine di dollari a causa dei costi legati alla logistica.

“Quando guardiamo alla catena di fornitura di tenute e guarnizioni, ci sono molte attrezzature specializzate che potrebbero richiedere solo meno di cinquecento parti in un anno intero. Questo è per una data forma. Per lo stampaggio a iniezione, questa è solo un’economia ridicola”, spiega il dott. Leibig. “Quindi i costi logistici associati a questo tipo di pezzi di ricambio ammontano al 90% del costo del pezzo ed è principalmente correlato all’immagazzinamento e alla distribuzione. Gli stampatori a iniezione che lavorano su milioni di parti all’anno non vogliono dover interrompere la produzione per impostare un ciclo di cinquecento pezzi”.

La deduzione logica che Leibig e il suo team hanno fatto è che queste parti sarebbero ideali per la stampa 3D se i materiali potessero essere abbastanza buoni. “È proprio qui che ci concentriamo come azienda – rivela – e stiamo riscuotendo molto successo con piccole flotte, che si tratti di autobus o treni o trattori o auto classiche o anche solo macchinari nelle fabbriche”.

Poiché i materiali FlexTune™ si solidificano durante il processo di costruzione e non richiedono il riscaldamento per evitare deformazioni, è possibile ottenere parti di altezza di 20 cm e oltre. Il limite principale è che i difetti si propagano durante la build, quindi Chromatic ha sviluppato una tecnologia AI per compensare eventuali difetti che si presentano, il che significa che circa il 50% del tempo di ricerca e sviluppo è dedicato allo sviluppo del software.

In termini di velocità, i materiali FlexTune™ possono essere stampati circa cinque volte più velocemente rispetto ai processi di estrusione termoplastica. “Vediamo opportunità per andare ancora più veloci, fino a cinque volte più velocemente, attraverso gli aggiornamenti delle apparecchiature”, spiega Leibig. “Un’altra caratteristica importante è che le nostre parti sono solide al cento per cento, il che ci offre diversi vantaggi nelle parti in cui è necessario sigillare per mantenere la pressione”.

Un’altra caratteristica importante che i clienti di Chromatic sembrano apprezzare è che la tecnologia può essere utilizzata per stampare sopra altre parti. Ciò significa eventualmente utilizzare un robot a cinque assi, ad esempio, per stampare su parti metalliche. “Vediamo molte opportunità per le parti metalliche che necessitano di ammortizzazione o tenuta integrate”, afferma Leibig.

Servizi di stampa 3D termoindurenti

Chromatic 3D Materials opera oggi come fornitore di servizi e consulenza specializzati. “Molti dei nostri clienti non vogliono essere coinvolti nel processo di stampa – spiega Leibig. “Il nostro modello di business prevede di rivolgersi agli OEM che gestiscono librerie di pezzi di ricambio molto grandi. Stanno cercando di mantenere librerie fisiche che includano cinquecento o più parti elastomeriche diverse”.

Ad esempio Deutsche Bahn, il servizio ferroviario tedesco. Con treni che hanno fino a 50 anni di funzionamento, molti pezzi di ricambio non sono più disponibili. “Abbiamo lavorato con loro per esaminare la loro libreria e identificare le parti che potevano essere stampate in 3D con la nostra tecnologia. Poi abbiamo seguito un programma per la qualificazione delle parti. La nostra capacità di modificare rapidamente la chimica dei materiali ci consente di soddisfare facilmente qualsiasi requisito specifico di parte.

Ad oggi, Chromatic ha costruito una libreria di 500 materiali basati su diverse variazioni chimiche. “In appena quattro settimane, di solito possiamo sviluppare un nuovo materiale stampabile in grado di soddisfare i requisiti di resistenza termica, meccanica o del carburante. In questo senso lavoriamo anche come servizio di consulenza”, spiega Cora.

Ora l’azienda sta cercando di espandere il numero di sistemi interni per servire più clienti con lotti di parti più grandi. Un’area chiave per lo sviluppo del business è rivolgersi ai fornitori di pezzi di ricambio, diventando una risorsa di stampa 3D termoindurente specializzata per lotti di piccole e medie dimensioni di parti difficili da trovare. “Molte volte non hanno nemmeno più i disegni CAD per la parte ed è per questo che crediamo sia importante mantenere una catena di controllo intorno alla produzione, in modo che una volta che costruiscono quello che chiamiamo uno ‘stampo digitale’ per la loro parte la biblioteca, possiamo garantire tempi di consegna molto brevi”.

Con la crescita della domanda, la capacità di qualificare rapidamente le parti per l’uso rappresenterà una nuova sfida. Lavorare con un’azienda per qualificare un nuovo materiale per un’applicazione può richiedere fino a sei mesi, ma i poliuretani sono già utilizzati in così tante applicazioni di produzione tradizionale che in molti casi sono già qualificati da organizzazioni nazionali e internazionali. Ecco perché la potenziale opportunità per la stampa 3D è così significativa.