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I materiali compositi cambiano il mondo della produzione additiva (di nuovo)

La produzione additiva rappresenta la produzione digitale nella sua forma più pura e in quanto tale, progredisce a velocità comparabili a quelle stabilite nella legge di Moore, per cui la complessità di un circuito raddoppia in termini di dimensioni e velocità ogni anno e mezzo. Tuttavia, a differenza dei processori dei computer, la produzione additiva coinvolge un processo meccanico e, ancor più importante, materia reale. Pertanto, il fattore più determinante nell’evoluzione della AM è il progresso nella scienza dei materiali. I materiali compositi sono il segmento in cui i vantaggi della AM in termini di automazione, possono esercitare l’impatto maggiore.

Nel recente 3D-Printed Composites Materials Markets – 2017:  An Opportunity Analysis and Ten-Year Forecast la SmarTech Publishing realizza quella che è la valutazione più approfondita e accurata ad oggi sull’uso dei materiali compositi nella produzione additiva, analizzando le tecnologie che possono consentire la produzione automatizzata di parti e componenti sulla base di fibre composite tagliate, continue e addirittura di nano-dimensioni sia in matrici termoindurenti,  che termopolimeriche. Con un volume d’affari globale stimato a più di 500 milioni di dollari entro il 2026, prevediamo che, nel corso dei prossimi dieci anni, quello dei compositi diventerà uno dei segmenti principali della produzione additiva e un’opportunità considerevole per la produzione in generale.

In campo industriale, la AM è considerata come un modo per snellire e automatizzare i processi di produzione, senza sacrificare i vantaggi offerti dai compositi a base di fibra in termini di ottimizzazione del peso e robustezza. Per quanto riguarda il settore del 3D printing di polimeri, la capacità di stampare in 3D parti in materiali compositi rappresenta un percorso più diretto verso la produzione industriale di pezzi per il consumo finale, compresi quelli molto grandi e geometricamente complessi per velivoli e auto di peso leggero.

Oggi, le principali tecnologie di 3D printing che stanno esplorando l’uso dei compositi sono due: una è l’estrusione materiale (nota anche come FDM, modellazione a deposizione fusa) e l’altra è quella della fusione a letto di polvere (PBF), la quale consiste principalmente nell’SLS (sinterizzazione laser selettiva).

I compositi nell’estrusione materiale

L’approccio dell’estrusione materiale alla produzione composita può essere suddiviso in diversi campi d’applicazione principali, alcuni dei quali ancora in fase di ricerca. L’applicazione più pratica dell’FDM nella produzione composita è quella dello stampaggio a contatto e del tooling sacrificale.  Questo significa che è possibile stampare in 3D strumenti per il pre-impregnamento del composito standard al fine di realizzare parti complesse in composito. Il tooling sacrificale porta tutto questo al livello successivo, consentendo la produzione di strutture composite altamente complesse senza assemblaggio, rimuovendo il supporto stampato in 3D con la semplice dissoluzione in acqua. Il materiale ST 130 unico e prodotto in esclusiva dal leader dell’FDM per la stampa 3D Stratasys è abbastanza resistente da mantenere la propria forma durante il trattamento in autoclave. Ad oggi, si tratta dell’unico sistema che consente lo sfruttamento sia dei compositi in fibra continua in termini di prestazioni meccaniche, sia il 3D printing in termini di geometria avanzata.

Il futuro è nell’automazione completa della produzione composita. MarkForged, un produttore di stampanti 3D con sede negli Stati Uniti, ha sviluppato una tecnologia di estrusione materiale in grado di posizionare la fibra continua (carbonio, vetro o Kevlar) tra gli strati di un’estrusione materiale di una parte in termopolimero (principalmente nylon) stampata in 3D. Questa tecnologia è inoltre in grado di ruotare la fibra al fine di ottenere pattern unidirezionali e a fascio; si tratta attualmente dell’unico metodo disponibile sul mercato per stampare in 3D usando le fibre composite.

Altri produttori ed istituti di ricerca, tra cui spicca in primo luogo il Più Lab del Politecnico di Milano, stanno sviluppando tecnologie che usano un braccio robotico a sei assi per estrudere sia la fibra composita continua all’interno di una matrice termoindurente o resina polimerizzabile a UV. Al momento, questi approcci sono ancora in fase di sviluppo.

Per questo molti produttori di stampanti 3D stanno esplorando le possibilità derivanti dal 3D printing di fibra composita tagliata lunga (fino a 3 mm), soprattutto nella matrice termopolimerica in ABS o nylon. L’applicazione più pratica di questo approccio è stata sviluppata dalla statunitense Cincinnati Incorporated, con la sua piattaforma BAAM (Big Area Additive Manufacturing). Sfruttando pellet in fibra di carbonio ABS composita, BAAM è stata utilizzata dal Lawrence Livermore National Laboratory e dalla startup americana Local Motors per stampare in 3D l’intero corpo di una gamma di auto elettriche, in un’unica stampa. La fibra di carbonio ha fornito migliori proprietà meccaniche ai materiali termopolimerici ma ha anche ridotto le deformazioni causate dalle differenze di temperatura durante il processo di estrusione termica.

Usando il pellet in fibra di carbonio ABS composita, Stratasys ha fatto un passo avanti e ha sviluppato un braccio robotico a 8 assi in grado di costruire grandi strutture complesse estrudendo materiale e collocandolo con precisione all’interno di uno spazio tridimensionale. Attualmente, questa piattaforma è in fase beta per il collaudo da parte dei partner di Stratasys tra i quali spiccano Ford e Boeing. Diversi altri produttori di materiale di estrusione low cost e filamenti stanno sviluppando e usando filamenti termoplastici di fibra tagliata e la fibra in nylon-carbonio (con CF fino al 20-30%) è ad oggi la più popolare.

I compositi nella fusione a letto di polvere

Quello della fusione a letto di polvere (PBF) è l’altro campo in cui i materiali in fibra composita tagliata (qualche centinaio di micron) continueranno probabilmente a rappresentare un’importante adozione. Il quadro di mercato della tecnologia PBF è molto diverso, con sistemi SLS al livello iniziale al costo di €200.000 e più. Mentre il mercato è stato dominato da due protagonisti per quasi due decenni (EOS e 3D Systems), negli ultimi anni si sono fatte avanti anche compagnie nuove, come Prodways e Ricoh. Anche HP si è introdotta nel mercato sviluppando la sua tecnologia PBF denominata MJF (Fusione multi-getto), che è fino a dieci volte più rapida della SLS standard.

La presenza di più compagnie ha portato le grandi aziende chimiche a sviluppare nuovi materiali, concentrandosi in primo luogo sui compositi in fibra di vetro ( o grano di vetro) e in fibra di nylon-carbonio. Mentre giganti come Arkema e BASF sono attualmente attivi in questo segmento, la leadership tecnologica in termini di polveri composite per l’AM appartiene all’italiano CRP Group e alla sua famiglia di materiali Windform per PBF. Questi materiali hanno riscontrato applicazioni soprattutto nella prototipazione automobilistica e aerospaziale ma stanno iniziando anche ad essere integrati nella produzione di parti per il consumo finale.

Inoltre, è in fase di sviluppo un’altra tecnologia che consentirebbe il 3D printing di compositi in fibra continua in una matrice termopolimerica preimpregnata e che andrebbe menzionata in questo articolo. Il sistema SLCOM 1, sviluppato da EnvisionTEC, usa una tecnologia a laminazione e rulli di preimpregnato per realizzare parti in 3D. Una lama in tungsteno taglia gli strati di una parte e un processo ad elevata temperatura fonde la matrice termopolimerica al fine di posizionarla. Questo processo non offre le stesse prestazioni degli assi X e Y sull’asse Z, tuttavia può utilizzare termopolimeri ad alte prestazioni con il PEEK che da solo è in grado di garantire al pezzo una robustezza significativa.

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