Tutto quello che c’è da sapere sulla stampa 3D multimateriale

La stampa 3D multimateriale è, come dice il nome, la stampa 3D di diversi materiali in un unico processo di stampa continuo. Non è la stessa cosa della stampa multicolore, in cui un materiale viene stampato in diverse varianti di colore. Sebbene il risultato visivo della stampa multimateriale possa essere quello di contenere diversi colori, lo scopo fondamentale della stampa con più materiali è quello di ottenere una combinazione delle loro proprietà. Materiali diversi hanno caratteristiche diverse, ad esempio possono essere conduttivi, duri, morbidi, trasparenti, chimicamente resistenti, ecc. e sono quindi particolarmente adatti per applicazioni specifiche. In alcuni casi, tuttavia, è necessario combinare le caratteristiche di diversi materiali in un oggetto per sfruttarne appieno l’applicazione, da cui l’esistenza di soluzioni per la stampa 3D multimateriale.

Infatti, la stampa 3D multimateriale è particolarmente utile quando si desidera combinare due proprietà complementari dei materiali in un unico pezzo in modo che sia, ad esempio, sia rigido che flessibile. La stampa 3D multimateriale consente anche di stampare strutture di supporto in un materiale diverso che può essere facilmente rimosso durante il post-processing. Ne sono un esempio il PVA e l’HIPS. Inoltre, la stampa 3D di più materiali riduce notevolmente le operazioni di post-lavorazione: le parti finali vengono prodotte in un’unica soluzione, eliminando la fase di assemblaggio che spesso richiede molto tempo.

Una stampa 3D multimateriale efficiente dipende molto dalla tecnologia e dall’hardware utilizzati. Sebbene vi siano molte sperimentazioni e continui progressi nel campo della stampa 3D multimateriale, non tutti i processi sono adatti a stampare più materiali contemporaneamente. Attualmente, la stampa 3D multimateriale è possibile con la tecnologia SLA, ad esempio utilizzando più vasche con materiali diversi, ma anche con il Material Jetting (che per sua natura è particolarmente adatto alla stampa di più materiali contemporaneamente).

Tuttavia, la tecnologia FDM è attualmente uno dei processi più produttivi e avanzati per la stampa 3D multimateriale. Rispetto ad altri processi di stampa, la tecnologia FDM è economica, semplice e consente la lavorazione di vari polimeri termoplastici e materiali compositi. A seconda della sua configurazione, una stampante FDM può stampare diversi materiali. A seconda dell’hardware, ci sono alcuni aspetti, che illustreremo di seguito, da tenere in considerazione. Questa guida si concentrerà sulla stampa 3D multimateriale per i processi di estrusione.

Sebbene la stampa multimateriale sia possibile con diverse tecnologie, è più avanzata con i processi FDM (Crediti foto: Stampa con tecnologia Novojet di Quantica / Quantica)

Il processo di stampa 3D multimateriale

Come ogni processo di stampa, la stampa 3D multimateriale inizia con la progettazione. Oggi maggior parte dei dei software CAD standard tiene conto della differenza tra un materiale e l’altro ed è in grado di considerare le rispettive caratteristiche. Per una stampa 3D multimateriale di successo, è poi importante definire i parametri corretti dello slicer, perché la stampante deve sapere quando ogni materiale deve essere stampato. La configurazione della macchina è quindi fondamentale, sia che si tratti di una soluzione con un estrusore che con più ugelli. Approfondiamo di seguito le diverse possibilità.

Testa di stampa singola

La stampa 3D multimateriale è perfettamente realizzabile con una stampante FDM standard. Tuttavia, se la stampante è dotata di un estrusore a singolo ugello, i cambi di materiale devono essere effettuati manualmente. La stampante deve quindi interrompere la stampa non appena entra in gioco un nuovo materiale. Le varie pause possono essere già integrate nel codice G. A seconda dello slicer, questa fase può essere molto semplice o più complicata.

In generale, la stampa di più materiali su una stampante standard richiede tempo e lavoro, anche per pezzi di piccole dimensioni. Il processo diventa più difficile se si utilizzano più materiali per strato e se i materiali non vengono alternati strato per strato.

I diversi materiali devono essere presi in considerazione fin dal processo di progettazione e durante lo slicing (Crediti foto: UltiMaker)

Esistono ovviamente anche stampanti che consentono di stampare con più filamenti. Un esempio, utilizzato soprattutto nella stampa multicolore, è un mixing hotend. Tuttavia, se questo sistema deve essere utilizzato per la stampa con diversi materiali, le rispettive temperature di stampa devono essere molto vicine tra loro, nel caso ottimale identiche, per evitare errori di stampa.

Se si utilizza una stampante con estrusore Bowden, è possibile utilizzare un classico separatore a Y per combinare due materiali diversi. Con il sistema Bowden, i materiali vengono utilizzati ed estrusi alternativamente, ma sono sempre “pronti” in modo da formare l’omonima forma a Y. Questo approccio è utilizzato anche per la stampa a due colori e può essere esteso a un doppio estrusore a Y per più estrusori.

Oltre a queste caratteristiche hardware, si ha anche la possibilità di aggiornare la stampante con componenti aggiuntivi per stampare con più materiali. Con i kit di aggiornamento multimateriale MMU1, MMU2 e il più recente MM3, Prusa ha creato componenti aggiuntivi che consentono di stampare con un massimo di cinque filamenti diversi. L’MMU viene semplicemente collegato a una stampante monomateriale e un sistema di estrusione Bowden basato su splitter viene utilizzato per stampare con più materiali.

Prusa3D offre la possibilità di stampare più materiali con i suoi Multi Material Upgrades (MMU) (Crediti foto: PrusaDd)

Un altro componente aggiuntivo è la Mosaic Palette. Questo dispositivo aggiuntivo per stampanti FDM di tutti i tipi taglia i filamenti a misura e li riassembla in un unico e preciso filamento di stampa. Il filamento può quindi essere stampato in un unico passaggio senza cambi o pause. Ora ci sono anche fornitori che equipaggiano le loro stampanti con sistemi aggiuntivi per la stampa 3D multicolore o multimateriale. Con il suo AMS (Automated Material System), Bambu Lab ha creato un sistema che non limita più l’utente alla stampa con un solo filamento e consente stampe versatili, estetiche e funzionali.

Detto questo, le stampe multimateriale sono molto più facili da realizzare se ci sono diversi hotend in una testa di stampa. In questo caso, per ogni materiale c’è un ugello corrispondente, in modo da evitare che i residui del materiale precedente intasino l’ugello. Esistono testine di stampa singole con due o quattro hotend. Tuttavia, queste rendono la testina di stampa più pesante, compromettendo la velocità di stampa.

Questa testina di stampa può stampare 4 filamenti contemporaneamente (Crediti foto: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)

Testine di stampa multiple

Estendendo l’approccio multi-ugello all’estrusione di materiali a più testine di stampa, è possibile aumentare ulteriormente la varietà di materiali. Questo approccio produce anche risultati migliori, poiché i diversi materiali non vengono combinati in un unico blocco di riscaldamento nell’hotend. Le stampanti IDEX (Independent Dual Extruder) sono un esempio ben noto.

Queste stampanti sono dotate di due estrusori che possono muoversi indipendentemente l’uno dall’altro. I percorsi separati dei rispettivi filamenti impediscono ostruzioni o blocchi nell’ugello e alcuni degli errori più comuni nella stampa 3D multimateriale possono essere eliminati in anticipo. Tuttavia, una stampante IDEX può stampare solo due materiali contemporaneamente. Spesso si tratta del materiale di base e del materiale di supporto.

Uno strumento che supera i limiti del doppio estrusore è il tool changer. Questo strumento può cambiare le teste durante il funzionamento. Non si tratta solo di testine di stampa, ma anche di testine che possono tagliare, fresare e forare (per la produzione ibrida).

Le stampanti IDEX sono dotate di due estrusori indipendenti e possono quindi lavorare due tipi di filamento in una sola stampa (Crediti foto: Raise3D)

Applicazioni, vantaggi e limiti

L’obiettivo principale della stampa 3D multimateriale è quello di conferire a un pezzo finale proprietà diverse. Queste possono riguardare l’aspetto, le proprietà del materiale o la struttura.

Le diverse proprietà combinate dei materiali aprono inoltre varie possibilità di applicazione in un’ampia gamma di settori. La stampa 3D multimateriale viene utilizzata per chip microfluidici o per pinze nella robotica e nella soft robotics, dove sono richieste parti flessibili e morbide e parti dure e resistenti. Questo processo è sempre più utilizzato anche in medicina. Materiali come il TPU (morbido) e i compositi in fibra di carbonio sono ad esempio combinati per realizzare protesi stampate in 3D.

Le stampe multimateriale sono utilizzate in molti settori quando sono richieste proprietà diverse in un pezzo, ad esempio resistente e morbido (Crediti foto: UltiMaker)

Il successo non è però sempre garantito con la stampa 3D multimateriale, poiché sono necessari una certa cautela e degli accorgimenti per ottenere i risultati desiderati. Quando si progetta l’oggetto da stampare, si pone la questione di come i diversi materiali debbano incastrarsi. Alcuni filamenti, ad esempio, non si combinano bene a causa delle loro diverse proprietà. Se le temperature di lavorazione sono troppo distanti, ad esempio, sarà difficile lavorarli insieme. In genere i materiali simili, si combinano più facilmente.

Le proprietà del materiale, come è noto, determinano anche le proprietà di stampa. Materiali diversi richiedono impostazioni diverse nella stampante in termini di temperatura dell’ugello, temperatura del letto di stampa, velocità e ritrazione. Queste regolazioni hanno anche il più alto tasso di errore e quindi, a seconda dell’hardware utilizzato, ci sono alcune cose da tenere a mente. Ad esempio, se si utilizza un unico estrusore con un solo hotend dal cui ugello vengono estrusi tutti i materiali utilizzati, è necessario assicurarsi che i materiali non si mescolino. In caso contrario, può verificarsi un accumulo di materiale e, nel peggiore dei casi, può essere necessario sostituire l’ugello. Ciò si verifica in particolare se per la stampa vengono utilizzati materiali insoliti come il legno o il metallo. Se si utilizzano più estrusori, il gocciolamento dall’ugello non utilizzato può diventare un problema; questo fenomeno è noto anche come trasudamento o oozing.

Produttori di soluzioni di stampa 3D multimateriale

Oggi esiste un’ampia gamma di stampanti per la stampa 3D multimateriale, che comprende soluzioni desktop, sistemi industriali e vari componenti aggiuntivi e aggiornamenti, come menzionato. Una delle prime stampanti multimateriale è stata la Fab@Home, lanciata nel 2006. A livello di maker, spiccano le soluzioni di Prusa, Bambu Lab e Flashforge, oltre a Raise3D e UltiMaker. Particolarmente degne di nota sono la Flashforge Creator 4, la Prusa XL con un massimo di cinque materiali e la E2 di Raise3D.

Le soluzioni industriali sono offerte, tra gli altri, da Modix con Modix Big-120Z, OMNI3D con Factory 2.0 e Factory 2.0 NET e WASP con Delta WASP 2040 Industrial X. Anche AIM3D si concentra sulla stampa 3D multimateriale a livello industriale e combina persino pellet e filamenti nei suoi sistemi di stampa. Qualunque sia la soluzione scelta per implementare una stampa 3D multimateriale di successo, è essenziale considerare in anticipo le proprietà dei materiali e le impostazioni della stampante.

L’AMS di Bambu Lab consente di lavorare filamenti diversi per la stampa multicolore o multimateriale (Crediti foto: Bambu Lab)

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*Crediti foto copertina: Harvard University