Tutto quello che c’è da sapere sul nylon per la stampa 3D

Il nylon, chiamato anche poliammide (PA), è un polimero ampiamente utilizzato nel settore della produzione additiva. Si tratta di una plastica sintetica, poliammidica, nota per le sue notevoli proprietà meccaniche. Sotto il nome di nylon sono oggi in commercio prodotti chimicamente diversi, a seconda della loro composizione chimica, contrassegnati con numeri diversi in base al numero di atomi di carbonio che contengono. I più utilizzati nel mercato della stampa 3D sono il PA6 sotto forma di filamento per la tecnologia FDM, e il PA11 e il PA12 in polvere per tecnologie come la sinterizzazione laser selettiva o MultiJet Fusion di HP. In questa guida approfondiremo tutto ciò che riguarda questo materiale: le sue caratteristiche, le condizioni di stampa, le applicazioni, nonché i principali produttori sul mercato.

Produzione e caratteristiche del nylon

Il nylon ha fatto la sua comparsa nel 1935, sintetizzato per la prima volta da Wallace Carothers, che ottenne il nylon 6,6, nel laboratorio dell’azienda chimica DuPont per cui lavorava. Questo primo materiale fu brevettato nel 1937 e commercializzato nel 1938 ed è ancora oggi il più diffuso. Il nylon sarà utilizzato principalmente nell’industria tessile grazie alla sua flessibilità e resistenza: fu utilizzato per la prima volta nel 1940 nella produzione di calze da donna. Anche nella stampa 3D una delle caratteristiche più interessanti del materiale è la sua flessibilità. Il nylon 6, invece, fu prodotto per la prima volta da Paul Schlack nei laboratori della IG Farben e brevettato nel 1941. Tutte le altre forme di nylon sono successive.

Nylon 6.6 (Crediti: BASF).

Come già detto, oltre a quelli già menzionati, i nylon più diffusi industrialmente sono il PA 11 e 12. È interessante sottolineare che questi due nylon non differiscono solo per un atomo di carbonio, ma presentano soprattutto origini molto diverse. Il PA11 è infatti ottenuto dall’olio di ricino, una fonte naturale e rinnovabile, a differenza del PA12 ottenuto dal petrolio. L’origine del nylon e il suo impatto ambientale sono spesso al centro di dibattiti circa la sostenibilità del materiale. Quando possibile, gli operatori optano per applicazioni in PA11, come alternativa al PA12, poiché offre proprietà interessanti per i componenti che richiedono, ad esempio, il contatto con la pelle. C’è da dire che anche il PA11 non può essere considerato totalmente ecologico in quanto spesso mancano le strutture a livello locale per riciclarlo e viene quindi smaltito come le altre plastiche.

Di certo, dal punto di vista della produzione additiva è bene notare che quando utilizzato sotto forma di polvere, il nylon può essere riutilizzato per più stampe. In particolare, il processo HP Multi Jet Fusion è noto per l’uso di poliammidi, sia PA12 che PA11 e per la particolarità di offrire un tasso di riciclaggio più elevato rispetto alla tecnologia SLS convenzionale: fino a circa il 70% della polvere non utilizzata durante la stampa 3D viene poi miscelata a nuova polvere di poliammide, riducendo così al minimo gli scarti.

Crediti: Materialise

Il nylon nella stampa 3D

Se prendiamo in considerazone il nylon utilizzato per la stampa 3D ad estrusione di materiale, quindi come filamento, il nylon è più spesso disponibile sotto forma di PA6. È un filamento che presenta molte caratteristiche interessanti, tra cui una grande flessibilità, resistenza agli urti e all’abrasione. Inoltre, le sue proprietà meccaniche sono molto simili a quelle dell’ABS. Tuttavia, si noti che il nylon richiede la presenza di un piatto riscaldato all’interno della stampante 3D (che può raggiungere circa 80°C) a causa di problemi di adesione. Sarà inoltre necessario prestare attenzione allo stoccaggio perché assorbe rapidamente l’umidità circostante (materiale igroscopico) il che potrebbe avere un impatto sulla stampa in seguito. In termini di temperatura di estrusione, la stampante 3D dovrà arrivare a 250°C, o addirittura a 220°C per alcuni tipi di nylon. I filamenti di nylon sono una buona alternativa al policarbonato perché sono più facili da stampare, hanno una durata migliore e sono quindi ideali per la stampa di parti che richiedono una certa resistenza. 

Crediti: Sharebot

Per quanto riguarda l’uso del nylon in polvere per i processi additivi, il PA12 è il più diffuso nel settore. Offre proprietà meccaniche e termiche molto elevate (elevata rigidità, estrema solidità anche a temperature molto basse, resistenza alle sollecitazioni, ecc). Rispetto ai filamenti, assorbe poca umidità ed è anche molto facile da lavorare dopo la stampa (verniciatura, tintura, ecc.). Il PA11 condivide le caratteristiche del PA12 ma con alcune differenze: il PA11 ha una migliore stabilità termica, una maggiore resistenza alla luce e ai raggi UV e una buona elasticità. Le parti stampate in 3D con questa poliammide hanno anche una durata maggiore, il che la rende un materiale ideale per la produzione di parti per uso finale o prototipi funzionali con importanti proprietà meccaniche. Il PA11 assorbe maggiore umidità rispetto al PA12.

Pezzo creato in PA12. (Credit: Sculpteo)

Applicazioni

Come già detto, le principali caratteristiche del nylon sono la flessibilità e la resistenza. Di fatti, come materiale per la produzione additiva, trova applicazione in settori come quello automobilistico, grazie alle sue proprietà di resistenza meccanica, all’attrito e alla deformazione. Il nylon viene inoltre utilizzato per stampare utensili resistenti, per la produzione di ingranaggi, cerniere o anche per sostituire alcune plastiche utilizzate nei processi di stampaggio a iniezione. È anche un materiale biocompatibile: può essere utilizzato per produrre parti a contatto con la pelle, il che lo rende un materiale interessante per il settore medico, soprattutto per la produzione di dispositivi protesici. Infine, trattandosi di un materiale non abrasivo è ideale per superfici ergonomiche di oggetti e parti di interni molto utilizzate che tendono a rovinarsi, poiché è facilmente verniciabile o colorabile.

Produttori e prezzi

Tra i principali produttori di filamenti di nylon, troviamo Taulman3D, XStrand, Neofil3D, Volumic, Polymaker e produttori di macchine come Zortrax, UltiMaker o Markforged.  Si noti che il nylon può essere rinforzato con fibra di carbonio o fibra di vetro, per ottenere un materiale composito più performante. Per quanto riguarda il prezzo, per una bobina classica (500 grammi, diametro 1,75 mm) occorrono tra i 25 € e i 40 € a seconda della marca; se si sceglie un materiale composito, il prezzo può salire rapidamente intorno ai 60-70 €. Per quanto riguarda il nylon in polvere, il gruppo chimico francese Arkema è senza dubbio il più grande produttore di polvere di PA11, commercializzato con il nome di Rilsan PA11, sin dagli anni ’50. L’azienda tedesca BASF, che produce anche PA6 e PA6.6, si è unita alla corsa con il suo marchio Ultrasint, compatibile con le macchine HP Multi Jet Fusion e con alcuni modelli di stampanti SLS. 

Per il PA12, i produttori sono Arkema ed Evonik, mentre EOS, 3D Systems o Farsoon offrono le loro polveri sviluppate in collaborazione con aziende chimiche. Da notare che esistono anche polveri di poliammide caricate con fibre di carbonio, kevlar o anche perle di vetro. Un esempio è HP 3D High Reusability PA 12 Glass Beads che, come suggerisce il nome, è una termoplastica riempita con il 40% di perle di vetro ed è caratterizzata da un’elevata riutilizzabilità. HP, dal canto suo, produce anche polveri PA11 e 12 per le sue macchine MJF. Il prezzo per un kg di PA11 o PA12, standard o rinforzato, può andare dai 100 ai 200€, in base alla composizione. 

Crediti: HP

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Crediti foto di copertina: Fathom