Verniciatura vs tintura: che tecnica di colorazione scegliere per la stampa 3D?

Nel campo della produzione additiva è possibile trovare un’ampia varietà di tecnologie. Alcune di esse sono in grado di stampare direttamente parti a colori in 3D. Al contrario, la maggior parte di esse tende a creare parti in un colore standard e poi ad applicare il tocco di colore nella fase di post-elaborazione. In effetti, in molti settori e applicazioni, come l’industria dei beni di consumo, avere parti colorate può essere una caratteristica essenziale dei prodotti finali. Pertanto, l’implementazione di tecniche di post-elaborazione in grado di applicare il colore ai modelli appena stampati può facilitare notevolmente i processi di produzione. Due dei metodi più utilizzati nella stampa 3D sono la verniciatura e la tintura.

Anche se a prima vista possono sembrare molto simili, la verità è che, a seconda della tecnologia di produzione additiva utilizzata, dei materiali e degli usi finali, sarà più opportuno ricorrere all’una o all’altra. Vale la pena ricordare che esistono alcune tecnologie di stampa 3D che consentono di creare parti multicolore direttamente nel processo di produzione. Questi metodi includono il material jetting (iniezione di materiale sotto forma di resina), il binder jetting (iniezione di legante colorato) e la multiestrusione di filamento (stampanti con due teste che si scambiano i materiali). Per tutte le altre tecnologie polimeriche, saranno necessari ulteriori passaggi per applicare il colore ai pezzi finali. Per capire meglio le differenze tra tintura e verniciatura, ecco un confronto tra i due processi, con particolare attenzione ai materiali polimerici. Da non perdere!

I due processi a confronto

Verniciatura

Per verniciatura si intende la colorazione di parti tramite l’applicazione di vernici acriliche o smalti. A seconda dell’applicazione finale della parte da verniciare si opterà per una verniciatura manuale o automatizzata. In ogni caso il processo prevede vari step, che subentrano nell’ultima fase di post-processing: applicazione di un primer per preparare la superficie, del base coat (colore) e infine del clear coat (smalto trasparente) per proteggere il pezzo finito. Per quanto riguarda il processo manuale, sebbene sia possibile la verniciatura con pennelli, la più diffusa, anche a livello professionale, è la verniciatura spray poiché consente una colorazione più uniforme.

La preparazione del pezzo è fondamentale prima di ogni operazione di colorazione. Ovviamente questa dipenderà molto dalla tecnologia, dai materiali utilizzati e dall’applicazione finale del pezzo, che potrà richiedere operazioni di finitura superficiale manuali o più professionali. Ad esempio, per la stampa 3D SLA, dopo la rimozione delle strutture di supporto, sarà necessaria la levigazione dei segni lasciati dai supporti prima di applicare il primer. Per le stampanti FDM, quando si verniciano stampe 3D in PLA o ABS con elevato spessore degli strati, può essere necessario levigare l’intero modello prima della verniciatura, in modo che le linee degli strati non siano più visibili.

Una volta completata la post-elaborazione, rimossi i supporti, l’eventuale colla o polvere dal modello e levigata la superficie, bisognerà fissare il pezzo per la verniciatura, sia essa manuale o automatizzata. Il primo step sarà l’aggiunta di un primo strato di primer, dopodiché bisognerà ricontrollare la superficie per individuare ulteriori eventuali imperfezioni e, nel caso, rimuoverli. Si applica quindi un altro strato di primer e, dopo il tempo di asciugatura specificato dal produttore, la superficie della parte sarà pronta per essere verniciata. Si applica il primo strato di colore e, se necessario, è possibile applicare più strati per ottenere un colore uniforme e più intenso. Infine, è consigliabile anche una lucidatura finale con uno strato di smalto trasparente. Per applicare primer e colore è possibile usare lo strumento che si preferisce. I più consigliati sono gli aerografi e le bombolette spray. É anche possibile aggiungere dettagli o disegnare sui pezzi con dei comuni pennelli. Se si utilizzano sistemi automatizzati di solito il principio è o stesso, ma l’uomo viene sostituito da robot, dosatori e le pistole a spruzzo automatiche che operano in una camera controllata.

È importante usare le giuste protezioni durante la verniciatura. (Crediti: Formlabs)

Per quanto riguarda il tempo finale di asciugatura del pezzo colorato, a seconda degli strumenti utilizzati, può essere necessaria anche una settimana affinché il colore sia ben fissato sulla superficie del pezzo. Durante tutte le operazioni di verniciatura è importante utilizzare delle protezioni, come guanti e mascherina per proteggersi dalle inalazioni dei gas delle vernici. Chiaramente con i sistemi automatizzati questo problema viene annullato. Infine, i tipi di vernici e quindi di finish possono essere diversi a seconda del risultato finale desiderato. Esistono vernici semi-opache, semi-lucide e anche metalliche per dare, ad esempio, un effetto dorato o argentato.

Tintura

La tintura è un processo che avviene per impregnazione: il pezzo viene immerso in una soluzione liquida colorante a una temperatura elevata per un determinato tempo. La durata di immersione determinerà l’intensità del colore. Il componente assorbe quindi il colore nei primi strati superficiali. Come nel caso della verniciatura, anche per la tintura la preparazione del pezzo è un primo step fondamentale. Sarà quindi necessario pulire il pezzo, rimuovere supporti, polvere o il materiale in eccesso, e terminare i dovuti passaggi di finitura superficiale prima di iniziare con la colorazione. La tintura è un processo realizzabile sia manualmente che con macchine specificamente pensate per questa funzione, l’ultima opzione è quella più diffusa in ambito industriale.

Per quanto riguarda la tipologia di tinta utilizzata ne esistono di ogni colore in commercio, ed è possibile anche applicare una tinta UV resistente, così chiamata perché ha in più la caratteristica di resistere all’esposizione diretta dei raggi solari senza perdere l’intensità del colore. Altra differenza fondamentale tra i due metodi è infatti che la tintura è un metodo di colorazione più duraturo, resistente all’usura e allo sbiadimento nel tempo.

Crediti: HP

Se si opta per un processo di tintura manuale, bisognerà innanzitutto preparare la soluzione unendo colorante e acqua (seguendo le istruzioni dei produttori). Il quantitativo di acqua deve essere sufficiente per coprire completamente la stampa 3D che si vuole tingere. Sarà quindi necessario portare l’acqua ad ebollizione (anche utilizzando un bollitore o con un forno a microonde) e versarla, prestando attenzione, nel contenitore contenente il colorante. Si potrà poi afferrare il pezzo con l’aiuto delle pinze ed immergerlo nella soluzione. È importante compiere questa operazione quando l’acqua è ancora molto calda, altrimenti il colorante non verrà assorbito correttamente. Quando si è soddisfatti del colore ottenuto, si può ritirare il pezzo ancora una volta con l’aiuto delle pinzette e scuoterlo leggermente per rimuovere il colorante in eccesso. Dopo l’immersione, è necessario risciacquare accuratamente la parte per rimuovere eventuali residui di colorante; l’ultimo step sarà appoggiarlo su un foglio di carta assorbente e lasciarlo ad asciugare.

Se invece si opta per una tintura professionale, sono in commercio diverse macchine per la tintura di stampe 3D. Queste funzionano con lo stesso principio: le parti da colorare vengono inserite in un cesto rotante, dove vengono colorate, risciacquate e poi asciugate, in modo più o meno automatizzato. Questo metodo è chiaramente consigliabile per una produzione di pezzi su scala più ampia e industriale.

Tecnologie e materiali compatibili

Come accennato all’inizio, esistono tecnologie di produzione additiva che consentono di creare pezzi multicolore direttamente durante il processo. Tuttavia, per molte altre che lavorano con i polimeri, saranno necessari alcuni passaggi aggiuntivi per applicare il colore ai pezzi finali.

Per quanto riguarda la tintura, questo processo viene utilizzato soprattutto per i pezzi prodotti con tecnologie a letto di polvere di polimero come SLS, Multi Jet Fusion, HSS o SAF. Questi metodi sono compatibili con i polimeri in polvere, ad esempio nylon (PA11, PA12), polipropilene, TPU, ecc. Dopo il processo di stampa, i pezzi presentano solitamente una superficie permeabile, ideale per assorbire il colorante e mantenere il pigmento colorato. Ciò è particolarmente evidente quando si lavora con il nylon, in quanto questo materiale è caratterizzato da un’elevata permeabilità. Vale la pena ricordare che aziende come HP hanno sviluppato stampanti 3D, come la Jet Fusion 5420W, specificamente progettate per creare parti bianche che favoriscono l’adesione del colore durante il post-processing.

Anche i modelli stampati in 3D in resina, con tecnologie come SLA o DLP, possono essere tinti. Ciò richiederà l’uso di coloranti specifici adatti a queste parti e a questi materiali. Inoltre, la scelta del materiale sarà fondamentale per l’efficacia del processo di tintura. Tingendo resine trasparenti, il colore del pezzo finale sarà più traslucido e meno vibrante rispetto, ad esempio, alle resine opache, che non lasciano passare la luce. D’altra parte, esiste la possibilità di aggiungere colore prima del processo di stampa 3D della resina. A tal fine, è necessario mescolare un colorante alcolico del colore desiderato con la resina in questione. Il colorante si dissolverà con la resina, generando una soluzione in grado di creare parti uniformemente colorate simili alle resine colorate standard, ma senza la necessità di un post-processing dopo la produzione.

Due pezzi stampati in 3D in resina e colorati tramite tintura con due tinte diverse.

Per la tecnologia FDM, il processo di tintura dei pezzi sarà possibile anche prima della produzione. Come per la resina, possiamo tingere in anticipo i filamenti solidi o i pellet. Inoltre, è possibile tingere i pezzi anche a posteriori, sebbene non sia una tecnica comunemente utilizzata. Questo perché i materiali termoplastici standard, come il PLA o l’ABS, sono oggi disponibili in un’ampia gamma di colori diversi, per cui è più facile stampare direttamente i pezzi nel colore desiderato. Tuttavia, alcuni materiali più avanzati, come il nylon (PA6) o i materiali ad alte prestazioni, spesso non sono disponibili in diversi colori di base. In questo contesto, sarà più sensato utilizzare la tintura per colorare i pezzi, poiché le poliammidi sono intrinsecamente sensibili alla luce e all’ossidazione termica o chimica. Il nylon può essere tinto con coloranti resistenti ai raggi UV per applicazioni specifiche che lo richiedono.

D’altra parte, il processo di verniciatura è compatibile con quasi tutte le tecnologie di produzione additiva a base di polimeri, purché sia applicato a posteriori. Nonostante la possibilità di lavorare con molte tecnologie diverse, la scelta tra verniciatura e tintura dipenderà anche dall’applicazione finale, come vedremo di seguito.

Come già detto, l’adesione del colore e il suo mantenimento nel tempo dipendono dal materiale utilizzato. A causa della permeabilità del nylon, ad esempio, la vernice verrà assorbita più facilmente, mentre altri materiali più impermeabili saranno soggetti a un’usura più rapida. Un aspetto che differenzia la verniciatura dalla tintura è che la verniciatura non può essere effettuata prima della produzione, come nel caso della tintura, ma deve essere sempre applicata una volta che i pezzi sono stati fabbricati.

Il nylon è un materiale caratterizzato da un’elevata permeabilità (Crediti: Markforged).

Una similitudine tra i due processi è che, prima di applicare il colore ai pezzi, sarà necessario eseguire un post-processing appropriato. Come accennato nella spiegazione dei processi, questo comprende la rimozione dei supporti e la finitura delle superfici, al fine di ottenere una superficie liscia che permetta di applicare il colore senza problemi. Inoltre, un altro punto in comune è che la buona adesione del colore dipenderà ovviamente dal materiale utilizzato, ma anche dal colore di base delle parti. Ciò significa che le superfici più scure non offriranno la stessa intensità di pigmento rispetto a quelle più chiare.

Benefici e limiti

Entrambe le tecniche di colorazione hanno vantaggi e limiti. Per iniziare con la verniciatura, questa è essenzialmente una tecnica di colorazione superficiale del pezzo. Ciò vuol dire che se da una parte risulterà veloce e pratica e può dare risultati molto soddisfacenti, dall’altra non garantisce la durata nel tempo. In particolare, lo strato di colore può venire facilmente via a causa di graffi o usura della superficie, facendo intravedere il colore sottostante. Un’altra cosa da tenere in considerazione con la verniciatura è che, come anticipato, questa richiede attenzione e preparazione del prodotto perché non nasconde le imperfezioni. Ecco perché, come già detto, è particolarmente importante levigare la superficie, eliminando qualsiasi segno lasciato dai supporti o eventuali difetti di stampa. Molto utile a questo proposito è il primer che aiuta a rendere la superficie più uniforme prima di essere colorata. La copertura risulta parzialmente uniforme, anche se la porosità del materiale può essere a volte visibile. Un limite della verniciatura, a differenza della tintura, è che va a creare uno strato aggiuntivo di colore sul pezzo, anche se molto sottile, questo potrebbe andarne a modificare le dimensioni e proprietà, aspetto critico per alcuni pezzi destinati ad usi ingegneristici ad esempio. Questo non accade invece con la tintura, in cui il colore che penetra all’interno del pezzo.

Passando quindi alla tintura, questa rappresenta la miglior soluzione estetica e tecnica per prodotti realizzati tramite manifattura additiva, poiché colora il pezzo in profondità e quindi garantisce un colore più duraturo. La tintura UV resistente, inoltre, offre una protezione duratura anche dai raggi UV, evitando lo sbiadimento del colore nel tempo. Una differenza importante tra le due opzioni di colorazione è che la tintura è l’unica tecnica possibile, o comunque quella consigliabile, quando si trattano pezzi dalle geometrie complesse, con parti cave o canali che sarebbero inaccessibili via verniciatura monocolore. Non a caso questo processo è utilizzato per le parti prodotte da macchine industriali a letto di polvere (come già accennato, con tecnologie come tecnologie MJF, SLS o SAF); o con tecnologie di stampa 3D in resina.

Un limite della tintura potrebbe però essere la dimensione delle parti. Se con la verniciatura non si hanno grossi limiti, per la tintura è necessario una vasca o una macchina abbastanza ampia che contenga i pezzi e quindi non è consigliabile per pezzi eccessivamente grossi. Lo stesso vale per le macchine in commercio che possono contenere un numero limitato di pezzi da colorare e quindi con dimensioni contenute.

Un’altra differenza da considerare tra le due soluzioni di colorazione è che con la verniciatura utilizzeremo soltanto il colore necessario, mentre con la tintura sarà necessario una certa quantità di colorante per preparare la soluzione. Dopo la tintura, in alcuni casi, è comunque possibile riutilizzare la soluzione per successive operazioni. Infine, la verniciatura permette senz’altro di utilizzare più colori e di colorare il pezzo in modo selezionato, mentre nel caso della tintura un limite potrebbe essere l’uso di un solo colore per il pezzo intero.

Applicazioni

Come si può immaginare, una delle principali ragioni per cui una parte stampata in 3D viene colorata è l’aspetto estetico del pezzo. La stampa 3D, indipendentemente dalla tecnologia utilizzata, può lasciare imperfezioni superficiali, layer visibili, rugosità superficiale ecc., quindi colorare una parte, oltre a conferire il colore desiderato, insieme alle altre tecniche di post-processing aiuta senz’altro a migliorare l’estetica del pezzo e a renderne l’aspetto più curato ed omogeneo.

Crediti: Sculpteo

Questo è particolarmente importante in settori quali la moda, il design di interni o i beni di consumo in cui è richiesto un alto livello di personalizzazione, pensiamo ai packaging o ai settori eyewear e footwear.

Anche il settore medicale è uno dei principali settori in cui la colorazione delle parti è importante. Immaginiamo ad esempio protesi e dispositivi medici, creati su misura per i pazienti e che spesso vengono prodotti con un materiale bianco proprio per poterne facilitare la personalizzazione. Uno dei vantaggi della stampa 3D è proprio la capacità di customizzazione delle parti, sia dal punto di vista della forma, sia anche da un punto di vista estetico. Un’altra applicazione interessante è la realizzazione di guide chirurgiche stampate in 3D. Queste sono principalmente stampate in 3D con tecnologie multicolore e multimateriale (come il Material Jetting), ma per praticità possono essere anche realizzate con macchine desktop a resina o FDM, e poi colorate. Molto utili per allenarsi prima degli interventi, queste parti sono spesso colorate con colori diversi per distinguere vasi sanguigni, tumori o evidenziare zone difficilmente raggiungibili dai chirurghi.

In campo medicale esistono numerose applicazioni che richiedono stampe colorate.

Infine, i pezzi stampati in 3D si colorano anche per le proprietà che alcune vernici o tinte possono conferire alla parte. Abbiamo già parlato delle tinte resistenti ai raggi UV, fondamentali per garantire la maggior durata del colore e proteggere i pezzi particolarmente esposti alla luce del sole. Esistono allo tesso modo vernici resistenti al calore o all’acqua, che quindi vengono utilizzate proprio in virtù di queste loro proprietà. Alcuni dei principali settori che colorano le parti stampate in 3D per queste finalità sono ad esempio il settore automotive o quello dello sport, per interni delle auto, accessori, strumenti sportivi e in generale parti che abbiano un uso sia funzionale che estetico. Va da sé che tutte le applicazioni in settori sottoposti a standard e test specifici, in cui rientrano ad esempio il settore medicale o alimentare, necessiteranno di tinte o vernici particolarmente resistenti e rispettose delle normative in vigore, ed eventuali ulteriori trattamenti superficiali per sigillare la superficie o renderla sterile.

Produttori e prezzi

Una delle aziende più note nel settore della colorazione per la produzione additiva è DyeMansion, con la sua soluzione DM60 basata sulla tecnologia DeepDye. Compatibile con parti create con le tecnologie SLS, SAF, MJF, HSS, SLA e DLP e CLIP, questa macchina basata su cloud ha opzioni di colore illimitate da applicare. I prezzi variano a seconda della versione (per il nero o per tutti i colori) e sono disponibili su richiesta. Nel settore industriale, anche Girbau si distingue per la sua macchina DY130, appositamente progettata per le macchine EOS per la plastica o per Multi Jet Fusion di HP. L’azienda tedesca CIPRES offre invece una soluzione industriale per la tintura dei pezzi, chiamata eCOLOR.

Una differenza importante tra la tintura e la verniciatura è che per la prima esistono più soluzioni professionali sul mercato, mentre per la seconda ci sono meno opzioni per i processi industriali che consentono di automatizzare la tintura vera e propria. Alcune delle aziende più importanti per la verniciatura automatizzata dei pezzi sono Graco o Homag. Le loro soluzioni offrono una notevole riduzione dei costi di manodopera e di esercizio, riducendo del 30% gli sprechi di materiale. Inoltre, per eseguire il processo manualmente, sono necessari strumenti specifici, come pistole a spruzzo, aerosol, pennelli o altri strumenti di verniciatura simili. Il prezzo di questi strumenti può variare da 5 euro per quelli più semplici a 100 euro per quelli più professionali.

A sinistra, la soluzione DyeMansion DM60 per la tintura dei pezzi. A destra, la pistola a spruzzo Homag per la verniciatura.

Oltre all’attrezzatura, è importante considerare il costo della vernice, del colorante o del pigmento utilizzato per colorare i pezzi. Tra le principali aziende che offrono coloranti per plastica fai da te c’è Rit Dye, con un prezzo per vasetto di colorante che di solito si aggira intorno agli 8 euro (236 ml). In questo mercato è presente anche Dylon, con coloranti che costano circa 15 euro (350 g). Entrambe le aziende hanno una gamma molto ampia di colori diversi per molteplici usi. Tuttavia, le macchine più industriali si basano solitamente su un sistema di cartucce d’inchiostro, il cui prezzo è solitamente superiore a quello dei coloranti fai da te. Il prezzo varia a seconda delle dimensioni delle cartucce e del loro utilizzo (singolo o multiplo). Vale la pena ricordare che altre aziende, come Formlabs, hanno sviluppato soluzioni simili alla tintura per modificare il colore prima della produzione. Il loro “ColorKit”, al prezzo di poco più di 200 euro, consente di miscelare pigmenti di vari colori con la resina di base per stampare parti colorate con la SLA.

D’altra parte, il materiale utilizzato per eseguire la verniciatura dipenderà dal tipo di lavorazione effettuata, con pennelli, oppure a spruzzo con aerografi e bombolette spray. Le bombolette spray hanno solitamente un prezzo di circa 10 euro; tuttavia, se si utilizzano aerografi professionali (manuali o automatici), il prezzo di una bomboletta di vernice può raggiungere i 70 euro al litro. D’altra parte, le vernici liquide per l’applicazione manuale sono alla portata di tutti e i prezzi dipendono dalla marca, ma anche dal tipo di vernice (acrilica, vinilica, opaca, ecc.).

In entrambi i casi, bisogna tenere conto del costo aggiuntivo necessario per proteggere l’utente dal contatto con questi materiali, che in alcuni casi possono essere dannosi per la salute. Questa protezione comprende guanti, maschere, tute, ecc.

In conclusione, si può concludere che il processo di tintura è più costoso della verniciatura se ci si concentra sui macchinari industriali e sulle soluzioni automatizzate esistenti sul mercato. Tuttavia, quando si applica il colore ai pezzi manualmente, gli strumenti di verniciatura sono solitamente più complessi, il che si traduce in un costo associato più elevato.

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