Tutto quello che c’è da sapere sulla fibra di carbonio per la stampa 3D

La fibra di carbonio è uno dei materiali utilizzati nella produzione additiva, in particolare, all’interno dei materiali compositi. Prodotta per la prima volta da Joseph Swan nel 1860, la fibra di carbonio è composta da una lunga catena di atomi di carbonio collegati tra loro e si presenta con una struttura filiforme in cui ogni filamento ha una forma approssimativamente cilindrica del diametro di 5-8 μm. In questa guida vedremo come e perché la fibra di carbonio viene utilizzata oggi, quali produttori offrono questo materiale e le sue applicazioni.

Proprietà della fibra di carbonio

La fibra di carbonio, come anticipato, è raramente utilizzata da sola. Di solito, viene combinata con altri materiali per formare i cosidetti materiali compositi, così chiamati in quanto sono costituiti da due o più materiali: in questo caso da un materiale di base detto “matrice” (solitamente un polimero, ma possono essere utilizzati altri materiali come la ceramica o i metalli), che viene rinforzato con fibre di carbonio. Il vantaggio principale di questi compositi è che si ottiene un materiale più resistente e allo stesso tempo più leggero. Le proprietà meccaniche dei compositi in fibra di carbonio stampati in 3D superano quelle di quasi tutte le altre materie plastiche stampate in 3D in termini di durezza e resistenza alla temperatura.

Il filamento rinforzato con fibra di carbonio utilizza fibre di carbonio corte, costituite da segmenti di lunghezza inferiore a un millimetro, che vengono mescolate con la termoplastica di base, o matrice. Esistono diversi filamenti che possono essere acquistati con rinforzo in fibra di carbonio, tra cui PLA, PETG, nylon, ABS e policarbonato. Poiché queste fibre sono estremamente resistenti, aumentano la forza e la rigidità del filamento e ne riducono il peso complessivo.

Nel corso degli anni, questo materiale è diventato popolare in molti settori, in quanto offre proprietà interessanti, come l’elevata rigidità, l’alta resistenza alla trazione, il peso ridotto, l’alta resistenza chimica, la tolleranza alle alte temperature e la bassa espansione termica. Basti pensare che la fibra di carbonio pura è cinque volte più resistente dell’acciaio e due volte più rigida, pur essendo più leggera. Come si può immaginare, queste caratteristiche rendono questo materiale adatto ad applicazioni in cui è necessario ottimizzare le prestazioni di un componente, ad esempio in settori come l’aerospaziale, l’automotive, la Difesa o l’ingegneria civile.

La fibra di carbonio è unita nel filamento per rinforzarlo (credito fotografico: Markforged)

Stampa 3D con fibra di carbonio

I parametri di stampa 3D per i filamenti rinforzati con fibre di carbonio sono quasi sempre simili a quelli del materiale di base. La differenza principale è che le fibre possono intasare l’ugello della stampante 3D, per cui si consiglia un ugello in acciaio temprato. Si noti inoltre che, al di sopra di un certo contenuto di fibre, la parte stampata in 3D presenterà una finitura superficiale non ottimale.

Nella stampa 3D, ci sono essenzialmente due modi di utilizzare la fibra di carbonio: il primo è l’aggiunta della fibra nel filamento, definito filamento rinforzato con fibra di carbonio; il secondo è la stampa diretta della fibra di carbonio nella parte, definita stampa 3D in fibra di carbonio continua. Il filamento rinforzato con fibra di carbonio è quindi più resistente di un filamento convenzionale. Tuttavia, per ottenere un pezzo ancora più resistente, è possibile utilizzare il rinforzo continuo in fibra di carbonio. In questo caso, sono necessari due ugelli: uno estrude il filamento, l’altro la fibra di carbonio. Poiché la fibra di carbonio non viene tagliata in piccoli pezzi, mantiene una maggiore resistenza. La stampa 3D in fibra di carbonio continua dà vita a materieli abbastanza resistenti da sostituire l’alluminio con la metà del peso. I produttori di stampanti 3D sostengono che questa tecnica può sostituire la stampa 3D in metallo per alcune applicazioni, con il vantaggio principale di essere più economica. Infine, posando la fibra di carbonio secondo il progetto con tecnologie di produzione additiva, è possibile aggiungere ancora più resistenza a una parte riducendo al contempo l’utilizzo di materiale.

Come la stampa 3D in fibra continua aggiunge resistenza a una parte in plastica | Crediti: Markforged

Applicazioni

I compositi in fibra di carbonio possono essere utilizzati per molte e diversi settori e, in generale, in tutti gli ambiti in cui il peso e la resistenza meccanica dell’oggetto sono determinanti, oppure in applicazioni che richiedono particolari proprietà estetiche. Tra le applicazioni principali troviamo: telai di biciclette, ali di aerei, pale di eliche, componenti automobilistici o la progettazione strutturale, in edilizia ed architettura. Negli ultimi anni, un numero crescente di aziende di stampa 3D ha proposto materiali o tecnologie per stampare compositi in fibra di carbonio. Ciò ha consentito loro applicazioni più performanti e di evitare processi di lavorazione o stampaggio, facilitando la produzione di parti personalizzate, pezzi di ricambio e prototipi funzionali.

Nel suo rapporto 3D Printing Composites 2021 – 2031, IDTechEx rivela che il mercato globale della stampa 3D di compositi raggiungerà un valore di 2 miliardi di dollari entro il 2031. Questa statistica comprende tutti i tipi di compositi, anche i materiali rinforzati con fibre di vetro, ad esempio. Tuttavia, la tendenza mostra chiaramente che l’industria della stampa 3D utilizza più ampiamente i compositi con fibra di carbonio nella produzione.

In conclusione, le parti stampate in 3D in fibra di carbonio sono molto versatili e applicabili a un gran numero di applicazioni. Sono resistenti, leggere e possono resistere a urti, sostanze chimiche e calore, ad esempio resistono alle temperature dei motori di automobili e aerei.

Il telaio della bicicletta è stato rinforzato con fibra di carbonio (foto: AREVO)

Produttori e prezzo

Alcuni attori del mercato offrono tecnologie in grado di stampare in 3D fibra di carbonio continua. Markforged la commercializza come “Continuous Filament Fabrication” (CFF), mentre Anisoprint chiama la sua tecnologia “Composite Fiber Coextrusion” (CFC). Più recentemente anche Desktop Metal si è unita alla corsa lanciando un nuovo sistema chiamato Fiber, che utilizza il Micro Automated Fiber Placement (μAFP). Inoltre, 9TLabs ha sviluppato il processo di stampa 3D Additive Fusion Technology (AFT) che, grazie al suo software dedicato, arriva a posizionare in modo ottimale le fibre di carbonio, offrendo quindi una produzione di qualità industriale.

Alcune aziende hanno sviluppato filamenti rinforzati con fibre di carbonio per applicazioni più tecniche. Questi filamenti utilizzano come materiale di base polimeri ad alte prestazioni (HPP) come il PEEK o il PEKK. Di conseguenza, offrono non solo i vantaggi degli HPP, come la durata e le elevate prestazioni meccaniche e chimiche, ma anche un migliore rapporto resistenza/peso. I parametri di stampa devono essere adattati in tal caso, poiché gli HPP necessitano estrusori che possono raggiungere circa 400°C e sistemi con camere riscaldate e piani di stampa specifici. Tra i produttori di questi materiali ci sono Roboze, 3DXTech, ColorFabb, Markforged, Kimya, Intamsys, Zortrax, ecc.

Le tecniche DfAM sono utili per rinforzare una parte con la fibra di carbonio (crediti fotografici: Anisoprint).

Allontanandosi dal processo di estrusione, una tecnologia interessante è quella brevettata da AREVO, basata sulla Direct Energy Deposition: un laser viene utilizzato per riscaldare il filamento e la fibra di carbonio allo stesso tempo, mentre un rullo li comprime insieme. Anche Impossible Objects ed EnvisionTEC hanno aggiunto alla loro gamma di macchine sistemi di stampa 3D a fibra continua. Infine, Continuous Composites utilizza una tecnologia ibrida in cui il filamento di fibra è impregnato di resina e poi polimerizzato con luce UV, simile alla stampa 3D SLA.

Conosci la stampa 3D con fibra di carbonio? Faccelo sapere sui nostri social Facebook e LinkedIn. Trovi tutti i nostri video sul nostro canale YouTube! Non dimenticare di iscriverti alla nostra Newsletter settimanale per ricevere tutte le notizie sulla stampa 3D direttamente nella casella di posta!