Quali sono i compositi utilizzati nella produzione additiva?

Negli ultimi anni, la stampa 3D di compositi è diventata sempre più diffusa. Questi materiali sono oggi utilizzati da molti attori della produzione additiva e alcuni studi stimano che il mercato della stampa 3D di compositi raggiungerà 1,73 miliardi di dollari entro il 2030. Logicamente, quando si parla di stampa 3D in composito, si pensa alle stampanti per compositi, ma anche ai materiali compositi, che sono il cuore di questo processo. I materiali compositi sono costituiti da almeno due componenti e hanno proprietà speciali, che li rendono particolarmente adatti a vari settori esigenti che utilizzano la stampa 3D.

Nella maggior parte dei casi, per produrre questi materiali è necessario unire una plastica, che chiameremo matrice, con delle fibre. Oggi esistono diversi tipi di fibre, ma tre sono principalmente utilizzate per la stampa 3D: la fibra di carbonio, che è probabilmente la più utilizzata, la fibra di vetro e il PPD-T, noto anche come Kevlar. A seconda dei requisiti, si possono utilizzare fibre corte o lunghe. Le fibre corte sono integrate nell’intera matrice e rinforzano l’intero pezzo; questo tipo di materiale è compatibile con un’ampia gamma di stampanti 3D. Le fibre lunghe vengono inserite durante il processo di stampa e non vengono tagliate in piccoli pezzi, consentendo il rinforzo solo dove è necessario. Al momento sono compatibili solo con alcune macchine.

Stampa 3D di un materiale composito (foto: SABIC)

Materiali rinforzati con fibra di carbonio

Come già accennato, i rinforzi in fibra di carbonio sono comunemente utilizzati nella produzione additiva di materiali compositi. Nata nel 1860 ad opera del chimico Joseph Swan, la fibra di carbonio è composta da atomi di carbonio interconnessi che formano una struttura cristallina allineata in fili, garantendo una notevole stabilità sotto tensione. Riconosciuta per il suo eccezionale rapporto resistenza-peso (due volte superiore a quello dell’alluminio), ha un valore significativo nella realizzazione di parti finali leggere ma robuste. Inoltre, i materiali infusi con fibra di carbonio presentano un’elevata rigidità, una robusta resistenza alla trazione e un’efficace resistenza chimica.

Tuttavia, l’impiego di fibre di carbonio nella stampa 3D richiede considerazioni specifiche. Ad esempio, l’utilizzo di un ugello di stampa in acciaio temprato è fondamentale per garantire la produzione di parti di alta qualità. Linee guida simili si applicano al materiale della matrice integrato con il rinforzo in fibra di carbonio. Varie matrici come PLA, PETG, nylon, ABS o policarbonato possono diventare più resistenti e leggere con l’aggiunta di fibre di carbonio. Queste fibre non solo possono essere unite a materiali termoplastici, ma possono anche essere miscelate con altri materiali come la ceramica, facilitando la creazione di nuove applicazioni. Industrie come quella aerospaziale, automobilistica ed edile traggono vantaggio dai compositi a base di fibre di carbonio, sfruttando le loro proprietà uniche.

Foto: Anisoprint

Materiali compositi rinforzati con fibra di vetro

Introdotto nel 1930, il materiale in fibra di vetro serve come rinforzo per numerosi polimeri termoplastici. Se applicato al materiale di base appropriato, può produrre parti dieci volte più resistenti dell’ABS. I compositi in fibra di vetro presentano una minore rigidità e fragilità rispetto alla fibra di carbonio. Queste caratteristiche, insieme all’economicità, contraddistinguono i compositi in fibra di vetro. Le fibre di vetro vantano notevoli proprietà meccaniche, fungono da efficaci isolanti elettrici e presentano una bassa conducibilità termica. Il materiale è disponibile in vari colori e vanta un basso ritiro, riducendo al minimo il rischio di deformazioni. Come le fibre di carbonio, il filamento rinforzato con fibre di vetro è abrasivo e richiede l’uso di un ugello adatto a questi materiali.

I filamenti di stampa 3D rinforzati con fibre di vetro si rivelano preziosi per i prototipi di ingegneria e per le parti destinate all’uso finale che richiedono una robusta resistenza meccanica e termica. Dall’edilizia alle applicazioni marine e sportive, questo materiale composito è stato ampiamente accettato. Tra i casi degni di nota, Moi Composites, in collaborazione con Autodesk, Catmarine, Micad e Owens Corning, ha creato l’imbarcazione MAMBO con la stampa 3D in fibra di vetro. Inoltre, l’azienda olandese MX3D ha utilizzato questo materiale per stampare in 3D un ponte rinforzato.

Prototipo di un ponte stampato in fibra di vetro (foto: CEAM)

Materiali rinforzati in Kevlar

Il kevlar, un marchio di proprietà di DuPont de Nemours introdotto nel 1971, è stato ideato da Stephanie Kwolek. Classificato nella categoria delle fibre aramidiche, è uno dei materiali più resistenti. Questo materiale è ottenuto attraverso la polimerizzazione, un processo di collegamento di lunghe catene di molecole. Le fibre di Kevlar sono meticolosamente disposte in file parallele, il che contribuisce alle loro proprietà di robustezza. Come altre fibre, il kevlar viene spesso combinato con diverse materie plastiche per la creazione di compositi. Dimostrando caratteristiche meccaniche lodevoli in termini di resistenza alla trazione e alla fatica, il kevlar viene impiegato principalmente per la realizzazione di componenti che sopportano vibrazioni intense e richiedono resistenza all’abrasione. In particolare, supera l’acciaio con un rapporto resistenza/peso cinque volte superiore e un’eccezionale resistenza al calore fino a 400°C.

Il kevlar vanta anche caratteristiche come la bassa densità, la versatilità delle applicazioni e una struttura molecolare uniforme che facilita la stampa 3D di parti eccezionalmente lucide e di alto calibro. Numerosi settori industriali adottano la produzione additiva con il Kevlar. In particolare, il settore automobilistico trova valore nella sua applicazione per la produzione di un’ampia gamma di componenti. Un esempio interessante è quello della statunitense Aptera Motors, che ha utilizzato questo materiale composito per stampare in 3D un componente di automobile, evidenziando il potenziale dei materiali rinforzati nella produzione.

Stampa 3D di un materiale composito in Kevlar (credito fotografico: Markforged)

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*Crediti foto copertina: Anisoprint