Conservazione dei materiali per la stampa 3D

Nota: In questa guida vengono affrontati concetti in modo generale e senza concentrarsi su un marchio o modello specifico, sebbene possano essere menzionati in alcuni momenti. Possono esserci differenze significative nelle procedure di calibrazione o regolazione tra marche e modelli diversi, quindi si consiglia di consultare il manuale del produttore prima di leggere questa guida.

La qualità finale delle parti stampate è fortemente influenzata dalla qualità della materia prima utilizzata per produrre il filamento, nonché dalla sua conservazione.

Ciò è dovuto al fatto che quanto più omogenee e costanti sono le proprietà del filamento, più uniforme sarà l'estrusione e migliore sarà la qualità superficiale della parte finale.

Riguardo alla qualità della materia prima, l'uso di resine di diversi produttori o l'aggiunta di materiale riciclato possono influenzare le proprietà termiche e reologiche del materiale. Se la miscela non è completamente uniforme, le proprietà possono variare lungo il filamento causando piccole inconsistenze nell'estrusione che si riflettono sulla parte. Ecco perché l'acquisto di filamenti di qualità da produttori riconosciuti e affidabili è spesso la migliore opzione quando si cerca la massima qualità di stampa.

Un altro fattore importante è la conservazione dei filamenti. Anche il filamento di migliore qualità può fornire una scarsa qualità o risultati inaspettati se non viene conservato correttamente. La temperatura e l'umidità possono alterare e degradare le proprietà dei materiali di stampa.

Effetto dell'umidità sui filamenti

Uno dei fattori critici nella conservazione dei materiali di stampa e quello che spesso causa più problemi è la conservazione dei filamenti in ambienti umidi.

Immagine 1: Pezzo stampato con filamento senza umidità (a sinistra) e con umidità (a destra). Fonte: all3dp.com

Tutti i materiali plastici hanno una proprietà nota come igroscopicità. Questa proprietà definisce la capacità del materiale di assorbire umidità.

In misura maggiore o minore, tutti i filamenti assorbono umidità, tuttavia le plastiche solitamente vengono classificate come igroscopiche e non igroscopiche.

Le plastiche igroscopiche presentano un'affinità elevata per l'assorbimento di umidità in percentuali elevate. Questa umidità viene assorbita a livello molecolare in tutto il materiale, persino all'interno del filamento. All'interno dei filamenti, i materiali considerati igroscopici includono:

• ABS
• ASA
• PETG
• CPE
• Nylon
• PC
• TPE
• TPU
• Tutti i loro derivati

Per garantire la massima qualità di stampa, è consigliabile asciugare periodicamente questi materiali. Alcuni come il nylon o il PC devono essere asciugati prima di ogni uso, mentre altri come l'ABS o l'ASA producono risultati accettabili anche quando sono saturi di umidità, a causa del loro basso grado di igroscopicità. Per ridurre la frequenza di essiccazione dei filamenti, è consigliabile conservarli privi di umidità in contenitori ermetici con agente essiccante.

Immagine 2: Pezzo stampato con filamento di nylon umido prima dell'essiccazione (a destra) e dopo l'essiccazione (a sinistra). Fonte: all3dp.com

In generale, questo tipo di filamenti recuperano completamente le loro proprietà dopo l'essiccazione, tuttavia ci sono alcuni casi specifici di plastica igroscopica in cui non è possibile rigenerare completamente il materiale dopo l'essiccazione. Questi materiali includono:

• PLA
• PVB
• PVA
• BVOH
• Qualsiasi filamento derivato da quelli sopra elencati o materiali di supporto solubili in acqua

La presenza di umidità in questi materiali produce un effetto noto come idrolisi. In questo processo, le molecole d'acqua rompono i gruppi estere del polimero, causando così il degrado naturale del materiale. Questo è il principio per cui, ad esempio, i supporti di PVA si sciolgono in acqua.

In questo tipo di materiali, la conservazione è critica e devono essere conservati in ogni momento al riparo dall'umidità.

Immagine 3: Contenitore Printdry per conservare i filamenti sottovuoto. Fonte: Printdry.com

Alcuni filamenti, come il PLA, hanno una velocità di idrolisi molto lenta, quindi il materiale impiega settimane a degradarsi in presenza di umidità. In questi casi, è possibile esporre la bobina all'aria durante la stampa e mantenerla asciutta solo durante la conservazione. È consigliabile asciugare periodicamente il materiale per prolungarne la durata. L'indicatore principale che un filamento PLA è degradato a causa dell'umidità è la fragilità del materiale. Un PLA degradato a causa dell'umidità sarà fragile e tenderà a rompersi facilmente. In questi casi, l'asciugatura del filamento contribuirà a ottenere una qualità di stampa accettabile, ma non recupererà le proprietà del materiale, quindi le parti ottenute saranno anche più fragili.

Immagine 4: Asciugatrice attiva Printdry pro. Fonte: Printdry.com

Nel caso dei materiali di supporto solubili in acqua, come il PVA o il BVOH, la loro velocità di idrolisi è molto elevata e il materiale può degradarsi in poche ore di esposizione. È molto consigliabile conservare questi materiali in contenitori specifici anche durante la stampa. In questo caso, l'asciugatura della bobina può essere utile se il materiale non è stato esposto a lungo all'umidità, ma se non è stato conservato correttamente, nella maggior parte dei casi sarà irrecuperabile. Un filamento di PVA o BVOH con umidità presenterà una bassa aderenza e causerà, in molti casi, otturazioni nell'hotend.

Anche se il modo migliore per conservare questo tipo di materiali è tenerli sigillati sottovuoto, la pratica comune è conservarli in contenitori ermetici con agente essiccante. Tuttavia, spesso questo viene fatto in modo inadeguato.

L'agente essiccante più usato è il gel di silice, composto da perle microporose di silicato di sodio capaci di assorbire una grande quantità di umidità. Questo agente ha una capacità limitata di assorbire umidità e una volta saturo, perde completamente la sua efficacia.

Immagine 5: Sacchetti di gel di silice. Fonte: Pixabay.com

I sacchetti essiccanti inclusi nei filamenti di solito sono praticamente sature quando acquistiamo un materiale, poiché i produttori li includono per eliminare l'umidità all'interno del sacchetto ermetico e garantire la conservazione del materiale durante la sua conservazione prima della vendita. Tuttavia, quando apriamo per la prima volta un nuovo filamento, reintroduciamo umidità nel sacchetto ermetico, quindi è consigliabile sostituire periodicamente i sacchetti di agente essiccante.

Un'opzione consigliabile è acquistare gel di silice riutilizzabile. Questo materiale cambia colore quando è saturo di umidità, indicando che deve essere sostituito. Il gel di silice saturo può essere rigenerato all'infinito per il riutilizzo riscaldandolo in forno a 180 °C per un paio d'ore.

Immagine 6: Gel di silice riutilizzabile con indicatore di umidità. Fonte: labchem-wako.fujifilm.com/

Alcuni pochi materiali di stampa 3D sono considerati non igroscopici, quindi non richiedono alcuna misura speciale di conservazione. Questi includono:

• PP
• HIPS
• PVC

Effetto della temperatura sui filamenti

La temperatura di solito non è un fattore critico nella conservazione dei filamenti di stampa 3D, tuttavia è necessario considerare un fattore che in alcune situazioni specifiche potrebbe causare problemi.

Tutti i termoplastici, siano essi amorfi o semicristallini, hanno una proprietà nota come temperatura di transizione vetrosa (Tg). Quando una plastica viene riscaldata al di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa, assume un comportamento viscoelastico, il che implica che qualsiasi deformazione del materiale diventa permanente.

In generale, tutti i filamenti hanno Tg molto al di sopra delle temperature di conservazione usuali, tuttavia il problema potrebbe sorgere quando si asciuga un filamento utilizzando il calore. È molto importante non superare la Tg per tempi prolungati, poiché potrebbe causare variazioni nel diametro del filamento o, in casi estremi, fare sì che frammenti di filamento si fondono tra loro. Pertanto, non si deve asciugare il filamento utilizzando forni da cucina, che non sono in grado di controllare in modo adeguato la temperatura.

D'altra parte, i filamenti di PLA, e soprattutto quelli di migliore qualità, presentano Tg molto basse, comprese tra 45 °C e 55 °C. Ciò fa sì che sia possibile superare questa temperatura in determinate situazioni comuni, come l'interno di un veicolo in estate.

È molto importante proteggere i materiali di stampa 3D dall'umidità per ottenere una buona qualità finale delle parti. Alcuni materiali come il nylon o il PETG possono essere facilmente asciugati per rigenerare le loro proprietà, mentre altri come il PLA o il PVA si degradano in presenza di umidità alterando permanentemente le loro proprietà. Quando si asciugano i filamenti con calore, è molto importante utilizzare attrezzature specializzate in grado di controllare con precisione la temperatura per evitare di produrre deformazioni nel filamento che potrebbero influire sulla stampa.

Per garantire una qualità di stampa ottimale e massimizzare la conservazione del materiale, è essenziale conservarlo in condizioni appropriate di temperatura e umidità.