Filamenti solubili per il supporto

Una delle principali limitazioni della stampa 3D FFF rispetto ad altre tecnologie di produzione additiva è la necessità che l'area stampata di ogni strato sia supportata da uno strato stampato precedente. Ciò comporta che ogni parte del pezzo con un volo superiore a 45 ° o qualsiasi ponte con una lunghezza superiore a 10 mm richieda strutture di supporto.

In quelle stampanti 3D FFF a singola estrusione, l'unica opzione per generare strutture di supporto è utilizzare lo stesso materiale di stampa del pezzo. Questi supporti devono essere rimossi meccanicamente una volta completata la stampa, e per facilitare questa operazione si utilizzano diverse strategie come la fabbricazione di questi supporti con strutture a bassa densità e lasciare uno strato di separazione tra il supporto e il pezzo. Grazie a ciò, i supporti possono essere rimossi manualmente senza dover utilizzare strumenti, anche se le superfici a contatto con i supporti solitamente presentano una finitura scadente.

Immagine 1: Supporti su pezzi stampati in 3D. Fonte: 3DHubs

Nelle stampanti 3D FFF con estrusori duali, le opzioni aumentano, poiché non è necessario utilizzare lo stesso materiale per il pezzo e per i supporti. Questo apre la porta a utilizzare materiali solubili in solventi che non dissolvono il materiale del pezzo. Grazie a questo è possibile utilizzare supporti densi a contatto con il pezzo che garantiscono un'eccellente finitura sulla superficie di contatto.

Immagine 2: Estrusore duale di Raise3D Pro2. Fonte: Raise3D

Esistono molti filamenti di supporto solubili disponibili, tuttavia non sono tutti uguali e non hanno la stessa compatibilità. Quando si seleziona un materiale solubile di supporto, è importante tenere in considerazione una serie di caratteristiche che garantiscono la compatibilità con il materiale di stampa utilizzato. Queste caratteristiche sono:

• Deve poter sciogliersi in un solvente che non danneggi o comprometta le proprietà del materiale utilizzato nel pezzo.

• Deve essere termicamente compatibile con il filamento del pezzo, quindi deve avere temperature di stampa e di base simili, oltre a temperature di rammollimento vicine.

• Deve presentare buona aderenza con il materiale utilizzato nel pezzo.

• Deve essere facilmente stampabile e presentare una buona aderenza tra gli strati.

Attualmente è possibile trovare principalmente tre tipi di materiali di supporto solubili:

• Filamenti solubili in solventi organici

• Filamenti solubili in acqua mediante l'uso di un attivatore

• Filamenti solubili in acqua

FILAMENTI SOLUBILI IN SOLVENTI ORGANICI.

Si tratta di materiali con proprietà simili al materiale impiegato nel pezzo, ma che possono essere sciolti in un solvente che non attacca o dissolve il materiale a cui si accompagnano.

Attualmente non ci sono molte opzioni di questo tipo di filamenti principalmente a causa di due problemi: da un lato, i materiali con proprietà fisico-chimiche simili che li rendono compatibili tra loro, provocano anche un comportamento simile nei confronti della maggior parte dei solventi, rendendo difficile trovare un solvente adatto. Dall'altro lato, molti di questi solventi organici presentano un'elevata tossicità o non sono accessibili alla maggior parte degli utenti, oltre a richiedere un trattamento specializzato dei rifiuti.

Immagine 3: D-Limonene. Fonte: Filament2print

Il filamento di questo tipo più utilizzato è l'HIPS, le cui proprietà lo rendono compatibile con la maggior parte dei materiali a base di ABS e ASA. Oltre a presentare proprietà termiche simili, ha una buona aderenza con questi materiali. Attualmente, è uno dei materiali di supporto più utilizzati, non solo per la sua compatibilità con l'ABS, ma anche per il suo basso costo e per essere solubile in D-Limonene, un solvente organico accessibile, economico e a bassa tossicità.

FILAMENTI SOLUBILI IN ACQUA MEDIANTE L'USO DI UN ATTIVATORE.

Si tratta di polimeri basati su ATP (terpolimeri di acrilato). Questo tipo di materiali sono solubili in soluzioni alcaline. Presentano un'eccellente compatibilità con materiali a base di ABS e ASA, oltre a poter essere utilizzati con il policarbonato (anche se la compatibilità è leggermente inferiore).

Non sono direttamente solubili in acqua, poiché richiedono che questa abbia un pH alcalino, quindi è necessario l'uso di un attivatore costituito da un tampone, come il 3DWash.

Immagine 4: 3DWash. Fonte: Traxer

Sono una perfetta alternativa all'HIPS, non solo perché non richiedono l'uso di solventi organici, ma anche perché si tratta di filamenti sviluppati e additivati appositamente per essere utilizzati come materiale di supporto, quindi in generale si dissolvono più rapidamente e lasciano meno residui nel pezzo.

Video 1: Video di presentazione di PolyDissolve S2. Fonte: Polymaker

Alcuni filamenti rappresentativi sono il PolyDissolve S2 e il Z-SUPPORT ATP.

FILAMENTI SOLUBILI IN ACQUA

Uno degli obiettivi principali dei produttori è stato ottenere filamenti di supporto direttamente solubili in acqua. Questo perché, non richiedendo solventi organici o soluzioni alcaline, è l'alternativa più sicura e accessibile per la maggior parte degli utenti.

Questo è il motivo per cui questa categoria offre la più ampia varietà di materiali diversi, con opzioni compatibili con una vasta gamma di filamenti.

All'interno dei filamenti solubili in acqua si possono distinguere due tipi:

Filamenti solubili in acqua compatibili con materiali a bassa temperatura: Si tratta di filamenti basati su PVA (alcool polivinilico) o BVOH (butenediol vinile alcol). Entrambi i materiali hanno una ottima compatibilità con il PLA e possono essere utilizzati con il PA (anche se la compatibilità non è così buona). Il BVOH può essere considerato come un'evoluzione del PVA e presenta una serie di vantaggi rispetto a quest'ultimo, come una maggiore compatibilità essendo utilizzabile con il PETG o persino con alcuni filamenti flessibili e una maggiore velocità di dissoluzione in acqua fredda. Alcuni filamenti di PVA sono il LAY-PVA o il PVA Raise, mentre il Mowiflex o il Z-SUPPORT Premium sono basati su BVOH.

Video 2: Confronto tra PVA e BVOH. Fonte: BCN3D

Filamenti solubili in acqua compatibili con materiali ad alta temperatura: Si tratta dei filamenti di supporto più avanzati disponibili al momento. Sono formati da un materiale composto da un blend di un polimero idrosolubile (simile ai precedenti) e uno zucchero, generalmente trealosio, un polisaccaride rapidamente solubile in acqua e con un'elevata stabilità termica. La proporzione tra polimero e zucchero, insieme all'uso di determinati additivi specifici di ogni produttore, permette di ottenere diverse formulazioni di materiali solubili in acqua e compatibili con materiali in una vasta gamma di temperature, dal ABS al PEEK o all'ULTEM.

Immagine 5: Pezzo in PA-CF con supporti realizzati in Aquatek X1. Fonte: 3DXTech

Alcuni filamenti come Aquasys 120 o Aquatek X1 sono compatibili sia con il PLA che con ABS, ASA, PA, PETG o alcuni filamenti flessibili specifici. Inoltre, Aquasys 120 può essere utilizzato anche con PC o PP. Entrambi i materiali sopportano temperature di camera fino a 120 °C, quindi sono adatti anche per l'uso in stampanti industriali.

Un gradino sopra c'è Aquasys 180, probabilmente il materiale di supporto più avanzato e compatibile attualmente disponibile. Oltre a essere compatibile con gli stessi materiali di Aquasys 120, può essere utilizzato con PEKK, PEEK, ULTEM e PPSU grazie alla sua resistenza alle temperature di camera fino a 180 °C.

Immagine 6: Pezzo con supporti realizzati in Aquasys 180. Fonte: Infinite Material Solutions

Inoltre, il principale vantaggio di questo tipo di filamenti (la loro alta solubilità in acqua) è anche il loro principale inconveniente, poiché sono molto sensibili all'umidità ambientale. Ciò significa che è necessario conservare questo tipo di filamenti in contenitori speciali, sia durante la conservazione che durante l'uso. Man mano che assorbono umidità, la loro aderenza peggiora e aumenta il rischio di ostruzioni durante la stampa.

COME SCEGLIERE IL FILAMENTO SOLUBILE PIÙ ADATTO.

Al momento di selezionare il filamento solubile più adatto, è necessario analizzare il materiale a cui si accompagnerà.

• ABS/ASA: In generale, è consigliabile evitare l'uso di HIPS poiché comporta la manipolazione di solventi organici e genera rifiuti che non possono essere smaltiti direttamente. In questo caso, la scelta migliore sono i filamenti di ATP solubili in acqua mediante l'uso di un attivatore. Sono eccellenti in termini di compatibilità con questi materiali e hanno una bassa sensibilità all'umidità, rendendo il loro stoccaggio e utilizzo più semplice e riducendo al minimo il rischio di errori di stampa.

• PLA: I materiali che presentano una migliore compatibilità con il PLA sono quelli a base di PVA e BVOH. Tra questi, quelli a base di BVOH sono meno sensibili all'umidità, anche se in generale quelli a base di PVA sono leggermente più economici.

• PETG/PA: Anche se è possibile utilizzare PVA e BVOH come materiali di supporto per PETG e PA, la loro compatibilità non è particolarmente buona. In questo caso, la migliore opzione sono i filamenti solubili in acqua e compatibili con materiali ad alta temperatura come Aquasys 120.

• Materiali flessibili: La compatibilità tra materiali di supporto e materiali flessibili non è mai stata particolarmente buona. È possibile utilizzare BVOH o materiali come Aquasys 120 con alcuni filamenti flessibili, ma sarà necessario provare ogni filamento flessibile per verificare la compatibilità.

  • PEEK/PEKK/PEI/PPSU: In questo caso, la migliore opzione è utilizzare Aquasys 180, poiché è il materiale che garantisce una migliore compatibilità con questo tipo di materiali e ha una migliore stabilità termica a temperature elevate.

  • Se si utilizzano abitualmente supporti solubili con diversi materiali, l'opzione ideale è utilizzare un unico materiale compatibile con tutti, come Aquasys 120 o Aquatek X1, invece di avere uno diverso per ogni materiale.

  Anche se in generale si parla di filamenti solubili come un unico gruppo, in realtà sono composti da diversi materiali, ognuno con caratteristiche specifiche molto definite. Attualmente è possibile trovare filamenti solubili di alta qualità compatibili con praticamente qualsiasi materiale presente sul mercato, dal PLA al PEEK.