Caratteristiche e linee guida per la produzione dei filamenti metallici Filamet™

The Virtual Foundry è un'azienda americana che, dopo anni di ricerca, è riuscita a sviluppare la gamma di filamenti metallici Filamet™. Questi filamenti, attraverso un post-processo basato sulla sinterizzazione, consentono di ottenere pezzi completamente metallici.

In questo modo, The Virtual Foundry si è affermata come pioniera e principale punto di riferimento nella stampa 3D FDM metallica.

Cosa sono i filamenti Filamet™?

I filamenti Filamet™ sono composti da un metallo base e un polimero biodegradabile ed ecologico (PLA). Questi filamenti includono nella loro composizione alte percentuali di particelle metalliche. Tuttavia, utilizzando il PLA come legante, sono materiali estremamente facili da stampare, poiché le loro proprietà di stampa sono simili a quelle del PLA, consentendo a qualsiasi utente di una stampante 3D FDM di creare pezzi con questi filamenti.

Video 1: Che cos'è Filamet?. Fonte: The Virtual Foundry.

La maggior parte dei filamenti metallici sul mercato contiene una percentuale minima di particelle metalliche, intorno al 30%; per questo di solito sono sviluppati solo per scopi decorativi. Tuttavia, i pezzi stampati con i filamenti Filamet™, una volta sinterizzati, acquisiscono le proprietà del metallo base corrispondente.

Un esempio è il filamento Filamet™ di rame: un pezzo stampato con Filamet™ di rame non avrà proprietà conduttive fino a quando non sarà sottoposto al processo di sinterizzazione.

Immagine 1: Coni realizzati con Filamet™ in acciaio ad alto tenore di carbonio non sinterizzato e sinterizzato. Fonte: The Virtual Foundry.

Il risultato dopo la sinterizzazione della parte stampata in 3D sarà una parte completamente metallica, qualcosa di impensabile fino ad ora nella stampa 3D FDM. Con Filamet™ si ottengono proprietà simili a quelle possibili con la tecnologia DMLS ma con alcune limitazioni.

A causa della necessità di sinterizzare le parti stampate con questo filamento, in cui il PLA viene eliminato, le parti presentano:

• Una certa porosità
• Perdita di volume
• Non isotropia

Video 2: Densità dei filamenti Filamet. Fonte: The Virtual Foundry.

Attualmente, Filamet™ offre i seguenti filamenti:

• Acciaio inossidabile 316 L - 80% di particelle metalliche + 20% PLA
• Bronzo - 80% di particelle metalliche + 20% PLA
• Rame - 90% di particelle metalliche + 10% PLA
• Alluminio 6061 - 65% di particelle metalliche + 35% PLA
• Acciaio ad alto tenore di carbonio - 75% di particelle metalliche + 25% PLA
• Tungsteno - 95% di particelle metalliche + 5% PLA

Caratteristiche di Filamet™

La densità dei filamenti Filamet™ è molto maggiore rispetto a quella del normale PLA, a causa dell'alta concentrazione di particelle metalliche e della densità del metallo corrispondente.

Per stampare con i filamenti Filamet™, si consiglia di utilizzare una nozzle in acciaio temprato a causa dell'elevata percentuale di particelle metalliche contenute nei filamenti. Inoltre, a seconda del materiale, è necessario utilizzare una nozzle con un diametro di almeno 0,6 mm per evitare ostruzioni. Ad eccezione del filamento Filamet™ di tungsteno, che consente l'utilizzo di una nozzle fino a 0,3 mm di diametro di uscita, e del filamento Filamet™ di acciaio ad alto tenore di carbonio, che richiede l'utilizzo di una nozzle di almeno 0,8 mm di diametro di uscita.

Immagine 2: Usura della nozzle in ottone rispetto a quella in acciaio temprato. Fonte: E3D.

Un'altra conseguenza del carico elevato di particelle metalliche in questi filamenti è una maggiore fragilità del filamento prima della fusione, poiché hanno percentuali molto piccole di polimero legante nella loro composizione. Tuttavia, grazie alla continua ricerca e sviluppo condotti da The Virtual Foundry, questa fragilità è sempre minore nei loro filamenti; come si può vedere nel seguente video:

Video 3: Fragilità dei filamenti Filamet. Fonte: The Virtual Foundry.

Nel processo di stampa dei filamenti Filamet™, è molto importante che il filamento sia il più dritto possibile prima di entrare nell'estrusore, ma questi filamenti presentano una certa curvatura a causa dell'avvolgimento. Per risolvere il problema, The Virtual Foundry dispone di Filawarmer, un dispositivo composto da un cilindro che riscalda il filamento e un controllore di temperatura.

Immagine 3: Filawarmer posizionato all'interno di un bobina di filamento. Fonte: The Virtual Foundry.

Questo dispositivo deve essere posizionato verticalmente all'interno della bobina, con l'ingresso il più vicino possibile alla bobina del filamento e l'uscita allineata con l'apertura di ingresso dell'estrusore. The Virtual Foundry consiglia di appendere il cilindro riscaldante per permettere alla bobina di girare liberamente.

Video 4: Filawarmer. Fonte: The Virtual Foundry.

Man mano che il materiale passa attraverso il cilindro riscaldante, perde la sua curvatura e aumenta la sua flessibilità; riducendo la resistenza alla trazione per evitare la rottura e facilitare la stampa.

Quando si stampa con i filamenti Filamet™, è importante considerare la loro ottima adesione alla base. È così forte che si consiglia di utilizzare del Blue Tape per evitare di danneggiare la superficie di stampa durante la rimozione delle parti stampate.

Sinterizzazione di Filamet™

Dopo aver rimosso i pezzi dalla superficie di stampa, è necessario sinterizzare le parti per ottenere una componente completamente metallica. Attraverso questo processo, viene eliminato il PLA che fa parte del filamento. Fino a quando questo processo non viene completato, le parti non avranno le proprietà del metallo di base che compone il filamento utilizzato.

Video 5: Domande frequenti su Filamet™. Fonte: The Virtual Foundry.

La sinterizzazione è un processo di produzione di componenti solide a partire da un oggetto formato da polvere metallica compattata, al quale viene applicato un trattamento termico a una temperatura inferiore a quella di fusione, ma sufficientemente elevata per legare le particelle metalliche in modo resistente, ottenendo così un blocco completamente solido.

La sinterizzazione può essere eseguita in un forno ad ambiente aperto, vuoto o inerte. Nel nostro articolo Come ottenere componenti completamente metalliche con la stampa FDM, puoi trovare ulteriori informazioni sulla sinterizzazione e sui diversi tipi di forni che possono essere utilizzati per questo processo.

Se non si dispone di un forno che soddisfi i requisiti per sinterizzare le parti stampate in 3D con i filamenti Filamet™, è possibile contattarci e ti informeremo sulla fattibilità e sulle condizioni della sinterizzazione presso le nostre strutture.

Post-processing di Filamet™

Dopo che il pezzo stampato con il filamento Filamet™ è stato sinterizzato, può essere sottoposto a post-processo mediante levigatura e lucidatura delle superfici, proprio come si farebbe con un pezzo metallico. Si consiglia di utilizzare carta vetrata bagnata per ridurre le linee di stampa e altre piccole deformazioni, passando progressivamente a una carta vetrata con grana più fine.
Infine, è possibile utilizzare un utensile rotante con un disco lucidante e applicare una pasta per ottenere la lucentezza desiderata. A seconda del metallo di base del filamento, i pezzi ottenuti dalla sinterizzazione possono essere intagliati, levigati con l'applicazione di calore e persino saldati.

I filamenti Filamet™ di The Virtual Foundry consentono, per la prima volta, di produrre pezzi completamente metallici tramite stampa 3D FDM, richiedendo un post-processo relativamente semplice per tali pezzi.

Questo rappresenta un importante e utile avanzamento per diversi settori industriali: produttori di stampanti 3D, innovazione biomedica, sviluppo di motori a reazione, schermatura dalla radiazione, esplorazione spaziale, energia nucleare, odontoiatria, artisti o design della moda.