Umidità: il grande nemico dei filamenti per la stampa 3D

L'umidità è l'acqua che permea un corpo o il vapore presente nell'atmosfera. Per tutti gli esseri viventi l'acqua è la cosa più necessaria per la sussistenza, anche più del cibo, ma per gli esseri non viventi l'umidità è spesso fonte di problemi, in quanto causa l'ossidazione e la degradazione di molti materiali. Nel caso della stampa 3D, più precisamente nei filamenti, un'eccessiva concentrazione di umidità può causare una lunga serie di problemi, tutti con lo stesso fine: una stampa 3D fallita.

Gli effetti dell'attrazione dell'acqua possono causare i seguenti problemi: maggiore fragilità, aumento del diametro (possibili problemi con le stampanti a estrusione di tipo Bowden), degradazione del filamento, rottura del filamento, ecc. È inoltre necessario tenere conto del fatto che i filamenti che hanno assorbito acqua avranno una temperatura più elevata per l'estrusione. Ricordate di non inserire il filamento nella stampante se non avete intenzione di stampare. Possono bloccarsi nell'estrusore perché ingrassano e aumentano di diametro quando assorbono acqua.

La mappa estratta di seguito mostra l'umidità relativa media annua (rapporto percentuale tra la quantità effettiva di vapore acqueo presente nell'aria e quella che dovrebbe contenere per diventare satura alla stessa temperatura), un valore ottenuto dall'umidità media registrata nei dodici mesi dell'anno. L'umidità relativa è molto diversa a seconda del luogo in cui ci si trova in Europa, essendo più pronunciata nella parte settentrionale del continente.

Immagine 1: Mappa dell'umidità relativa in Europa. Fonte: NeoGAF

 Le principali conseguenze dell'umidità in un filamento sono:

• Degradazione dei filamenti: i filamenti igroscopici sono inclini ad assorbire acqua in larga misura, poiché le molecole d'acqua si legano alle molecole di polimero, formando forti legami intermolecolari. Questi legami possono portare a microfratture interne che indeboliscono la struttura stessa del filamento.
• Intasamento dell'estrusore / HotEnd: l'umidità dell'acqua concentrata nel filamento evapora quando viene riscaldata nell'HotEnd, provocando dei fori all'interno del filamento e trasformandolo in una pasta che intasa il cilindro (Heat Break) o l'ugello (nozzle). Questo problema è molto comune quando si utilizzano filamenti di nylon con un elevato contenuto di umidità (>20%).
• Stampe 3D di bassa qualità (resistenza e finitura): L'unione di quanto sopra risulta in stampe 3D con molti problemi, sia a livello meccanico che di finitura superficiale. Gli spazi vuoti tra gli strati (non sempre visibili a occhio nudo) causati dall'evaporazione dell'acqua sono punti critici, in cui si generano facilmente fessure quando si applicano bassi valori di forza. Quando la concentrazione di umidità è elevata, i vuoti di cui sopra causano una finitura superficiale ruvida e biancastra.

Figura 2: Problemi causati dall'umidità. Fonte: StampaAsciutto

Grazie all'evoluzione del mondo della stampa 3D, esistono filamenti con un'elevata resistenza all'umidità, come il PETG  o il CPE HG100, copoliesteri che possono essere esposti all'acqua per lunghi periodi di tempo senza problemi. Tra gli altri filamenti ne troviamo alcuni con una resistenza moderata, come il PLA o l' ABS, e altri, in particolare i nylon e il PVA, altamente inclini all'assorbimento dell'umidità, che raggiungono valori elevati in meno di un giorno.

Alcuni utenti di stampanti 3Dtampanti 3D utilizzano metodi convenzionali per rimuovere l'umidità dal filamento e conservarlo, come l'asciugatura del materiale in un forno domestico e la conservazione del filamento in scatole con una chiusura non completamente ermetica. Queste misure, oltre a essere pericolose nel caso di un forno domestico, non sono del tutto efficaci, soprattutto nel caso di materiali tecnici e avanzati. Di seguito sono riportati alcuni consigli professionali su come rimuovere l'umidità e su come conservare i filamenti per evitarne l'assorbimento:

Essiccatore di filamenti

Il modo più efficace per rimuovere l'umidità contenuta in un materiale è quello di utilizzare un essiccatore per filamenti, come il  PrintDry un dispositivo in grado di rompere i legami intermolecolari tra acqua e polimero grazie alla sua temperatura di essiccazione (35-70 ºC) e al flusso d'aria naturale al suo interno, che trasporta l'umidità dalla superficie del filamento all'aria circostante. Il valore ideale di umidità in un filamento è compreso tra il 10-13%.

 Immagazzinamento

Sia all'inizio dell'utilizzo di una nuova bobina che dopo l'asciugatura di un filamento, la corretta conservazione è essenziale per mantenere la percentuale minima di umidità. Per i materiali convenzionali (PLA o ABS) e per brevi intervalli di conservazione (< 2 mesi), è sufficiente l'uso di un sacchetto di presa. In caso di tempi di stoccaggio più lunghi o di materiali tecnici e avanzati, questa misura non è sufficiente. La soluzione ideale è utilizzare le confezioni di filamento ermetiche sigillate sottovuoto PrintDry. Si tratta di contenitori in plastica ad alta resistenza in cui ogni utente può conservare in modo sicuro il proprio filamento senza preoccuparsi che si inumidisca. Il potenziale di questi contenitori risiede nel coperchio, che ospita una valvola per il vuoto, attraverso la quale, con l'aiuto di una pompa manuale (inclusa nei contenitori), viene estratta l'aria all'interno del contenitore, garantendo una conservazione priva di polvere e umidità. In questo modo, è possibile garantire le corrette condizioni del filamento, anche se sono passati diversi mesi da quando la bobina è stata rimossa dal suo sigillo originale di fabbrica. Inoltre, bisogna tenere conto del fatto che l'umidità relativa dell'area in cui viene conservato il materiale ha un grande effetto, e dovrebbe essere la più bassa possibile senza danneggiare la salute dell'utente (un buon valore sarebbe intorno al 40%).

 Durata del filamento

La durata di un filamento di qualità, a partire dalla sua produzione, è di 2-3 anni, a condizione che sia nel suo sigillo e sottovuoto originale. Una volta aperto il sacchetto originale, il tempo necessario per perdere le proprietà meccaniche e cromatiche dipende dal tipo di materiale e dalla conservazione. Un PLA o un ABS conservato nel modo sopra descritto può mantenere le sue proprietà per più di 1 anno, ma altrimenti durerà un decimo del tempo. Nei materiali più delicati, come il nylon e il PVA , la perdita totale di vita può essere di pochi giorni.

È quindi chiaro che mantenere i filamenti a bassi valori di umidità (10-13%) è un fattore chiave da tenere sempre presente, per evitare problemi prima, durante e dopo  la stampa 3D.

Per ottenere la massima affidabilità di stampa, è fondamentale tenere sotto controllo il maggior numero possibile di variabili, e l'umidità è una di queste per garantire la massima robustezza del processo di stampa.