L'importanza dell'isotropia nella stampa 3D

L'isotropia nei materiali è una caratteristica che definisce l'uniformità delle loro proprietà indipendentemente dalla direzione in cui vengono misurate.

In generale, la maggior parte dei termoplastici sono considerati materiali isotropi. A causa della loro natura e del fatto che la coesione tra le catene polimeriche che li compongono è uniforme in tutte le direzioni, anche le loro proprietà meccaniche lo sono.

Il fatto che un materiale sia isotropo non implica che tutti i pezzi realizzati con quel materiale mantengano questa caratteristica. Molte volte, il metodo di formatura o produzione può causare che un pezzo sia anisotropo o ortotropo, nonostante la sua materia prima sia isotropa.

Ad esempio, un pezzo realizzato con un termoplastico rinforzato con fibre. Nella matrice della plastica, le fibre si orientano in modo casuale e uniforme, mantenendo così l'isotropia del materiale. Tuttavia, se viene realizzato un pezzo con questo materiale utilizzando metodi di stiramento meccanico, le fibre possono riorientarsi all'interno della matrice in una direzione preferenziale, rendendo il materiale anisotropo. A volte, durante il processo di iniezione di termoplastici o durante la cura delle resine, si generano tensioni interne che possono far diminuire il grado di isotropia del materiale.

A volte questa anisotropia è una decisione di ingegneria che tiene conto dei carichi che il pezzo dovrà sopportare e cerca di migliorarne le prestazioni o ottimizzare il rapporto peso/resistenza. Questo è il caso, ad esempio, dei compositi rinforzati con fibre, in cui spesso si utilizzano reti di fibre orientate per migliorare le proprietà in una direzione specifica.

Immagine 1: Materiale isotropo e anisotropo. Fonte: Instron

Ma cosa succede quando questa anisotropia è una conseguenza non cercata, prodotta dal metodo di formatura o produzione? In questo caso, se i carichi che agiranno sul pezzo non sono uniformi e conosciamo bene come varia l'isotropia del pezzo dopo la sua fabbricazione, possiamo adattarne l'orientamento durante il processo di formatura in modo che la direzione preferenziale coincida con la direzione del carico. Questo complica notevolmente le attività di progettazione e produzione, ma può essere un ostacolo superabile.

Tuttavia, quando non sappiamo a priori in quale direzione le cariche agiranno su un pezzo, il fatto che le sue proprietà non siano uniformi in tutte le direzioni può rappresentare un problema significativo. In primo luogo, le proprietà devono essere testate in tutte le direzioni e i valori più bassi devono essere considerati come la resistenza del pezzo. In secondo luogo, è molto più complicato determinare quando il pezzo fallirà, poiché la durata quando le cariche agiscono nella direzione più favorevole può essere molto maggiore rispetto a quando agiscono nella direzione meno favorevole.

Questo è il motivo per cui, quando si tratta di pezzi che devono svolgere una funzione meccanica o strutturale, il controllo dell'isotropia è di grande importanza.

L'isotropia nella stampa 3D

Uno dei metodi di produzione in cui l'isotropia è chiaramente influenzata è la stampa 3D FDM. Questo metodo di produzione si basa sulla formazione del pezzo strato dopo strato mediante l'estrusione di un filamento di polimero fuso.

Proprio per questo motivo, a livello della sua microstruttura, i pezzi stampati utilizzando FDM sono strutture microporose. Ciò implica che la sezione reale del pezzo varia in ogni direzione rispetto alla sezione apparente che possiamo misurare a livello macroscopico. Inoltre, un altro fattore entra in gioco: la coesione tra strati, che non avviene sempre in modo ideale e riproducibile.

Immagine 2: Microstruttura di una stampa 3D FDM. Fonte: Formlabs.

A causa di questa discrepanza tra le sezioni reali del componente e le sezioni apparenti, il modulo apparente quando il pezzo viene testato sui tre assi varierà anche.

Ad esempio, se testiamo un cubo di 1 cm³, vedremo che il modulo elastico è diverso suii tre assi. Questo perché nel calcolo E=(F⁄S)/(∆L⁄L) dove S è la sezione del pezzo, stiamo considerando una sezione di 1 cm² per i tre assi, mentre la sezione reale varia da un asse all'altro come mostrato nell'immagine 3.

Immagine 3: Sezioni di una parte stampata con un riempimento al 100% e tutti gli strati orientati nella stessa direzione.

Potremmo minimizzare questo effetto se variamo la direzione di stampa ad ogni strato. Orientando gli strati a 90º come mostrato nella figura 4, potremmo ottenere pezzi ortotropi negli assi X e Y, anche se l'anisotropia rimarrebbe presente nell'asse Z.

Immagine 4: Sezioni di una parte stampata con un riempimento al 100% e ogni strato orientato a 90º rispetto al precedente.

In teoria, se variamo di poco l'angolo ad ogni strato, in parti di grandi dimensioni composte da un grande numero di strati sovrapposti, potremmo raggiungere l'isotropia planare nel piano XY, ma comunque non si raggiungerebbe un'isotropia completa.

Potremmo cercare di ottenere le sezioni reali dei pezzi e così prevedere le loro proprietà teoriche in ogni direzione, tuttavia, in pratica, le stampanti FDM non hanno una precisione sufficiente per ottenere strutture omogenee in modo riproducibile, come si osserva nell'immagine successiva.

Immagine 5: Sezioni di pezzi stampati con strati di 0.1, 0.2 e 0.3 mm. Fonte: S. Garzon-Hernandez et al. Materials and Design 188 (2020) 108414

Per tutte queste ragioni, è molto complicato prevedere il comportamento meccanico di una parte stampata in FDM.

Tuttavia, questo fenomeno non è universale nella stampa 3D. Altre tecnologie come la stampa 3D SLA e la stampa 3D SLS producono pezzi con un'alta isotropia.

Nella stampa SLA, le parti sono formate fotopolimerizzando una resina strato dopo strato. Ciò implica che i pezzi sono completamente dense e quindi la loro sezione apparente e reale sono uguali. Inoltre, la coesione tra le molecole si forma attraverso legami chimici e in modo omogeneo in tutto il pezzo.

Immagine 6: Modulo di Young di una parte stampata utilizzando SLA, misurato ad angoli diversi. Fonte: Formlabs

Nonostante tradizionalmente le resine SLA non fossero considerate per applicazioni tecniche a causa delle loro scarse proprietà meccaniche, negli ultimi anni si è compiuto un importante passo avanti nello sviluppo di resine con proprietà meccaniche e termiche compatibili con le esigenze più elevate. Questo è il caso delle resine di ingegneria di Formlabs, che insieme alla stampante Form 3L, in grado di produrre parti fino a 335 x 200 x 300 mm, formano la combinazione perfetta per molteplici applicazioni che richiedono parti isotrope e con elevate proprietà meccaniche.

Immagine 7: Stampante Form 3L. Fonte: Formlabs

Nonostante i grandi progressi nello sviluppo di materiali tecnici per la SLA, la tecnologia che garantisce i migliori risultati per le applicazioni tecniche è la stampa 3D SLS.

Questa tecnologia si basa sulla sinterizzazione strato dopo strato di microparticelle polimeriche. Il risultato sono parti con caratteristiche ideali per le applicazioni ingegneristiche: hanno un'alta isotropia, alta precisione dimensionale e possono essere stampate senza supporti, consentendo geometrie ad alta complessità e persino la stampa di meccanismi mobili già assemblati.

Le parti prodotte tramite stampa SLS sono porose, tuttavia, a differenza di quelle prodotte con la FDM, la loro porosità è omogenea e non dipende dall'orientamento della parte durante la stampa.

Immagine 8: Microstruttura interna di una parte stampata tramite SLS.

Ciò fa sì che abbiano un'alta isotropia, poiché, sebbene le loro sezioni reali e le loro sezioni apparenti non siano uguali, rimangono costanti in tutte le direzioni.

Per questo motivo, anche se le proprietà meccaniche delle parti stampate tramite SLS differiscono da quelle del materiale di base, sono costanti, indipendenti dall'orientamento della parte e possono essere facilmente determinate, semplificando i calcoli ingegneristici e consentendo di determinare con margini di errore ridotti la resistenza e la durata dei componenti prodotti con questa tecnologia.

Inoltre, la stampa SLS consente l'uso di polimeri tecnici ampiamente utilizzati nel settore industriale, come ad esempio il nylon 11, il nylon 12 o addirittura elastomeri termoplastici come TPE e TPU.

Questo è il caso di stampanti 3D come Lisa Pro, una stampante con un ottimo rapporto qualità-prezzo, capace di produrre parti di altissima qualità in materiali come il nylon 11, grazie alla sua capacità di stampare in atmosfera di azoto.

Video 1: Video Lisa Pro Fonte: Sinterit

Quando si tratta di produrre pezzi tramite stampa 3D che devono soddisfare determinati requisiti meccanici, non si devono considerare solo le proprietà del materiale di base ma anche la tecnologia con cui verranno fabbricati. Sebbene la tecnologia FDM sia probabilmente la più versatile per la scelta dei materiali tecnici, il fatto che le parti stampate presentino un'isotropia molto bassa può essere un grande problema difficile da risolvere in molti casi. L'orientamento della parte durante la stampa, la scelta dei pattern di riempimento e la conoscenza precisa di dove e in quali condizioni la parte lavorerà sono fattori critici nella produzione di componenti tecnici tramite stampa 3D FDM. Ciò rende il design e la produzione di pezzi con questa tecnologia forse i più complessi e presentano importanti limitazioni.

Molte di queste limitazioni scompaiono con la stampa SLA e SLS. La possibilità di ottenere pezzi densi o con una porosità omogenea, con un'alta isotropia e la disponibilità di materiali tecnici con buone proprietà meccaniche le rendono una promettente alternativa per quelle applicazioni in cui la stampa 3D FDM non è adeguata.

Inoltre, la possibilità di stampare pezzi senza supporti e meccanismi mobili già assemblati rende la stampa SLS la tecnologia ideale riducendo e semplificando la post-elaborazione dei pezzi.