Hai mai desiderato creare qualcosa con la tua stampante 3D che includa componenti elettronici? Magari sensori, tracce conduttive o schermature contro le interferenze radio?

I filamenti conduttivi per stampa 3D FFF/FDM sono stati progettati per utenti interessati a combinare stampa 3D ed elettronica. Assemblaggi conduttivi che integrano interruttori, potenziometri, LED, sensori tattili capacitivi... Tutto ciò e molto altro è possibile grazie a loro.

Sviluppati specificamente per consentire la stampa 3D di componenti elettronicamente conduttivi, i filamenti conduttivi sono materiali molto facili da stampare e compatibili con quasi tutte le stampanti 3D FDM/FFF presenti sul mercato.

Applicazioni

Le loro applicazioni sono molteplici e varie, ma spiccano in particolare:

Sensori

Il filamento conduttivo può essere utilizzato per creare sensori capacitivi (touch) utilizzati in una vasta gamma di prodotti elettronici utilizzati quotidianamente; è un ottimo materiale per la progettazione di dispositivi di interfaccia umana (penne per telefoni cellulari e tablet).

Video 1: Penne digitale. Fonte: Proto-Pasta.

I sensori capacitivi di rilevamento possono essere utilizzati anche per misurare la prossimità, la posizione, l'umidità, i livelli di liquido e l'accelerazione.

Creazione di circuiti

Un'altra applicazione del filamento conduttivo è nella creazione di circuiti conduttori di elettricità per utilizzi in elettronica che, nel caso di filamenti conduttivi flessibili, sarà applicabile anche all'elettronica flessibile.

Immagine 1: Circuito conduttore. Fonte: Recreus.

Tradizionalmente, per poter aggiungere circuiti conduttori alle loro creazioni, gli appassionati di stampa 3D dovevano progettare le parti con le scanalature necessarie per poi aggiungere il filo di rame una volta completata la stampa. Con il filamento conduttivo è possibile stampare il cablaggio contemporaneamente al processo di costruzione della parte.

Schermatura dalle interferenze radio elettromagnetiche

L'elevata conducibilità offerta dal filamento conduttivo non è eccellente solo per i circuiti stampati in 3D e per i sensori, ma è anche utile per l'uso contro l'EMI (interferenza elettromagnetica) e nelle applicazioni di schermatura RF (radiofrequenza) che sono molto importanti in una vasta gamma di industrie. La schermatura EMI/RF viene utilizzata per bloccare il campo elettromagnetico e la radiazione elettromagnetica a radiofrequenza all'interno di uno spazio; è importante utilizzare EMI e protezione RF in ospedali, laboratori o configurazioni aerospaziali per proteggere dai segnali concorrenti, poiché possono portare all'apparecchiatura stessa a fornire misurazioni errate. La schermatura EMI/RF raggiunge questo obiettivo bloccando AM, FM, TV, servizi di emergenza e segnali telefonici. Il filamento conduttivo è ideale per la progettazione di schermi contro RF / EMI utilizzati in elementi altamente personalizzati.

Suggerimenti d'uso

Progettati per l'uso con stampe destinate al funzionamento a temperatura ambiente e per essere utilizzati solo in progetti a bassa tensione e bassa corrente (non superiore a 12 volt), i filamenti conduttivi devono essere evitati per l'alimentazione che supera i 100 mA.

Stampare con filamenti conduttivi (PLA) è praticamente identico alla stampa con PLA standard. Non è necessaria una stampante 3D con piattaforma riscaldata, anche se, se disponibile, si consiglia di utilizzare la piattaforma riscaldata a 50-60°C per una migliore adesione.

Si dovrebbe evitare al massimo la possibile contaminazione del filamento conduttivo con lo sporco delle mani o la polvere ambientale, quindi si consiglia di conservarlo in un luogo asciutto e lontano da queste e/o altre particelle. Si consiglia anche di lavarsi le mani prima e dopo l'uso e di trattarlo con guanti. L'utente dovrebbe evitare l'esposizione prolungata all'umidità.

Si consiglia un ugello per la stampa del filamento conduttivo di almeno 0.4 / 0.5 mm. L'ugello della stampante 3D dovrebbe sempre essere pulito prima e dopo l'uso del filamento per evitare complicazioni durante la stampa. Il filamento conduttivo tende ad aderire agli ugelli (nozzle) in ottone, quindi si consiglia di pulire la superficie esterna dell'ugello prima della stampa con olio (tecnico o domestico) o lubrificante per ridurre l'accumulo di materiale all'esterno dell'ugello durante la stampa. È possibile utilizzare anche la pittura repellente per plastica.

Immagine 2: Pittura repellente per plastica. Fonte: Sliceengineering.

Le proprietà intrinseche del filamento conduttivo sono tali che non dovrebbe essere lasciato inattivo nell'estrusore della stampante 3D (quando non si sta stampando), poiché può espandersi e causare l'occlusione dell'ugello (Clogging). Pertanto, dopo la stampa, il filamento dovrebbe essere rimosso il prima possibile dall'estrusore e dovrebbe essere utilizzato un filamento di pulizia.

Immagine 3: Filamento di pulizia. Fonte: Smart Materials.

Inoltre, è molto importante stampare alla temperatura consigliata, poiché in caso contrario la viscosità del materiale fuso non sarà ottimale e si espanderà, ostruendo l'ugello; e se stampato a una temperatura superiore, si verificherà una degradazione parziale insieme a una notevole aggregazione di nanomateriali, causando anch'essa l'occlusione dell'ugello.

Nel caso di un'occlusione totale dell'ugello, si dovrebbe cercare di sbloccarlo riscaldando l'ugello a 200°C e tentando di rimuovere l'ostruzione con un filo di rame o cercando di fondere ABS o PLA (filamenti rigidi) per rimuovere il materiale intrappolato, o immergerlo in acetone, ecc. Nel caso in cui non si riesca a risolvere il problema, sarà necessario sostituire l'ugello con uno nuovo. Per evitare ciò, si dovrebbero prendere in considerazione tutti i consigli sopra citati.

D'altra parte, è anche molto importante avere la base della stampante 3D perfettamente livellata, poiché in caso contrario si accumulerà una quantità significativa di materiale sulla superficie esterna dell'ugello, che, una volta solidificato, ostruirà il flusso del materiale fuso. Pertanto, se ciò accade, è necessario pulire accuratamente la superficie esterna dell'ugello raffreddato con alcol.

Filamenti conduttivi sul mercato

PLA Conduttivo (Proto-Pasta): Con una temperatura di ammorbidimento simile al PLA, il filamento conduttivo di Proto-Pasta è più flessibile, ma presenta una minore adesione tra gli strati. Utilizzabile per controllare qualsiasi elemento attraverso una resistenza da 1Kohm, è ideale per circuiti a bassa tensione, tastiere digitali con bassa conduttività, arduino, sensori tattili, robotica ed elettronica.

Filamento di grafene Koltron G1 (Addnorth): Additivato con Aros Graphene, un grafene sviluppato e brevettato dall'azienda Graphmatech e con una matrice basata su polivinilidene fluoruro (PVDF), un polimero avanzato con eccellenti proprietà meccaniche, chimiche e termiche, il filamento Koltron G1 ha una resistività volumetrica di soli 2 Ω-cm.

Filaflex Conduttivo (Recreus): Di seguito analizzeremo in dettaglio questo filamento.

Filaflex Conduttivo (Recreus)

Il Filaflex Conduttivo è un filamento TPU elastico e flessibile. Con una durezza Shore 92A, raggiunge un 100% di allungamento alla rottura. Dopo l'allungamento ritorna alla sua forma originale, senza deformarsi né rompersi, presentando ottime proprietà meccaniche. Il filamento Filaflex Conduttivo offre una resistività volumetrica di circa 3.9 Ω-cm, molto maggiore rispetto ad altri filamenti conduttivi.

Il produttore stesso fornisce una serie di consigli capaci di risolvere eventuali dubbi che possono sorgere durante la stampa con questo filamento:

1. Ugello indurito: Non è necessario utilizzarlo con il filamento Filaflex Conduttivo. Tuttavia, in caso di utilizzo intensivo, sarebbe consigliabile per evitare un'usura eccessivamente rapida.
2. Sicurezza: Stampare con il filamento Filaflex Conduttivo è del tutto sicuro e non danneggerà la stampante, ma per mantenerla in condizioni ottimali è consigliabile pulire molto bene l'ugello al termine della stampa con il filamento. Inoltre, utilizzare X una volta terminata la stampa è un passaggio aggiuntivo che aiuterà anche nella pulizia.
3. Materiale conduttivo: Per rendere il filamento conduttivo, da Recreus informano che utilizzano una formulazione speciale contenente nero di fumo ed è questo elemento che conferisce al filamento Filaflex Conduttivo la sua conducibilità.
4. Flessibilità: Dopo la stampa con il filamento, la sua caratteristica elasticità non viene persa. Il pezzo finale sarà sempre flessibile e conduttivo, mantenendo intatte le sue altre proprietà.
5. Durezza Shore: Presenta una durezza Shore 92A, rendendolo adatto all'uso su quasi tutte le stampanti (anche Bowden).
6. Resistenza: Il Filaflex Conduttivo presenta una resistività elettrica di circa 3.9 Ω-cm, ma per assicurarsi del raggiungimento delle sue funzioni, l'utente deve tenere presente che la resistenza cambia a seconda della stampa. Inoltre, è necessario considerare anche la resistenza elettrica del circuito e non dimenticare che il filamento è progettato per applicazioni a bassa corrente.
7. Adesione tra gli strati: A causa dell'alto carico di carbonio, il calore si dissiperebbe molto rapidamente e l'adesione del pezzo verrebbe influenzata in base alla sua geometria. Regolando alcuni parametri di stampa (velocità 20-25 mm/s, temperatura 240-255 °C, non utilizzare il ventilatore del layer), l'utente può risolvere tale rapida dissipazione.

Video 2: Flessibilità e conducibilità con Filaflex Conduttivo. Fonte: Recreus.

In conclusione, i filamenti conduttivi sono materiali specificamente progettati per consentire la stampa 3D di componenti elettronicamente conduttivi utilizzando praticamente qualsiasi stampante 3D FDM/FFF disponibile sul mercato, espandendo le capacità della fabbricazione additiva o stampa 3D e consentendo di accorciare il percorso dalla fase di sviluppo all'applicazione commerciale.