Stampa con materiali compositi. Cosa bisogna considerare.

Ogni volta è sempre più comune trovare filamenti di materiali compositi. Questi materiali sono formati da una matrice di plastica e un riempitivo di particelle o fibre. L'obiettivo di questo riempitivo può essere molto vario, dall'aumentare le proprietà meccaniche finali del materiale al migliorare l'aspetto estetico o aggiungere una nuova proprietà come la conducibilità. Quindi possiamo trovare tre tipi di materiali compositi:

Materiali rinforzati con fibre

Si tratta di materiali il cui obiettivo è migliorare le proprietà meccaniche generali della matrice. La matrice plastica può essere qualsiasi materiale per stampa 3D, mentre i rinforzi più utilizzati sono la fibra di vetro, la fibra di carbonio e la fibra di aramide.

• Fibra di Vetro: Fornisce una maggiore resistenza agli sforzi di trazione. Ha una buona flessibilità e migliora la resistenza alla flessione. Fornisce una temperatura di lavoro più elevata al materiale finale.
• Fibra di Carbonio: Come la fibra di vetro, aumenta la resistenza a trazione e flessione, ma fornisce una maggiore rigidità.
• Fibra di Aramida: Si distingue principalmente per la sua elevata resistenza agli impatti e alla fatica.

I filamenti rinforzati con fibre sono considerati materiali tecnici e sono destinati principalmente alla produzione di componenti funzionali ad alte prestazioni. In generale, possiamo trovare materiali con cariche comprese tra il 10% e il 20%.

Immagine 1: Pezzo stampato in Nylon rinforzato con fibra di carbonio. Fonte: Fillamentum

I materiali rinforzati con fibre più comuni sono quelli basati su nylon, ma sempre più spesso si trovano altri tipi di matrici come ABS, PLA, PC o soprattutto PETG.

Materiali con cariche a scopo estetico

Si tratta di materiali caricati con vari tipi di particelle e fibre, il cui principale scopo è variare l'aspetto estetico del materiale di base. Possiamo trovare principalmente 4 tipi di cariche:

• Fibre o particelle di legno: Si tratta di materiali con un alto carico di particelle o fibre vegetali il cui scopo è fornire un aspetto simile al legno.

• Particelle minerali o ceramiche: Generalmente particelle di gesso con diversi coloranti. Vengono utilizzate per ottenere finiture simili a ceramica, pietra o argilla.

• Fibre vegetali: Vengono utilizzate principalmente con PLA. Il loro scopo è fornire una finitura opaca.

• Particelle fosforescenti: Il materiale più utilizzato è la polvere di alluminato di stronzio, che fornisce una caratteristica lucentezza verde. Viene utilizzato nei filamenti "Glow" o che brillano al buio.

Immagine 2: Auto giocattolo prodotta con PLA caricato con fibre di legno. Fonte: Fillamentum

In generale, questo tipo di cariche vengono combinate con una matrice di PLA per massimizzare la compatibilità con tutti i tipi di stampanti, poiché non si cerca una buona resistenza meccanica, ma una finitura estetica specifica.

Materiali con cariche che forniscono nuove proprietà

In alcune occasioni, la funzione delle cariche non è migliorare le proprietà della matrice, ma fornire una nuova proprietà fisica. Le più comuni sono la conduttività attraverso l'uso del grafene e il magnetismo attraverso particelle di ferrite, anche se è possibile trovarne di più esotiche come lo schermatura elettromagnetica fornita dal carburo di boro.

Video 1: Pezzo realizzato con filamento ferromagnetico. Fonte: Protopasta

Si tratta di materiali meno comuni e sviluppati per applicazioni specifiche.

Materiali con cariche metalliche e ceramiche per sinterizzazione.

Si tratta di filamenti con una elevata carica di polvere metallica o ceramica, destinati alla stampa di pezzi che verranno successivamente elaborati mediante trattamenti di de-binding e sinterizzazione. In generale, la matrice è composta da materiali a bassa temperatura a base di PLA o cere per facilitare le operazioni di de-binding, che possono essere termiche, chimiche o una combinazione di entrambe.

Come stampare filamenti con cariche

Selezione del diametro del nozzle

Alcuni filamenti con cariche richiedono l'uso di nozzle con diametri superiori a 0,4 mm. In generale, i produttori di filamenti con cariche includono nelle specifiche tecniche la dimensione minima del nozzle consigliata, ma in caso contrario, è necessario tenere in considerazione le seguenti indicazioni:

• Fibra di vetro: Si consiglia sempre di utilizzare nozzle di almeno 0,6 mm, poiché di solito contiene fibre di grandi dimensioni.

• Fibra di carbonio: Se specificato che il filamento utilizza fibra corta, è probabile che si possa utilizzare un nozzle da 0,4 mm senza rischio di ostruzioni. Nel caso in cui non sia specificato che contiene fibra corta, si consiglia di iniziare con una nozzle da 0,6 mm e provare a utilizzare una da 0,4 mm quando si è già riusciti a stampare con successo con il nozzle di dimensioni maggiori.

• Fibra di aramida: Si consiglia di iniziare con una nozzle da 0,6 mm e provare a utilizzare una da 0,4 mm quando si è già riusciti a stampare con successo con il nozzle di dimensioni maggiori.

• Fibre o particelle di legno: Si consiglia sempre di utilizzare nozzle di almeno 0,6 mm, e in alcuni casi anche di 0,8 mm.

• Particelle minerali o ceramiche: A meno che il carico non sia molto elevato, in generale è possibile stampare questo tipo di filamenti con nozzle da 0,4 mm.

• Fibre vegetali: Si consiglia di iniziare con una nozzle da 0,6 mm e provare a utilizzare una da 0,4 mm quando si è già riusciti a stampare con successo con il nozzle di dimensioni maggiori.

• Particelle fosforescenti: In generale è possibile stamparle con nozzle da 0,4 mm.

• Particelle con cariche metalliche o ceramiche: Di solito c'è una notevole variabilità da un materiale all'altro e anche tra lo stesso materiale di diversi fornitori. Se il produttore non specifica una dimensione minima, si consiglia sempre di iniziare con una nozzle da 0,6 mm e provare a utilizzare una da 0,4 mm quando si è già riusciti a stampare con successo con il nozzle di dimensioni maggiori. In alcuni materiali specifici può essere necessario utilizzare nozzle da 0,8 mm.

Immagine 3: Nozzle di diversi diametri. Fonte: E3D

Utilizzo di nozzle temprate e usura dei componenti.

Si deve tenere presente che tutti i filamenti con cariche provocano una maggiore usura dei componenti dell'hotend e dell'estrusore, specialmente del nozzle, dell'heatbreak, delle ruote dell'estrusore e dei tubi o inserti in PTFE.

Alcuni filamenti sono particolarmente abrasivi, come quelli a base di fibra di carbonio, aramida e vetro o particelle metalliche, ceramiche e fosforescenti. Quando si utilizzano questi filamenti è consigliabile utilizzare nozzle temprati.

Immagine 4: Confronto dell'usura delle nozzle di diversi materiali. Fonte: 3DVerkstan

Nel caso in cui si utilizzino regolarmente questo tipo di filamenti abrasivi, è consigliabile utilizzare, oltre alle nozzle temprate, heatbreak in materiali più resistenti come il titanio e estrusori con ruote temprate in acciaio. Inoltre è necessario controllare periodicamente lo stato di questi componenti, insieme a quello dei tubi e degli inserti in PTFE, e sostituirli quando mostrano segni di usura.

Velocità e temperatura di stampa

I filamenti rinforzati con cariche presentano una maggiore viscosità rispetto al loro equivalente senza cariche, quindi si consiglia di utilizzare velocità di stampa massime inferiori. Potrebbe anche essere necessario utilizzare temperature di stampa leggermente più alte per ridurre la viscosità quando si utilizzano alte velocità di stampa.

Adesione al piatto di stampa e warping

I filamenti con cariche tendono generalmente a contrarsi meno durante il raffreddamento, il che li rende meno inclini al warping. Maggiore è la percentuale di fibre o particelle, minore è la contrazione.

D'altra parte, le cariche solitamente influiscono sull'adesione del materiale al piatto di stampa, riducendola leggermente. Pertanto, è consigliabile utilizzare soluzioni di adesione come adesivi o lacche quando si utilizzano questo tipo di filamenti, specialmente quelli con un elevato contenuto di cariche.

Fragilità dei filamenti

Una caratteristica comune dei filamenti carichi di particelle è la loro maggiore fragilità, specialmente quelli con un elevato contenuto di cariche o basati su PLA. È per questo che è molto importante posizionare correttamente la bobina, in modo che il percorso fino all'estrusore sia il più retto e corto possibile. Inoltre, è consigliabile l'uso di estrusori diretti, anche se alcuni di questi filamenti possono essere stampati anche su stampanti bowden. In quest'ultimo caso, è consigliabile posizionare i tubi in PTFE in modo che abbiano il raggio di curvatura maggiore possibile, nonché posizionare i pezzi nella parte anteriore del piatto di stampa.

Immagine 5: Portabobine posizionato direttamente sull'estrusore per alimentare il filamento in modo retto. Fonte: Raise3D

I filamenti con cariche sono una categoria speciale che comprende materiali molto diversi e che di solito richiedono configurazioni speciali per la stampa. È per questo che si consiglia sempre di consultare tutte le informazioni fornite dal produttore e seguire i suoi consigli di stampa.

In questa guida, i concetti sono trattati in generale e non si concentrano su un marchio o modello specifico, anche se potrebbero essere menzionati in alcuni momenti. Potrebbero esistere differenze significative nei procedimenti di calibrazione o regolazione tra diverse marche e modelli, pertanto si consiglia di consultare il manuale del produttore prima di leggere questa guida.