La fibra può essere presente nelle parti stampate in 3D per quanto riguarda le Stampanti 3D MarkForged, in due diversi formati.
- Le fibre non continue, lunghe meno di un millimetro, sono in sospensione dentro ad una base termoplastica di nylon e prendono il nome di Onyx. Questa combinazione, chiamata “filled plastic” o plastica riempita, viene estrusa utilizzando il processo di stampa standard FDM. Queste fibre non continue rafforzano il materiale termoplastico, aumentando la resistenza allo sforzo sotto stress e la capacità di flessione. L’Onyx tecnicamente non risulta essere un vero e proprio materiale composito, dato che le fibre sono mescolate all’interno della plastica.
- Un altro formato sono le fibre continue, tra cui la fibra di vetro, la fibra di Carbonio e il Kevlar, che conferiscono la resistenza direzionale del metallo alla parte di materiale composito. Hanno moduli elastici superiori tra le 16 volte e le 46 volte rispetto alla plastica e inoltre la fibra di Carbonio è quasi equivalente a quella d’alluminio (rispettivamente 60 GPa e 69 GPa). A differenza delle fibre non continue che sono sospese nella plastica, le fibre continue corrono ininterrottamente nella parte, distribuendo così il carico sulla geometria tridimensionale. Questo tipo di materiale offre migliori prestazioni in termini di tensione, quindi è di fondamentale importanza eseguire la stampa tenendo conto delle condizioni di carico.
In questa immagine vediamo a confronto la rigidità del materiale di stampa 3D. Da sinistra a destra è testata una plastica continua rinforzata con fibra di vetro, a seguire una plastica in fibra di carbonio non continua, ABS e PLA con un peso di 7,5 libbre.
A causa delle loro proprietà specifiche, le fibre richiedono un metodo di stampa 3D diverso dal FDM.
Di fatti le fibre non vengono fuse ed estruse come la plastica, ma vengono invece posate intatte attraverso un ugello di stampa dedicato. In questo modo, un sottile rivestimento di plastica intorno alla fibra si fonde in modo da aderire alla matrice. Questo tipo di costruzione in materiale composito è chiamata “Continuous Fiber Fabrication” (CFF), ed è un’esclusiva delle stampanti Markforged.
Come fa la stampante a sapere dove depositare la fibra? Tutti i parametri di composizione sono definiti nel software Eiger che si occupa della stratificazione. Dopo che l’utente ha indicato quali strati debbano accogliere la fibra, quanta e secondo quale pattern, il software istruisce la stampante a posizionare gli strati di riempimento solido “a pavimento” sopra e sotto la regione che include la fibra, e indica anche quando passare dal riempimento in plastica al deporre la fibra continua.
Sezione di una leva del freno in Onyx, fermata a metà della stampa per mostrare il riempimento e la fibra di Kevlar continua.
Ciò che rende questo processo di fabbricazione così eccezionale è la capacità della stampante di integrare i modelli di fibra definiti dall’utente, strato per strato. Dal punto di vista della strategia ingegneristica i compositi possono non essere una novità, ma ciò che è fondamentalmente diverso è la facilità con cui possono essere implementati come alternative funzionali alle parti metalliche.
Materiali termoplastici a tre matrici con quattro fibre continue
Se usi la stampante 3D per la creazione del tuo pezzo puoi scegliere tra i tre materiali:
- Nylon White
- Onyx
- Onyx FR (Autoestinguente V0-UL94)
e quattro fibre:
- fibra di vetro
- fibra di Carbonio
- Kevlar
- fibra di vetro ad alta resistenza alle alte temperature (HSHT)
Queste 15 combinazioni (inclusa l’opzione senza fibra) rendono la stampante versatile e in grado di fornire un’ampia gamma di proprietà al pezzo stampato.
Se hai bisogno di un‘elevata resistenza combinata con il ritardante di fiamma puoi utilizzate Onyx FR e fibra di Carbonio. Mentre se vuoi gestire carichi ripetuti e mostrare una finitura bianca e liscia prova il Nylon White e il Kevlar. Se hai la necessità di produrre un pezzo robusto ma poco costoso puoi combinare Onyx e fibra di vetro.
Di seguito una breve panoramica dei quattro materiali in fibra e delle tre opzioni di matrice, per capire meglio quando utilizzarli.
Termoplastici
Il nylon bianco è liscio, non abrasivo e facilmente verniciabile. Può essere rinforzato con qualsiasi fibra continua e funziona al meglio quando è richiesta una colorazione chiara e si lavora in ambienti puliti. È molto più resistente del PLA e resistente quasi quanto l’ABS.
Sezione di una leva del freno in Nylon White, fermata a metà della stampa per mostrare il riempimento e la fibra di carbonio continua.
L’Onyx è il nylon rinforzato con fibra di carbonio non continua, di cui si è parlato sopra. È 1,4 volte più forte e più rigido dell’ABS e può essere rinforzato con qualsiasi fibra continua. L’Onyx, oltre ad un’ottima qualità superficiale, ha una buona resistenza ai prodotti chimici e una buona resistenza al calore.
La versatilità di Onyx lo rende adatto a qualsiasi cosa, dai pezzi di consumo ai sistemi di bloccaggio per la produzione.
Onyx FR ha la certificazione V0 nel test di infiammabilità UL-94, pur possedendo proprietà meccaniche simili a quelle di Onyx. È il migliore materiale per le applicazioni in cui sono richiesti ritardo di fiamma, peso minimo e resistenza.
Onyx FR è ideale per la produzione rapida di impianti di saldatura personalizzati.
Fibre
La fibra di vetro è una fibra multiuso: funziona nella maggior parte degli scenari, e tra le fibre MarkForged è l’opzione più economica. La fibra di vetro è 3 volte più resistente e 11 volte più rigida dell’ABS, e funziona meglio sotto carico discontinuo. Le sue applicazioni più comuni includono prototipi, staffe, maschere di perforazione e ganasce morbide senza segnare il pezzo.
Questo rendering mostra un pezzo con lo scheletro interno di fibra continua, elemento che aumenta drasticamente la resistenza e la rigidità.
La fibra di Carbonio, tra le quattro fibre, è il cavallo di battaglia e vanta un rapporto resistenza/peso del 50% migliore rispetto all’alluminio 6061-T6. Ha inoltre un modulo di trazione più o meno equivalente a quello dell’alluminio e una rigidità 24 volte superiore a quella dell’ABS. Se la massima resistenza è ciò di cui si ha bisogno, la fibra di Carbonio è l’opzione migliore. I clienti Markforged sostituiscono le parti in alluminio lavorato con Onyx rinforzato con fibra di Carbonio – che può essere facilmente modificato tra una stampa e l’altra, senza che questo richieda interventi di riprogrammazione da parte di un operatore come avviene sul CNC. Le sue applicazioni includono attrezzature di lavorazione, manipolatori in un braccio robotizzato – e tutti i pezzi di uso finale che sono soggetti a carico costante.
La fibra di Carbonio è appropriata per questo telaio di una sega circolare, che richiede la massima rigidità. Siemens ha risparmiato 8.000 dollari e 35 settimane di produzione stampando questo oggetto piuttosto che produrlo con una lavorazione tradizionale.
Il kevlar è estremamente durevole, resistente agli urti e rispetto ad altre fibre si deforma elasticamente molto di più prima di cedere. Le applicazioni ideali includono qualsiasi impatto ripetuto o improvviso, come il serraggio o lo stampaggio.
Il rinforzo in kevlar è risultato essere adatto alle ripetute forze di serraggio di queste valvole in alluminio fuso.
La fibra di vetro HSHT mantiene le sue proprietà del materiale fino a 150°C o anche 200°C, a differenza della soglia di 105°C per le altre fibre. Ciò significa che è meno suscettibile agli effetti termici e che rimarrà resistente anche quando è molto sollecitato termicamente a differenza delle altre fibre continue (questo è vero per HSHT anche in forma composita perché l’Onyx e l’Onyx FR hanno un grado di flessione al calore di 145°C ). HSHT è adatto sia per il carico costante che discontinuo e le applicazioni più comuni sono i dispositivi di saldatura, termoformati, stampi termoindurenti o formatura per soffiaggio.
Humanetics utilizza Onyx e HSHT per produrre stampi termoindurenti che sono precisi, robusti e resilienti sottoposti a calore elevato.
Per tutte le fibre c‘è un’ampia possibilità d’uso. Il rinforzo di una matrice plastica con qualsiasi fibra offre un enorme vantaggio, dato che tutte le fibre sono molto più resistenti della sola plastica, e ogni fibra è ulteriormente ottimizzata per specifici scenari “di carico”. Se da un lato solo un tipo di fibra può essere incorporato in una data parte, dall’altro è possibile controllare dove si vuole mettere la fibra per regolare le prestazioni della parte. È possibile avere una panoramica di questi aspetti nel diagramma qui sotto.
Perché si usano i materiali compositi per la stampa 3D?
L’uso di materiali compositi aumenta le proprietà specifiche delle parti tradizionali stampate in 3D come forza, rigidità, resistenza al calore e resistenza meccanica. Questo dà loro un vantaggio di resistenza rispetto ai materiali termoplastici tradizionali utilizzati nella stampa 3D come l’ABS o il PLA, ampliandone le potenzialità.
I termoplastici sono materie plastiche che possono cambiare stato senza un mutamento delle proprietà chimiche. Questo li rende materiali molto utilizzati per la stampa 3D perché possono essere facilmente estrusi strato per strato.
I materiali compositi (come l’Onyx) sono costituiti da più materiali che, quando combinati, offrono proprietà diverse rispetto ai materiali standard. Ad esempio materiali come il calcestruzzo e i pannelli di truciolato possono essere considerati compositi, perché sono miscele di una varietà di materiali. Tuttavia, quando parliamo di compositi da un punto di vista ingegneristico facciamo riferimento ai compositi con fibre di rinforzo. La fibra di carbonio, la fibra di vetro e il Kevlar sono tre dei materiali disponibili in fibra più comunemente usati per i compositi nell’industria. Queste fibre non sono quasi mai usate da sole e vengono intrecciate in fogli, per poi essere formate utilizzando stampi in alluminio con l’aiuto di un materiale per indurire le fibre nella forma desiderata. Quando le fibre sono legate insieme per creare elementi strutturali le forze vengono distribuire e disperdere i carichi lungo le lunghezze di tutte le fibre.
Fili di fibra di vetro posati in uno stampo e lavorati con una resina termoindurente
La fibra di carbonio ha uno dei più alti rapporti forza-peso, il che la rende molto preziosa per la creazione di parti leggere e molto resistenti. Le fibre stesse sono composte da atomi di carbonio la cui struttura cristallina è sotto forma di filamenti, rendendole incredibilmente forti se sottoposte a tensione. Tradizionalmente, le resine termoindurenti sono usate come agente legante per fissare queste fibre in una forma desiderata e polimerizzate su di una matrice.
Qui un esempio di due forme di fibra di carbonio stampata in 3D: nella parte superiore il filamento in fibra non continua chiamato Onyx, e sotto è un filo continuo di fibra di Carbonio.
Nel contesto della stampa 3D, la fibra può assumere due forme diverse:
- Le fibre non continue sono fibre di breve lunghezza tagliate in segmenti di meno di un millimetro di lunghezza e mescolate nella termoplastica tradizionale per formare quella che viene chiamata una plastica composita. Queste possono essere stampate con un processo di stampa FDM.
- Le fibre continue richiedono un metodo di stampa 3D leggermente diverso, in cui i fili di fibra continua sono rivestiti in un agente indurente e deposti in una matrice termoplastica estrusa tramite un ugello di stampa secondario. Questo processo è chiamato Continuous Fiber Fabrication (CFF).
In entrambi i sistemi si aggiunge la fibra al materiale primario, in questo caso il Nylon PA6. L’aggiunta delle fibre aumenta la forza della parte e garantisce ottime caratteristiche del materiale, con variazioni di resistenza a seconda del tipo di fibra scelta e del modo in cui la fibra viene depositata. In generale, una stampa 3D in fibra di carbonio continua è più forte della fibra di carbonio non continua, perché la continuità gestisce meglio il carico a cui è sottoposto il manufatto.
Materiali per la stampa 3D in fibra non continua
Le plastiche riempite di fibre non continue sono il tipo più comune di plastiche composite per la stampa 3D. Il materiale di stampa 3D composito tritato più usato è la fibra di carbonio dove pezzi di fibra di carbonio sono mescolati con plastiche tradizionali. Le fibre sollecitate aumentano le performance di materiali tipicamente di qualità inferiore e con l’aggiunta di fibra di carbonio si migliora anche la stabilità termica e le proprietà meccaniche migliorando la prevedibilità del comportamento del materiale, sia alle alte che alle basse temperature.
Un primo piano di fibre di carbonio tritate utilizzate nella stampa 3D.
Queste fibre sono sminuzzate in pezzi sottili e mescolate nella plastica matrice e saranno poi realizzate delle bobine che verranno utilizzate dalle stampanti 3D basate sulla deposizione di materiale layer by layer. In questo caso, il processo di stampa 3D rimane lo stesso chiamato FDM perché le fibre sono solo incorporate nel filo di materiale termoplastico, che quindi viene riscaldato tramite l’estrusore, estruso e permetterà la creazione della parte finale, proprio come qualsiasi altra tecnologia di stampa 3D FDM. Concludendo, i materiali compositi con fibra non continua per la stampa 3D uniscono i vantaggi della plastica tradizionale che può essere carente in alcune proprietà e la potenziano con l’aggiunta di microfibre.
I materiali per la stampa 3D in fibra di carbonio non continua possono essere usati come le normali plastiche per la stampa 3D, aumentando alcune proprietà del materiale plastico di base.
La quantità e la lunghezza dei segmenti tagliati delle fibre, impatta sulla resistenza e sulla qualità della parte. Diversi fornitori mescolano varie quantità di fibre nella loro plastica, ottenendo materiali con diverse resistenze. Con una precisa percentuale di caricamento, le fibre aumentano la qualità della finitura superficiale e la qualità del materiale durante la stampa, mentre variando maggiormente la percentuale di caricamento, si ottiene un materiale più forte, sacrificando però la finitura superficiale e la precisione del pezzo. La termoplastica è essenziale per la miscela perché permette il corretto funzionamento dell’estrusione del materiale per il processo di stampa.
Stampa 3D a fibra continua
La stampa 3D a fibra continua aggiunge fili di rinforzo in fibra alla parte stampata, ottenendo così proprietà di resistenza in alcuni casi simili al metallo con un peso incredibilmente più leggero. Usando due ugelli di stampa, la stampante estrude il materiale per realizzare la matrice termoplastica con fibra corta di Carbonio e al suo interno crea uno scheletro di fili in fibra continua garantendo così l’elevata resistenza meccanica. Questo processo è chiamato Continuous Fiber Fabrication (CFF).
I fili continui di Kevlar, tramite un ugello di stampa per fibra composita, sono utilizzati in questa parte per aumentarne la resistenza all’impatto.
Il potere della tecnologia CFF deriva dalla stesura interna dei fili in fibra lunga. A differenza delle fibre non continue, i fili continui possono assorbire e distribuire i carichi su tutta la loro lunghezza. Quando sono collocati all’interno di una matrice termoplastica, la parte può gestire carichi più elevati e assorbire impatti maggiori. Questo permette a queste parti di raggiungere le resistenze del metallo ma con un peso incredibilmente più leggero.
Le fibre continue formano la spina dorsale di una parte stampata in 3D, perché i carichi si distribuiscono lungo la loro lunghezza, piuttosto che sulla parte in plastica.
Il processo di stampa 3D CFF consiste in un sistema ibrido: una termoplastica viene estrusa per formare il guscio della parte che viene chiamata “matrice” del composito e simultaneamente, la fibra continua viene depositata all’interno di quella matrice fondendosi con la termoplastica per mezzo di un rivestimento di resina compatibile. Questo processo si ripete strato per strato, realizzando lo scheletro di rinforzo nella parte, mentre la termoplastica agisce come rivestimento.
Le fibre formano lo scheletro della parte e possono essere disposte in modo concentrico o isotropico a seconda della necessità e dei carichi a cui sarà sottoposto il manufatto. Questo è molto diverso dalle stampanti 3D standard basate sulla deposizione con fibre non continue, perché questi metodi hanno una distribuzione uniforme delle proprietà in tutta la parte. Diverse opzioni di rinforzo delle fibre possono essere utilizzate per differenti condizioni di carico e comportamenti.
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