Stampa 3D: quale filamento compro?

Quando circa dieci anni fa inizia ad interessarmi di stampa 3D un certo Gabriele Carloni, mi disse che da li ai prossimi anni la vera evoluzione più che sulle stampanti FDM sarebbe stata sul materiale da stampa.

Mentre mi affacciavo con gli occhi di un bambino in questo mondo, Gabriele aveva già un’esperienza non indifferente e le idee molto chiare e dici anni dopo posso dire che non aveva tutti i torti.

Chiunque abbia acquistato una stampante 3D FDM ed abbia finito il filo in dotazione dovrà porsi il problema di acquistarne del nuovo.

Reperire del filamento è cosa facile persino Amazon lo vende, ma il punto non è tanto dove comprarlo ma quale comprare.

Nella stampa 3D con tecnologia FDM le caratteristiche tecniche e meccaniche dei filamenti termoplastici sono fondamentali per determinare la scelta del materiale più adatto.

A seconda dell’applicazione è possibile individuare il filamento che più si adatta alle funzionalità richieste dall’oggetto che si dovrà stampare.

Si possono trovare per esempio polimeri:

• con elevate caratteristiche meccaniche;
• con caratteristiche di resistenza all’usura;
• in grado di resistere a temperature di +100° C o -40° C;
• resistenti agli agenti atmosferici o ai raggi ultravioletti;
• elastici con gradi differenti di flessibilità;
• idonei al contatto con gli alimenti (atossici);
• compositi;
• biodegradabili;
• solubili
• autolubrificanti

Per queste ragioni è importante fare un’analisi corretta del progetto e chiederci quale materiale ha le caratteristiche migliori, perché la scelta del filamento e delle sue caratteristiche influirà in modo determinante.

 Se volessimo fare una divisione dei filamenti a grandi linee potremmo dividere i materiali in:

• Filamenti standard
• Filamenti tecnici
• Filamenti trasparenti
• Filamenti flessibili
• Filamenti solubili
• Filamenti compositi

Filamenti standard

• PLA (Acido Polilattico)

Il PLA è il filamento più comune, è una bioplastica di origine vegetale in particolare derivata da amido di Mais e per questo totalmente biodegradabile, è disponibile in una vastissima gamma di colori (anche se questo dipende molto dal produttore).

In oltre il PLA è idrosolubile ed è in grado di assorbire l’umidità degradando gradualmente con un calo delle caratteristiche meccaniche. Putroppo è sensibile ai raggi UV ed ha la tendenza a distorcere se esposto a temperatura superiori a 55 – 60° C.

Essendo il PLA un materiale naturale è adatto al contatto con gli alimenti e quindi ideale per esempio alla realizzazione di contenitori per uso alimentare, oppure risulta particolarmente idoneo alla realizzazione di giocattoli, anche per l’infanzia.

Il PLA è un materiale dalla finitura lucida (più o meno a seconda del pigmento usato per colorarlo), nonostante la sua buona rigidità e resistenza meccanica è un materiale fragile con la tendenza a scheggiarsi e rompersi facilmente se sottoposto ad urti.

Con un indice di ritrazione bassissimo (2-3%) risulta essere il materiale più semplice da stampare anche per oggetti di grandi dimensioni perché problemi di deformazione e ritiro saranno pressoché assenti.

• ABS (Acrilonitrile Butadine Stirene)

L’ABS è una termoplastica derivata dal petrolio non biodegradabile molto utilizzata nella stampa 3D FDM e disponibile in una vasta gamma di colori anche se più ridotta rispetto al PLA.

Essendo un materiale mediamente flessibile è dotato di buona resistenza agli urti, quindi risulterà più adatto alla stampa di oggetti che dovranno avere una certa resistenza e durata nel tempo, Per fare un esempio i mattoncini lego sono realizzati in ABS.

L’ABS a differenza del PLA, si presenta opaco, in stampa emana un odore molto forte e sgradevole ed ha una forte tendenza a deformarsi perché soggetto ad un ritiro elevato.

Anche se più resistente all’umidità rispetto al PLA, L’ABS presenta una scarsa resistenza ai raggi UV tendendo ad ingiallire, è un materiale non adatto al contatto con gli alimenti.

Per ridurre in stampa le deformazioni sono state sviluppate una serie di tecniche che possono essere applicate a qualsiasi materiale con le stesse problematiche.

Filamenti tecnici

• Nylon (Poliammide sintetica)

Il nylon è un materiale economico e facile da reperire con una gamma cromatica ridotta. Elastico e flessibile risulta molto più resistente e tenace del PLA e ABS.

Essendo dotato di buone caratteristiche autolubrificanti e resistenza all’abrasione è particolarmente adatto alla stampa di ingranaggi, componenti a scatto, boccole e tutti quelle parti che devono durare nel tempo.

La sua forte caratteristica igroscopica lo rendono una materiale inadatto ad ambienti esterni.

In stampa ha una tendenza alla deformazione maggiore rispetto all’ABS.

• PP (Polipropilene)

Il Polipropilene è un materiale aggiunto più di recente nella gamma di filamenti per la stampa FDM, è piuttosto leggero e viene utilizzato nell’ambito dell’imballaggio e la conservazione.

Molto resistente all’abrasione i modelli in Polipropilene ottenuti con la stampa 3D FDM hanno proprietà meccaniche simili agli oggetti stampati ad iniezione ed hanno la caratteristica di presentare una superficie molto liscia.

Anche il Polipropilene è un materiale con una altra deformazione durante il raffreddamento, ciò rende la stampa 3D molto complessa.

• ASA (Acrilonitrile Stirene Acrilato)

ASA è un filamento termoplastico di alta qualità che può essere utilizzato in sostituzione all’ABS.

Dotato di una superfice uniforme ed opaca, gradevole al tatto e liscia, tanto da non richiedere nessun tipo di processo di post produzione.

Facile da stampare rispetto all’ABS offre una ottima rigidità e resistenza meccanica.

Le caratteristiche principali di questo materiale sono alta resistenza chimica e stabilità termica, resistenza alle condizioni atmosferiche come raggi UV e acqua che lo rendono il materiale più adatto per progettare parti di automobili, strumenti per il giardinaggio o articoli sportivi.

Anche se in misura molto minore rispetto all’ABS, in stampa soffre di problemi di ritiro durante il raffreddamento.

Filamenti Trasparenti

• PC (Policarbonato)

Il policarbonato è un polimero termoplastico dall’aspetto translucido o trasparente ed è dotato di una certa flessibilità, una buona resistenza agli urti e alle alte temperature.

Il policarbonato è un materiale dal basso ritiro durante il raffreddamento ed una buona precisione dimensionale in stampa.

È considerato il materiale più duro e resistente sul mercato dei filamenti per la stampa 3D, quindi ideale per applicazioni di ingegneria e la stampa di parti complesse.

Le caratteristiche di trasparenza, lo rendono particolarmente adatto alla stampa di diffusori e parti di lampade oppure oggetti nei quali si debba poter vedere il contenuto come flaconi e contenitori in generale.

È un materiale fortemente igroscopico, i filamenti di policarbonato andranno conservati accuratamente al riparo dall’umidità.

• PMMA (Polimetilmetacrilato – Plexiglas)

Materiale antiurto trasparente che unisci una buona resistenza meccanica (superiore all’ABS) ad un’ottima resistenza ai raggi UV e agli agenti chimici, al calore, ai graffi ed alle abrasioni.

Il Polimetilmetacrilato ha in oltre un alto coefficiente di trasmissione luminosa maggiore del policarbonato.

Di contro ha una notevole igroscopicità di conseguenza come per il PC andrà conservato al riparo dall’umidità.

• PET (Polietilene Tereftalato) / PETG (Copoliestere di Polietilene Tereftalato)

Il PET / PETG è una resina termoplastica trasparente dotata di elevata resistenza meccanica che consente di ottenere stampa robuste e durature. La G sta per Glicole, modificato per ottenere una maggiore durata rispetto al PET.

Grazie al basso coefficiente di ritiro risulta ideale per la stampa 3D di oggetti con superfici piane di grandi dimensioni e per oggetti resistenti ma più flessibili rispetto a stampe ottenute con l’ABS.

Ideale al contatto con alimenti è un materiale idrorepellente (a differenza del PLA che è idrosolubile), risulta essere quindi il materiale più idoneo per la produzione di bottiglie, ma è usato anche per fabbricare imballaggi per alimenti e innumerevoli altri articoli in plastica molto comuni.

Come filamento per la stampa 3D, il PETG ha dimostrato la sua validità come materiale durevole e facile da usare perché combina le caratteristiche meccaniche dell’ABS con una buona semplicità di stampa simile al PLA.

Filamenti Flessibili

• TPU (Poliuretano termoplastico)

Il TPU è un elastomero termoplastico, quindi un materiale flessibile ed elastico generalmente trasparente con ottima resistenza all’abrasione ed al taglio ma con scarsa resistenza termica. E’ particolarmente adatto per creazione di custodie per smartphone e parti indossabili.

Leggermente più rigido del TPE, caratteristica che lo rende più facile da utilizzare nelle stampanti dotate di bowden (un tubo che collega il motore stepper di trascinamento filo all’estrusore).

Questo materiale ha la caratteristica di rimanere elastico anche a basse temperature.

• TPE (Elastomero termoplastico)

Il TPE è un materiale in grado di produrre oggetti elastici e flessibili simili alla gomma vulcanizzata.

L’elasticità delle stampe ottenute con questo materiale è notevole, tanto da potersi deformare fino a due volte la dimensione originale per poi ritornare alla forma iniziale, senza deformazioni permanenti.

Questa caratteristica, come per il TPU, lo rende un materiale molto difficile da stampare, in particolare nelle stampanti dotate di bowden.

Filamenti Solubili

• PVA (Alcol polivinilico)

Il PVA è un materiale totalmente idrosolubile e per questo utilizzato nella maggior parte dei casi come materiale di supporto nelle stampanti con doppio estrusore, per la stampa di oggetti molto complessi che richiedono complesse strutture di supporto.

Una volta finita la stampa basterà immergere in acqua l’oggetto (acqua calda per accelerare il processo) ed aspettare che il materiale si sciolga completamente.

• HIPS (Polistirene antiurto)

L’HIPS è un materiale dalle caratteristiche simili all’ABS ma con la particolarità di essere completamente solubile nel limonene, per questa ragione come per il PVA questo materiale viene utilizzato sovente nelle stampanti a doppio estrusore per generare il materiale di supporto per la costruzione di oggetti complessi in genere realizzati in ABS.

Conclusioni

Come si può intuire la stampa 3D FDM consente l’utilizzo di una vasta gamma di materiali, quelli viti sono solo i più comuni, in realtà ne esistono molti altri.

I materiali compositi per esempio sono una famiglia in continua espansione, che consentono di mixare le caratteristiche di più polimeri come per esempio il PC/ABS, oppure i materiali caricati con fibre di carbonio o fibre di legno.

Durante questi anni i produttori di filamento hanno investito molto in ricerca e sviluppo modificando materiali come PLA o ABS, rendendo il primo più robusto con un “ricottura” in forno ed il secondo più facile da stampare.

Non tutte le stampanti però possono utilizzare indistintamente tutti questi materiali, abbiamo detto che le stampanti dotate di bowden avranno difficoltà a stampare elastomeri termoplastici.

Le stampanti con ugelli inferiori a 0,7 mm rischieranno di otturare il foro di estrusione utilizzando materiali caricati con fibre, mentre stampanti prive di piano riscaldato difficilmente potranno utilizzare materiali con una altra deformabilità durante la fase di raffreddamento.

Capire le caratteristiche della propria stampante è fondamentale per capire quali materiali poter utilizzare, per queste ragioni prima di acquistare filamenti costosi sarà buona abitudine informarsi scaricando la scheda tecnica o chiedendo al rivenditore.