Se hai mai portato un prototipo a un progettista o a un ingegnere, ti diranno la stessa cosa: una parte che ha un bell'aspetto su uno schermo CAD è buona quanto il suo materiale. In qualità di fornitore di servizi di prototipazione rapida, ho visto in prima persona come la scelta del materiale sbagliato possa trasformare un progetto apparentemente perfetto in un fallimento durante i test, che si tratti di una staffa di plastica che si spezza sotto un carico leggero, di una parte di un dispositivo medico che non può essere sterilizzata o di un componente metallico che si corrode prima ancora di raggiungere la fase di prototipo. La prototipazione rapida non significa solo trasformare velocemente un file digitale in un oggetto fisico; si tratta di abbinare ogni materiale alle tue esigenze specifiche: funzione, finitura, durata e budget. Nel corso degli anni ho lavorato con startup, team automobilistici e sviluppatori di dispositivi medici e oggi voglio analizzare i materiali che utilizziamo nei nostri processi più comuni e perché ognuno di essi è importante per il tuo progetto.
Cominciamo con il processo che è stato a lungo lo standard di riferimento per prototipi uniformi e altamente dettagliati: la stereolitografia (SLA). SLA utilizza un laser per polimerizzare la resina fotopolimerica liquida strato per strato e la sua versatilità sia nei materiali che nella finitura lo rende un punto di riferimento per qualsiasi cosa, dai modelli architettonici ai concetti di design del prodotto. Uno dei materiali SLA più popolari è la resina per uso generale, abbastanza resistente per i test funzionali ma abbastanza liscia da imitare la superficie di un prodotto finale. Ma per i progetti che necessitano di trasparenza, come la copertura di un display, un prototipo di lente o un componente di una valvola dell'acqua, niente batte la SLA Transparent Resin. Questo materiale è appositamente formulato per avere una foschia minima e una trasmissione della luce uniforme, rendendolo ideale quando la chiarezza visiva non è negoziabile. Se desideri esplorare le funzionalità SLA per il tuo progetto, puoi saperne di più nella nostra pagina per le parti stampate in 3D SLA.
Oltre alle resine generali e trasparenti, SLA offre una gamma di resine specializzate per esigenze di nicchia. Ad esempio, la resina SLA ad alta temperatura può resistere al calore fino a 150°C, perfetta per parti prototipali che verranno testate in ambienti ad alto calore come vani motore automobilistici o elementi riscaldanti di elettrodomestici. La resina SLA flessibile, invece, imita la sensazione della gomma o della plastica morbida, rendendola ideale per guarnizioni, custodie per telefoni o impugnature che devono piegarsi e flettersi senza rompersi. Ciò che mi piace di più dei materiali SLA è che ti consentono di eseguire iterazioni su parti piccole e dettagliate senza compromettere la precisione, cosa impossibile con processi a bassa risoluzione.
Successivamente, un processo che sta cambiando le regole del gioco per i prototipi di produzione: Multijet Fusion (MJF). Multijet Fusion è un tipo di variante di sinterizzazione laser selettiva (SLS) che utilizza un agente di fusione e una lampada a infrarossi per sinterizzare la polvere di nylon strato per strato e i suoi materiali sono progettati sia per la prototipazione che per la produzione in piccoli volumi. Il materiale principale di MJF è la poliammide 12 (PA12), una plastica resistente e leggera con eccellente resistenza agli urti e stabilità dimensionale. A differenza di molte resine SLA, la PA12 non richiede strutture di supporto, il che significa che è possibile stampare geometrie complesse, come sottosquadri, reticoli o canali interni, senza problemi di post-elaborazione. Ciò rende MJF ideale per parti funzionali che devono resistere a un uso ripetuto, come gruppi di ingranaggi, componenti robotici o maschere e dispositivi personalizzati. PA12 è disponibile anche in alcuni gradi: riempito con sfere di vetro per una maggiore rigidità, o con stabilizzazione UV per uso esterno, una caratteristica rara nei materiali plastici per prototipazione. Se stai considerando Multijet Fusion per il tuo prossimo progetto, abbiamo una pagina dedicata alla stampa Multijet Fusion che tratta le specifiche dei materiali e i casi d'uso in modo più dettagliato.
Ciò che distingue MJF dagli altri processi plastici è la sua capacità di produrre parti con proprietà meccaniche costanti, anche in grandi costruzioni. A differenza delle parti FDM, che possono avere linee di strato che indeboliscono la parte lungo l'asse Z, la PA12 sinterizzata MJF è isotropa, ovvero la sua resistenza è la stessa in tutte le direzioni. Si tratta di un punto di svolta per i test funzionali, perché la parte si comporta quasi esattamente come farebbe la parte di produzione finale. Recentemente ho lavorato con una startup di dispositivi medici che ha utilizzato MJF per stampare 50 parti di prova per un manico di strumento chirurgico; la presa e la resistenza agli urti del materiale PA12 hanno consentito loro di testare l'ergonomia e la durata in condizioni reali, riducendo i tempi di sviluppo di sei settimane rispetto allo SLA.
Passando alla prototipazione rapida dei metalli, che è fondamentale per settori come quello aerospaziale, automobilistico e medico che necessitano di parti metalliche con proprietà meccaniche reali. Il processo metallico più utilizzato nella nostra struttura è la fusione laser selettiva (SLM), che utilizza un laser ad alta potenza per fondere polvere metallica fine in parti solide e dense strato dopo strato. Il materiale principale di SLM è l'acciaio inossidabile 316L, una lega resistente alla corrosione standard per impianti medici, valvole industriali e apparecchiature per la lavorazione alimentare. È resistente, biocompatibile e può essere lucidato o lavorato a macchina per ottenere una finitura elevata. Lavoriamo anche con l'alluminio (AlSi10Mg), una lega leggera perfetta per componenti aerospaziali e automobilistici dove il peso è una priorità, e il titanio (Ti6Al4V), un altro materiale biocompatibile utilizzato per impianti ortopedici e parti aerospaziali ad alte prestazioni.
Un malinteso comune sulle parti metalliche SLM è che siano troppo porose o deboli per i test funzionali. Questo non è vero per il nostro processo SLM: i nostri pezzi hanno una densità superiore al 99%, pari o superiore alle proprietà del metallo lavorato tradizionalmente. Ciò significa che puoi testare la resistenza alla fatica, la capacità di carico e il comportamento alla corrosione proprio come faresti con una parte di produzione finale. Ad esempio, un cliente del settore agricolo si è rivolto a noi necessitando di una staffa metallica per l'impianto idraulico di un trattore; hanno utilizzato la stampa su metallo SLM per prototipare la parte, l'hanno testata sotto carico pesante e hanno apportato modifiche al progetto prima di passare alla produzione completa, risparmiando così uno spreco di decine di migliaia di dollari in attrezzature per un progetto difettoso. Se stai esplorando la prototipazione di metalli, la nostra pagina SLM Metal Printing contiene tutti i dettagli su specifiche dei materiali, tolleranze e tempi di consegna.
Ora, per i progetti che hanno un budget più limitato e non necessitano di proprietà isotrope o di elevato dettaglio, la modellazione a deposizione fusa (FDM) è la soluzione ideale. La FDM funziona estrudendo il filamento termoplastico attraverso un ugello riscaldato, stendendo strati per costruire la parte. Il materiale FDM più comune è il PLA (acido polilattico), una plastica biodegradabile ricavata da amido di mais o canna da zucchero. Il PLA è facile da stampare, ha una bassa deformazione ed è disponibile in un'ampia gamma di colori, rendendolo perfetto per modelli concettuali, prototipi architettonici e parti di visualizzazione che non necessitano di test funzionali pesanti. Ma il PLA ha i suoi limiti: non è resistente al calore (inizia ad ammorbidirsi intorno ai 60°C) e non è resistente come altre plastiche come l'ABS o il nylon. Ecco perché FDM è ideale per le iterazioni di progettazione in fase iniziale, quando è necessario solo verificare la forma e l'adattamento, non la piena funzionalità.
Aspetta, ma il PLA non è solo per i concetti di base. La nostra offerta PLA FDM include gradi di PLA modificati che aggiungono robustezza o resistenza al calore. Ad esempio, il PLA rinforzato con fibra di carbonio ha una resistenza alla trazione e una rigidità più elevate rispetto al PLA standard, rendendolo adatto per parti funzionali non portanti come staffe o alloggiamenti. È anche più stabile dimensionalmente, quindi non si deformerà molto durante la stampa. Un altro materiale FDM che utilizziamo è l'ABS (acrilonitrile butadiene stirene), che è più resistente del PLA, resistente al calore fino a 95°C e può essere levigato o levigato con acetone per una finitura migliore. L'ABS è ottimo per i prototipi funzionali che devono resistere agli urti, come giocattoli, parti interne di automobili o utensili. Dico sempre ai clienti che è meglio utilizzare FDM come primo passo nel processo di prototipazione, per eseguire rapidamente l'iterazione dei progetti, quindi passare a SLA, MJF o SLM per i test funzionali finali.
Allora come scegli il materiale giusto per il tuo progetto? Tutto si riduce a tre fattori chiave: cosa stai testando (forma, adattamento, funzione o estetica), per cosa verrà utilizzata la parte (ambienti, carico, esigenze di sterilizzazione), budget e tempistica. Se non sei sicuro, è del tutto normale: la maggior parte delle volte collaboriamo con i clienti per testare alcuni materiali prima di trovare quello giusto. Ad esempio, una startup con cui abbiamo lavorato l'anno scorso voleva un involucro elettronico personalizzato: prima ha utilizzato PLA FDM per ripetere la forma, poi è passato alla resina generale SLA per ottenere una superficie liscia per la verniciatura e il marchio, quindi ha eseguito test funzionali finali con ABS FDM per assicurarsi che l'involucro potesse resistere a cadute e sbalzi di temperatura.
Una cosa che sottolineo sempre è che non esiste un materiale “uguale per tutti” nella prototipazione rapida. Un materiale perfetto per un prototipo di gioielleria (come la resina SLA ad alto dettaglio) non funzionerà per un componente industriale portante e una parte SLM in metallo sarebbe eccessiva per un concetto di prodotto usa e getta. Ecco perché avere un partner che comprende i pro e i contro di ciascun materiale ha un valore inestimabile: abbiamo visto clienti sprecare migliaia di dollari scegliendo il materiale sbagliato, sia che si tratti di utilizzare una resina SLA che si rompe sotto carico o una parte metallica troppo pesante per il loro progetto.
In fin dei conti, esistono servizi di prototipazione rapida per trasformare le tue idee in parti tangibili e testabili, e il materiale ne è il fondamento. Che tu abbia bisogno di parti SLA ad alto dettaglio per la progettazione del prodotto, robusto nylon MJF per test funzionali, metallo SLM denso per componenti industriali o PLA FDM conveniente per i primi concetti, abbiamo l'esperienza per aiutarti a fare la scelta giusta. Se sei pronto per iniziare il tuo prossimo progetto di prototipazione o hai semplicemente domande sui materiali, il nostro team è qui per aiutarti a seguire ogni passaggio. Contattaci per discutere delle tue esigenze e ottenere un preventivo personalizzato per il tuo progetto.
Riferimenti:
- Gibson, I., Rosen, DW e Stucker, B. (2015). Tecnologie di produzione additiva: stampa 3D, prototipazione rapida e produzione digitale diretta. Springer.
- Kalpakjian, S. e Schmid, SR (2020). Processi di produzione per materiali tecnici (7a ed.). Pearson.
- Pham, DT e Gault, RS (1998). Un confronto tra le tecnologie di prototipazione rapida. Giornale internazionale di macchine utensili e produzione, 38(10-11), 1257-1287.
- ASTM Internazionale. (2021). Guida standard per la valutazione delle proprietà meccaniche delle parti polimeriche di produzione additiva. ASTM F2924-21.