Magigoo | Materiali flessibili per la stampa 3D: una breve guida

La stampa 3D di materiali flessibili può essere tanto impegnativa quanto entusiasmante. Tuttavia, la scelta del materiale flessibile giusto per la tua applicazione e la configurazione di stampa può essere ancora meno semplice! I materiali flessibili sono disponibili in una serie di varietà. Da materiali morbidi che possono essere facilmente deformati prima di tornare alla loro forma originale, a materiali solidi che si flettono solo leggermente sotto carico. La facilità di deformazione del materiale dipende dalla rigidità del materiale ed è spesso indicata dal valore di durezza.

Cosa rende flessibile un materiale?

Come forse già saprai, i materiali termoplastici diventano più morbidi all'aumentare della temperatura poiché a temperature più elevate le molecole polimeriche possono muoversi più liberamente. Infatti a temperature particolari (o sopra un intervallo di temperatura) i materiali termoplastici diventeranno notevolmente più morbidi e inizieranno a comportarsi più come un materiale gommoso morbido invece che come una plastica rigida e dura. Questo punto è noto come temperatura di transizione da vetro a gomma e il suo valore dipende dal tipo di materiale. Alcuni materiali come il PLA hanno una temperatura di transizione vetrosa bassa (~ 60 ° C) mentre altri materiali come ULTEM1010 hanno una temperatura di transizione vetrosa elevata (~ 210°C)!

A differenza della maggior parte delle altre termoplastiche, i TPE sono flessibili ed elastici a temperatura ambiente e, a differenza delle gomme termoindurenti naturali, i TPE possono ancora essere rimodellati in forma mediante riscaldamento. Ciò è dovuto al fatto che i TPE sono generalmente copolimeri (o una miscela fisica di polimeri) di componenti in plastica e gomma. Pertanto questi materiali possono presentare i vantaggi di entrambe le classi di materiali a causa della presenza di regioni morbide e dure nella microstruttura del materiale.

Uno dei primi esempi di TPE disponibili in commercio è stato il TPU (poliuretano termoplastico) che è diventato disponibile negli anni '50. In seguito a questi copolimeri a blocchi di stirene (SBS) sono diventati disponibili negli anni '60 con più TPE che sono diventati disponibili negli anni '70. Osservando la microstruttura di SBS si può facilmente capire come la struttura dia origine alle proprietà uniche degli elastomeri termoplastici.

Poiché SBS ha regioni dure simili a sfere o aste interconnesse con regioni gommose morbide, le regioni gommose possono deformarsi quando viene applicata una sollecitazione. Questo fa sì che le catene si riorientino e si "raddrizzino", tornando alla loro posizione originale quando lo stress è alleviato. I domini di plastica dura infatti agiscono come collegamenti incrociati fisici aiutando il materiale a ritrovare la sua forma originale. Tuttavia, una volta riscaldati, i domini di plastica si ammorbidiranno e consentiranno di rimodellare il materiale.

Materiali flessibili

Oggigiorno sono disponibili una miriade di tipi di TPE per quasi tutte le applicazioni. Tuttavia ci concentreremo sui materiali disponibili per la stampa FDM. 

Questi includono:

• TPE: elastomero termoplastico, questo termine è utilizzato principalmente come nome generico per filamenti flessibili e può essere utilizzato per descrivere la maggior parte dei materiali flessibili disponibili per FDM
• TPU : il poliuretano termoplastico descrive un insieme di polimeri che di solito si trovano all'estremità rigida dello spettro. Ciò li rende utili per le parti che richiedono una certa rigidità e sono anche più facili da stampare.
• TPA : le poliammidi termoplastiche sono copolimeri a blocchi TPE di nylon (poliammide) e polieteri o poliesteri. Questi materiali sono utilizzati in applicazioni più impegnative, specialmente a temperature più basse. Un esempio di questo materiale è PCTPE ("Plasticized Copolyamide TPE"), prodotto da Taulmann.
• TPC : copolimero termoplastico, questi filamenti sono generalmente derivati ​​da materiale biologico e sono più facili da riciclare. Questi materiali possono essere abbastanza morbidi e quindi potrebbero essere più difficili da stampare. Inoltre, a differenza dei TPU, questi materiali sono più inclini a deformarsi durante la stampa.
• PLA morbido : il PLA può essere modificato chimicamente per comportarsi più come un filamento flessibile. Il PLA morbido tende ad essere leggermente meno rigido del TPU medio.

Scegliere il giusto TPE

La scelta del materiale flessibile giusto per la vostra applicazione dipenderà ovviamente dai requisiti meccanici. In effetti, uno dei motivi principali per cui i TPE sono considerati è la loro flessibilità ed elasticità. Per questo motivo i TPE hanno comunemente una chiara indicazione della loro durezza Shore, che indica la loro morbidezza.

I materiali duri tendono a richiedere molta forza per deformarsi mentre i materiali morbidi possono essere facilmente deformati con poca forza. Tuttavia, in termini ingegneristici, la durezza si riferisce alla resistenza di un materiale alla deformazione plastica localizzata per indentazione o abrasione. Nel caso degli elastomeri gli ingegneri di solito si preoccupano maggiormente della resistenza dei materiali alla deformazione.

Durezza Shore?

La durezza shore si riferisce a una scala definita da Albert Ferdinand Shore (1920) per misurare la durezza utilizzando un durometro. Un durometro è un dispositivo che misura la profondità della rientranza in un materiale come risultato di una specifica forza applicata. Esistono diverse scale di costa, che si basano su diversi metodi di indentazione. Tuttavia, le scale più usate sono di tipo A e D, con la prima scala più adatta per materiali più morbidi. La conversione tra le due scale è possibile anche se sconsigliata a causa della debole correlazione tra le scale.

Tipicamente i TPE FDM presentano una durezza Shore A compresa tra 80 A e 100 A, ciò corrisponde a una durezza Shore D compresa tra 40D e 60D (circa). Un numero inferiore indica un materiale più morbido. Tipicamente i materiali FDM con una durezza Shore A di circa 90A o inferiore sono piuttosto difficili da stampare a causa della bassa rigidità del filamento. Questi materiali sono ideali per le parti che devono essere morbide ed elastiche. D'altra parte, i materiali con un'imbracatura Shore di 95A e superiore sono più facili da stampare poiché questi materiali sono più rigidi e più adatti negli scenari in cui sono richieste tenacità e rigidità come per pneumatici e soffietti stampati.

Tuttavia, quando si guarda un materiale flessibile, la durezza shore non racconta necessariamente l'intera storia. Si raccomanda inoltre di considerare la rigidità (Modulo di Young) e la duttilità del materiale in funzione dell'applicazione richiesta. La tabella seguente fornisce un riepilogo delle proprietà di diversi materiali TPE disponibili per la stampa 3D.

Inoltre si deve anche considerare che la geometria e la densità della parte stampata finale avranno una marcata influenza sulla deformabilità di una parte.

I valori presentati in questa tabella sono stati ottenuti dai siti web e dalle schede tecniche dei produttori. Poiché i produttori possono utilizzare metodi di prova diversi, alcuni valori non possono essere confrontati direttamente e servono solo a fornire un'indicazione delle proprietà meccaniche. Inoltre le proprietà meccaniche della parte stampata dipenderanno molto dai parametri di stampa e dall'orientamento della parte stampata. 

Applicazioni dei TPE

• Smorzamento delle vibrazioni e resistenza agli urti : i materiali flessibili tendono ad assorbire abbastanza bene l'energia all'impatto. Inoltre, a causa della loro minore rigidità e maggiore elasticità rispetto ad altri materiali, questi materiali hanno buone proprietà di smorzamento delle vibrazioni. Di conseguenza, i materiali flessibili sono buoni candidati per l'uso come ammortizzatori, pneumatici, custodie e giunti

• Presa ed ergonomia: alcuni TPE possono essere particolarmente morbidi e avere una finitura gommosa opaca. Questo li rende ideali per l'uso in parti ergonomiche come maniglie e punti di contatto.
• Durata : i materiali flessibili possono in genere subire grandi deformazioni elastiche e tendono a mostrare un'elevata tenacità e adesione tra gli strati. Di conseguenza, questi materiali sono ideali per l'uso in applicazioni che comportano carico ciclico e requisiti di elevata tenacità come soffietti e tubi flessibili.

• Resistenza chimica e termica : in alcuni casi, i TPE utilizzati per soffietti e tubi flessibili dovranno essere utilizzati in ambienti in cui le parti sono esposte a temperature elevate e prodotti a base di petrolio come le automobili. TPU specializzati come DSM Arnitel ID 2060HT sono in grado di sopportare tali condizioni rendendoli ideali per la produzione di prototipi e parti funzionali.
• Tenute : grazie alla capacità dei TPE (soprattutto quelli più morbidi) di deformarsi facilmente, questi materiali sono ideali per l'uso come tenute e guarnizioni.

• Sostituzione della gomma: sebbene la stampa 3D di materiali in gomma non sia possibile sulle macchine FDM, i TPE possono essere utilizzati come alternativa per produrre parti e prototipi simili alla gomma.
• Divertente : ultimo ma non meno importante, la stampa in materiali TPE è l'ideale per la produzione di parti flessibili utili e meno utili tra cui: custodie per telefoni, portafogli, antistress e giocattoli flessibili.

Materiali flessibili per la stampa 3D

Siamo abbastanza sicuri che non vedi l'ora di iniziare (o continuare) la stampa con materiali TPE, tuttavia prima di farlo è una buona idea rallentare e considerare le avvertenze quando si stampa questo materiale.

Un filamento che ama piegarsi

I TPU e soprattutto i TPE più morbidi sono molto flessibili e facili da piegare. Di conseguenza questi materiali tendono ad essere difficili da spingere attraverso il sistema di estrusione poiché il filamento si deforma molto facilmente. In effetti, si consiglia spesso di utilizzare un estrusore a trasmissione diretta per la maggior parte dei TPE, ad eccezione dei materiali più rigidi che possono essere stampati anche con una configurazione bowden. I materiali più morbidi potrebbero anche richiedere un estrusore specializzato per la stampa affidabile di materiali flessibili e morbidi.

A causa della sua intrinseca morbidezza ed elasticità, il filamento TPE tende spesso a incepparsi e attorcigliarsi all'interno del sistema di estrusione, specialmente quando vi è una tolleranza generosa. Gli estrusori specializzati hanno spesso tolleranze molto strette e doppia trasmissione per spingere meglio il filamento verso l'ugello.

Stampalo lentamente

Tuttavia, per evitare inceppamenti e garantire un'estrusione uniforme, si consiglia di stampare TPE morbidi a velocità inferiori di 20-40 mm / se mantenere la velocità di avanzamento il più costante possibile. Di conseguenza, si consiglia spesso di ridurre al minimo il numero di ritrazioni il più possibile e di mantenere la velocità e la distanza di ritrazione più basse possibile. agli utenti inesperti, si consiglia spesso di disabilitare la retrazione quando si stampa con filamenti flessibili.

Infine è anche una buona idea controllare ed eliminare qualsiasi resistenza sulla bobina del filamento poiché il filamento può allungarsi e potenzialmente portare a una sottoestrusione.

Ooze and stringing

Un altro inconveniente della stampa di TPE è che le stampe risultanti tendono ad avere una stringa pronunciata a causa del fatto che il materiale è più incline a fuoriuscire dall'ugello. Questo è anche il risultato dell'elasticità del filamento che spesso significa che il materiale nell'estremità calda può impiegare più tempo per rispondere ai cambiamenti di pressione.

Un'attenta applicazione della retrazione unita a un efficiente sistema di estrusione può aiutare ad eliminare la melma e le incordature. Anche altre impostazioni come l'andare per inerzia e l'evitare spostamenti esterni contribuiranno a ridurre questi artefatti. Tuttavia, una piccola quantità di stringhe può essere facilmente rimossa mediante un'attenta applicazione di aria calda da una pistola termica.

Adesione e rimozione di parti

Per quanto riguarda l'adesione, i TPE generalmente tendono a mostrare due tipi di comportamenti. I TPU tipicamente aderiscono troppo bene alla maggior parte delle superfici di stampa, questo significa che, sebbene l'adesione non sia un problema durante la stampa, rimuovere una stampa può essere piuttosto difficile. Di conseguenza, c'è una buona probabilità che la parte morbida e flessibile possa essere danneggiata durante la rimozione della stampa. D'altra parte altri TPE e TPC non si attaccano troppo bene alla maggior parte delle superfici della piastra di costruzione, il che significa che la deformazione sarà un problema significativo.

Magigoo Flex è stato progettato pensando a entrambi questi problemi. Come adesivo di primo strato, fornisce una forte base adesiva per TPE ad alte prestazioni come DSM Arnitel, DuPont Hytrel e altri TPC e TPE. D'altra parte garantisce che i TPU e altri materiali flessibili * che tendono ad aderire bene possano essere facilmente rimossi dalla superficie di costruzione semplicemente applicando acqua come mostrato di seguito.

* Nota Magigoo Flex non è consigliato per l'uso con altri materiali FDM come PLA, ABS e PET-G su superfici in vetro. 

Credits @magigoo.com