Dalla stampa a filamento al granulo per i polimeri ad alte prestazioni
Malping GmbH sta ampliando le proprie capacità nella produzione additiva di componenti realizzati con tecnopolimeri e polimeri ad alte prestazioni, puntando sulla combinazione di stampa 3D a filamento, estrusione diretta da granulo e lavorazioni meccaniche CNC.
L’azienda, con sede a Neuhausen auf den Fildern, nell’area di Stoccarda, concentra la propria attività su applicazioni nelle quali materiali plastici convenzionali come ABS, PETG o poliammidi standard non garantiscono caratteristiche termiche, chimiche o meccaniche sufficienti.
Il portafoglio comprende materiali come PEEK, PEKK, PPS rinforzato con fibra di vetro, diverse formulazioni di PEEK caricato e ULTEM 9085. Accanto a questi rimangono disponibili tecnopolimeri meno costosi, compresi poliammidi rinforzati e policarbonati, quando le condizioni di esercizio non giustificano l’impiego di un materiale della fascia più alta.
Il punto centrale dell’impostazione di Malping GmbH è infatti quello di partire dalla funzione richiesta al componente anziché dal materiale. Temperatura di esercizio, esposizione a sostanze chimiche, carichi meccanici, isolamento elettrico, comportamento al fuoco, tolleranze e quantità produttive vengono valutati prima di scegliere sia il polimero sia il processo di fabbricazione.
Questa impostazione assume un peso particolare nella produzione additiva con materiali come PEEK e PPS, perché il costo della materia prima rappresenta soltanto una parte della difficoltà complessiva. Essiccazione, temperature di estrusione, controllo termico del componente durante la deposizione, cristallizzazione e trattamenti successivi possono influenzare in modo significativo il risultato finale.
PEEK, PPS e PEI richiedono un controllo del processo molto più rigoroso
Il PEEK, acronimo di polietereterchetone, appartiene alla famiglia dei polimeri PAEK ed è utilizzato quando sono richieste resistenza alle alte temperature, stabilità chimica, buone proprietà meccaniche e contenimento del peso.
A seconda del grado e delle condizioni di prova, formulazioni di PEEK possono essere impiegate continuativamente a temperature nell’ordine dei 250-260 °C. Victrex, uno dei principali produttori mondiali di PEEK, indica per alcune proprie formulazioni temperature di utilizzo continuo fino a circa 260 °C.
Il materiale è inoltre caratterizzato da un’elevata resistenza a numerosi agenti chimici e può rappresentare un’alternativa ai metalli in applicazioni nelle quali massa, corrosione, isolamento elettrico o inerzia chimica assumono un ruolo importante.
Queste proprietà hanno però un costo produttivo. Il PEEK fonde a temperature superiori a 340 °C e la sua lavorazione additiva richiede sistemi capaci di raggiungere temperature dell’estrusore superiori a quelle utilizzate per i comuni materiali da stampa 3D.
Non è sufficiente riscaldare il materiale fino alla fusione. Il controllo della temperatura durante la costruzione condiziona la cristallizzazione, l’adesione tra gli strati, le tensioni interne e la stabilità dimensionale del pezzo.
Anche il PPS, polifenilensolfuro, richiede una gestione accurata. Malping GmbH utilizza tra le altre formulazioni PPS-GF20, cioè PPS contenente il 20% di fibra di vetro. Una delle formulazioni impiegabili è Fiberon PPS-GF20 di Polymaker, materiale destinato a componenti industriali che combina rigidità, stabilità dimensionale, isolamento elettrico e comportamento autoestinguente classificato UL94 V0 a determinati spessori.
Le fibre di vetro aumentano la rigidità del materiale e riducono parte delle deformazioni tipiche dei polimeri sottoposti a variazioni termiche. La loro presenza rende tuttavia il materiale abrasivo nei confronti dell’ugello di estrusione. Per questo Malping GmbH utilizza, nelle applicazioni più impegnative, ugelli resistenti all’usura, comprese soluzioni in diamante policristallino.
Un discorso differente riguarda ULTEM 9085, marchio di SABIC basato su una miscela di polieterimmide, o PEI. Questo materiale è utilizzato soprattutto quando alle proprietà termiche e meccaniche devono essere associate caratteristiche relative a fiamma, fumo e tossicità. SABIC ha sviluppato ULTEM 9085 anche per applicazioni nel settore aeronautico e dei trasporti, dove sono richiesti requisiti specifici sul comportamento al fuoco.
Malping affianca FFF e FGF invece di scegliere un solo processo
La strategia produttiva di Malping GmbH è basata sulla disponibilità di due tecnologie di estrusione complementari.
La prima è la FFF, Fused Filament Fabrication, nella quale il materiale viene fornito sotto forma di filamento. È il principio utilizzato dalla maggior parte delle stampanti 3D a estrusione, anche se nel caso di PEEK e altri polimeri ad alte prestazioni macchine e parametri di processo sono molto più impegnativi rispetto ai sistemi desktop.
La disponibilità di ugelli a partire da circa 0,2 mm permette alla stampa a filamento di realizzare geometrie dettagliate, pareti sottili e componenti di dimensioni contenute. Questa caratteristica la rende interessante per prototipi funzionali, pezzi singoli e piccole serie nelle quali la precisione geometrica ha più importanza della quantità di materiale depositata nell’unità di tempo.
La seconda tecnologia è la FGF, Fused Granulate Fabrication, nella quale il materiale viene alimentato direttamente sotto forma di pellet.
È proprio sul granulo che Malping GmbH sta concentrando una parte significativa dello sviluppo della propria capacità produttiva.
Perché eliminare il passaggio dal granulo al filamento può ridurre i costi
La maggior parte dei termoplastici industriali nasce sotto forma di granulo. È il formato utilizzato, per esempio, dalle presse a iniezione.
Per trasformare lo stesso materiale in filamento per la stampa FFF occorre una lavorazione aggiuntiva. Il polimero viene estruso in un filo di diametro controllato, raffreddato, avvolto su bobine, sottoposto a controlli dimensionali e confezionato.
Con materiali di largo consumo questo passaggio può avere un’incidenza accettabile. Con un materiale costoso e difficile da trasformare come il PEEK, la differenza diventa molto più significativa.
Malping GmbH indica per il PEEK da filamento prezzi che, a seconda del produttore e della formulazione, possono raggiungere diverse centinaia di euro al chilogrammo, mentre il corrispondente materiale in granulo può essere disponibile a valori sensibilmente inferiori.
Per componenti voluminosi, sui quali vengono utilizzati diversi chilogrammi di materiale, il vantaggio economico può diventare determinante.
Secondo le valutazioni di Malping GmbH, in alcune applicazioni di grandi dimensioni l’impiego diretto del granulo può ridurre i costi unitari del 40-60% rispetto alla produzione a filamento. Il valore effettivo dipende naturalmente dalla geometria, dal materiale, dalle quantità, dai tempi macchina e dalla necessità di operazioni successive.
Il vantaggio del FGF non riguarda però soltanto il prezzo della materia prima.
NEW AIM3D ExAM 510 porta il granulo nel campo dei componenti industriali
Per la produzione FGF, Malping GmbH utilizza una ExAM 510 costruita da NEW AIM3D GmbH, azienda con sede a Rostock specializzata in sistemi di produzione additiva alimentati a pellet.
La macchina dispone di un volume di costruzione di 510 × 510 × 410 mm, sufficiente per realizzare componenti di dimensioni molto maggiori rispetto a quelli tipicamente prodotti sui sistemi a filamento dedicati ai tecnopolimeri.
La NEW AIM3D ExAM 510 è dotata di estrusori CEM-E3 capaci di raggiungere temperature fino a 425 °C e di un piano di costruzione riscaldabile fino a 275 °C. La configurazione può comprendere due estrusori per granulo e un estrusore aggiuntivo per filamento.
La presenza di più unità di estrusione permette di affrontare configurazioni multimateriale e strategie nelle quali materiale strutturale e materiale di supporto devono essere gestiti separatamente.
NEW AIM3D GmbH ha progettato la piattaforma come sistema materialmente aperto: la macchina non è quindi vincolata esclusivamente a una gamma proprietaria di pellet. Questo aspetto è importante perché uno dei principali vantaggi della produzione da granulo è proprio la possibilità di accedere al vastissimo catalogo di compound sviluppati per l’industria dello stampaggio a iniezione.
Cariche in fibra di vetro, fibra di carbonio, minerali, grafite e altre formulazioni funzionali possono così diventare candidate per la produzione additiva, a condizione che caratteristiche reologiche, granulometria, temperature e processo di estrusione siano compatibili.
Velocità di deposizione e grandi volumi cambiano l’economia del processo
Uno dei limiti della stampa a filamento di grandi componenti è la quantità di materiale che l’estrusore riesce a depositare nell’unità di tempo.
Malping GmbH indica per i propri sistemi FFF valori tipici nell’ordine di 50-100 grammi all’ora, mentre con il processo a granulo può raggiungere portate fino a circa 500 grammi all’ora in condizioni adeguate.
La velocità effettiva non va però confusa con la velocità massima dichiarata della macchina. Dipende dal materiale, dalla geometria, dallo spessore degli strati, dal diametro dell’ugello e dai requisiti qualitativi del componente.
NEW AIM3D GmbH indica per la ExAM 510, con materiali come PA6 rinforzato con il 30% di fibra di vetro, velocità lineari che possono raggiungere 500 mm/s. La macchina utilizza assi ad alte prestazioni e una struttura con una massa di circa 3.500 chilogrammi, scelta progettuale finalizzata a mantenere stabilità durante movimenti ad alta accelerazione.
La combinazione tra volume di costruzione e capacità di estrusione consente a Malping GmbH di produrre in un unico pezzo componenti che, con una macchina FFF più piccola, dovrebbero essere divisi in diverse sezioni e assemblati.
Eliminare giunzioni, adesivi o sistemi di fissaggio può essere particolarmente importante quando il componente deve resistere a carichi, temperatura o agenti chimici.
FFF e FGF non sono tecnologie concorrenti in ogni applicazione
Il granulo non sostituisce automaticamente il filamento.
Per un componente piccolo, ricco di dettagli, con pareti sottili o elementi geometrici minuti, la FFF può rimanere la soluzione più razionale. Ugelli piccoli e quantità ridotte di materiale rendono meno importante il vantaggio economico del pellet.
Quando aumentano volume del componente e massa di materiale, il bilancio cambia.
Malping GmbH valuta per ogni pezzo la convenienza tra le due tecnologie considerando geometria, dimensioni, materiale e quantità. L’azienda indica il passaggio a FGF come particolarmente interessante per componenti voluminosi, pur precisando che non esiste una soglia economica universale valida per qualsiasi applicazione.
Anche la disponibilità del materiale può essere decisiva. Esistono compound industriali disponibili sotto forma di granulo che non vengono prodotti come filamento. In questi casi la FGF non offre soltanto un risparmio, ma permette di lavorare una formulazione altrimenti difficile da utilizzare mediante estrusione additiva.
Il caso dei connettori ad alta tensione in PEEK
Tra le applicazioni presentate da Malping GmbH figurano connettori ad alta tensione realizzati in PEEK non rinforzato per un cliente nel settore dell’elettronica di potenza.
In questo caso sono richieste contemporaneamente proprietà di isolamento elettrico, resistenza termica, robustezza e capacità di mantenere la geometria durante il funzionamento.
La presenza di geometrie di contatto relativamente fini porta Malping GmbH a utilizzare il processo FFF invece della deposizione da granulo.
Il vantaggio della produzione additiva, rispetto a una soluzione mediante stampaggio a iniezione, risiede soprattutto nelle quantità ridotte e nella possibilità di modificare rapidamente il progetto.
Non essendo necessario costruire uno stampo, una modifica CAD può essere trasferita alla successiva produzione senza dover sostituire un’attrezzatura dedicata. Per serie limitate, ricambi o componenti soggetti a modifiche progettuali, questo fattore può compensare una produttività inferiore rispetto allo stampaggio tradizionale.
PPS-GF20 per telai e componenti destinati all’elettronica
Un’altra applicazione riguarda telai per circuiti stampati realizzati in PPS-GF20.
Qui il requisito non è semplicemente la temperatura massima sopportabile. Il componente deve combinare isolamento elettrico, rigidità, stabilità dimensionale e comportamento al fuoco.
Una formulazione come Fiberon PPS-GF20 di Polymaker utilizza il 20% di fibra di vetro e raggiunge, dopo il trattamento termico specificato dal produttore, una temperatura di deflessione sotto carico HDT di circa 236 °C a 0,45 MPa.
Polymaker indica inoltre per il materiale un modulo elastico di circa 4,55 GPa nelle condizioni di prova dichiarate e una classificazione UL94 V0 a 1,5 mm.
Questi dati mostrano perché un materiale di questo tipo possa risultare interessante nell’elettronica industriale: permette di realizzare elementi rigidi e isolanti senza ricorrere automaticamente a PEEK, il cui costo può risultare superiore alle necessità dell’applicazione.
Malping GmbH utilizza quindi FFF per versioni più piccole e dettagliate e FGF per componenti più grandi o per produzioni nelle quali il consumo di materiale rende più importante l’economia del granulo.
Il trattamento termico è parte integrante della produzione
Con polimeri semicristallini come PEEK e PPS, la qualità finale non dipende soltanto dalla fase in cui l’ugello deposita il materiale.
La cristallizzazione influenza proprietà meccaniche, comportamento termico e stabilità dimensionale. Un raffreddamento non controllato può generare tensioni, deformazioni e differenze tra aree del componente.
Per alcune formulazioni diventa quindi utile o necessario un trattamento termico dopo la stampa.
Nel caso del Fiberon PPS-GF20 di Polymaker, il produttore prevede un processo di ricottura per ottenere le prestazioni termiche dichiarate. Malping GmbH integra questo tipo di operazione nel proprio flusso produttivo quando richiesto dal materiale.
Anche l’umidità viene gestita con attenzione. L’essiccazione prima dell’estrusione è un parametro importante nella lavorazione dei tecnopolimeri perché acqua e contaminazioni possono modificare il comportamento del materiale allo stato fuso e compromettere la qualità del pezzo.
Dal near-net-shape alle tolleranze tramite CNC
La produzione additiva non è sempre sufficiente quando un componente deve essere montato direttamente in una macchina o accoppiato con altre parti mediante tolleranze ristrette.
Malping GmbH affronta questo limite integrando la stampa 3D con la lavorazione meccanica.
Il componente viene inizialmente prodotto con geometria prossima a quella definitiva, lasciando materiale aggiuntivo nelle aree che richiedono maggiore precisione. Le superfici funzionali vengono quindi fresate, forate o filettate.
Secondo Malping GmbH, la lavorazione CNC eseguita in collaborazione con un partner specializzato permette di raggiungere su determinate superfici tolleranze nell’ordine di ±0,05 mm.
Questo approccio è particolarmente interessante con PEEK e altri materiali costosi. Invece di ricavare l’intero componente da una piastra o da una barra mediante asportazione di truciolo, è possibile stampare un preformato vicino alla geometria finale e asportare soltanto il materiale necessario per ottenere le superfici critiche.
Il risultato è una catena produttiva ibrida nella quale stampa 3D e lavorazione sottrattiva svolgono compiti differenti.
La produzione di preforme apre un confronto diretto con la lavorazione dal pieno
La possibilità di stampare preforme in PEEK, PEKK o altri polimeri costosi rappresenta uno degli aspetti più interessanti della produzione da granulo.
Per ottenere mediante CNC un componente con geometria complessa può essere necessario partire da un semilavorato molto più grande del pezzo finito. Una percentuale significativa del materiale viene quindi trasformata in truciolo.
Con materiali di costo elevato, questo incide in modo sensibile sull’economia complessiva.
La FGF permette invece di realizzare una forma vicina al componente finale. La macchina utensile interviene soltanto sulle zone nelle quali occorre una precisione che il processo additivo non può garantire direttamente.
Questo modello produttivo non elimina la lavorazione CNC, ma ne modifica il ruolo: da processo principale per la generazione della geometria a processo di finitura delle aree funzionali.
ULTEM 9085 amplia le possibilità nei settori con requisiti FST
Tra i materiali compatibili con l’approccio adottato da Malping GmbH e NEW AIM3D GmbH figura ULTEM 9085 di SABIC.
Il materiale appartiene alla famiglia PEI ed è stato sviluppato per applicazioni nelle quali resistenza termica e meccanica devono essere combinate con requisiti relativi alla propagazione della fiamma, alla produzione di fumo e alla tossicità.
SABIC indica ULTEM 9085 per applicazioni aeronautiche conformi a specifici requisiti FAR 25.853 e ai criteri OSU relativi al rilascio di calore.
NEW AIM3D GmbH ha lavorato sulla qualificazione di ULTEM 9085 sotto forma di granulo sulla ExAM 510, con l’obiettivo di trasferire alla produzione additiva un materiale normalmente disponibile per processi industriali convenzionali senza doverlo trasformare preventivamente in filamento.
Per settori come aerospazio, trasporti, macchine industriali e apparecchiature elettriche, la disponibilità di materiali tecnici direttamente in pellet può ampliare il numero delle applicazioni economicamente sostenibili.
Dal prototipo al componente funzionale in piccole e medie serie
La direzione seguita da Malping GmbH riguarda soprattutto un segmento compreso tra prototipazione e produzione di massa.
Lo stampaggio a iniezione conserva un vantaggio sostanziale quando devono essere prodotti grandi numeri dello stesso componente. Una volta ammortizzato lo stampo, il tempo ciclo e il costo unitario difficilmente possono essere eguagliati da una tecnologia di estrusione additiva.
La situazione cambia con pezzi singoli, ricambi, serie limitate, geometrie soggette a frequenti aggiornamenti o componenti per i quali la costruzione di uno stampo inciderebbe troppo sul costo totale.
Qui la combinazione di FFF, FGF e CNC adottata da Malping GmbH permette di scegliere il percorso produttivo in funzione del componente invece di adattare ogni progetto a una sola macchina.
Un pezzo piccolo e preciso può essere realizzato a filamento. Un componente voluminoso può passare al granulo. Le superfici che richiedono tolleranze strette possono essere riprese a macchina utensile.
La scelta del materiale diventa una decisione economica oltre che tecnica
L’aspetto forse più significativo dell’impostazione di Malping GmbH riguarda il rapporto tra prestazioni e costo.
PEEK possiede caratteristiche che lo rendono indispensabile in determinate applicazioni, ma utilizzarlo quando una poliammide rinforzata, un policarbonato o un PPS soddisfano già le specifiche significa aumentare senza necessità il costo del componente.
Lo stesso vale per la tecnologia di stampa.
La maggiore produttività del FGF non rende il processo automaticamente migliore della FFF, così come la maggiore precisione della stampa a filamento non la rende necessariamente conveniente per un componente da diversi chilogrammi.
Per questo Malping GmbH sta costruendo la propria offerta attorno alla possibilità di combinare materiali e processi differenti, mentre NEW AIM3D GmbH fornisce la piattaforma industriale che consente di utilizzare direttamente granulati destinati alla trasformazione termoplastica.
Il risultato è un modello di produzione additiva rivolto meno alla semplice realizzazione di prototipi e più alla fabbricazione di componenti funzionali, preforme, attrezzature, ricambi e piccole o medie serie.
Per PEEK, PPS, PEKK, PEI e compound rinforzati, la questione non è quindi soltanto stabilire se un pezzo possa essere stampato in 3D. Il problema industriale consiste nel determinare con quale materiale, con quale forma di materia prima, con quale tecnologia e con quali operazioni di finitura sia possibile ottenere la funzione richiesta a un costo sostenibile.
È precisamente su questa combinazione tra selezione del polimero, stampa FFF, estrusione FGF da pellet e lavorazione CNC che Malping GmbH sta concentrando l’espansione delle proprie attività nella produzione additiva con polimeri ad alte prestazioni.
“Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)”
