La crescita della stampa 3D ceramica sta facendo emergere un problema meno visibile delle prestazioni delle macchine, ma determinante per portare questi processi verso una produzione industriale ripetibile: come misurare in modo uniforme il comportamento degli slurry ceramici utilizzati durante la stampa.
Il National Institute of Standards and Technology (NIST) statunitense sta sviluppando un materiale di riferimento basato su una sospensione di particelle di ossido di zirconio che dovrebbe consentire a laboratori, produttori di materiali e utilizzatori di confrontare con maggiore precisione le misurazioni ottenute attraverso i propri reometri.
Il progetto affronta un problema concreto. Due laboratori possono analizzare apparentemente lo stesso materiale ceramico utilizzando strumenti simili e ottenere valori differenti. Nella produzione additiva questo rende difficile stabilire specifiche comuni per una materia prima e, soprattutto, prevedere con sufficiente precisione come quella materia prima si comporterà all’interno di una stampante 3D.
Il NIST vuole quindi creare qualcosa di simile a un punto di riferimento condiviso: un materiale con un comportamento reologico ben caratterizzato che permetta di controllare strumenti, procedure di prova e risultati.
L’iniziativa fa parte di un programma più ampio del NIST dedicato alla standardizzazione dell’additive manufacturing ceramico, nel quale l’istituto collabora anche con organismi internazionali come ASTM International e International Organization for Standardization (ISO).
Gli slurry sono una delle materie prime fondamentali della stampa 3D ceramica
Numerosi processi di additive manufacturing per ceramiche non utilizzano direttamente polveri asciutte. Le particelle ceramiche vengono disperse all’interno di un liquido creando una sospensione, normalmente indicata come slurry o, nella terminologia tradizionale della lavorazione ceramica, barbottina.
Il comportamento di questa sospensione è fondamentale.
Nel Direct Ink Writing (DIW), per esempio, il materiale deve riuscire a fluire attraverso l’ugello quando viene applicata una pressione, ma una volta depositato deve recuperare rapidamente una consistenza sufficiente a mantenere la forma.
Se rimane troppo fluido, gli strati possono deformarsi e collassare.
Se è eccessivamente viscoso, l’estrusione diventa difficile, la pressione necessaria aumenta e il flusso può diventare irregolare.
Un problema analogo si presenta nei processi di Vat Photopolymerization, che comprendono tecnologie come SLA e DLP adattate alla produzione ceramica.
In questo caso le particelle ceramiche vengono disperse all’interno di una resina fotosensibile. Il materiale deve essere sufficientemente fluido da ridistribuirsi correttamente dopo ogni esposizione, ma nello stesso tempo deve contenere una quantità elevata di particelle ceramiche per consentire di ottenere, dopo debinding e sinterizzazione, un componente sufficientemente denso.
La formulazione della sospensione diventa quindi un compromesso tra stampabilità, stabilità, contenuto solido e comportamento durante le fasi successive del processo.
La viscosità non è un semplice numero
Parlare genericamente della viscosità di uno slurry può essere fuorviante.
Liquidi relativamente semplici, come acqua o alcuni oli, hanno un comportamento definito newtoniano. Entro determinate condizioni la loro viscosità rimane sostanzialmente indipendente dalla velocità con cui vengono deformati.
Gli slurry ceramici hanno invece un comportamento molto più complesso.
Sono generalmente fluidi non newtoniani, nei quali la viscosità apparente cambia in funzione della forza applicata e della velocità di deformazione.
Molte formulazioni utilizzate nella produzione additiva presentano un comportamento shear-thinning: diventano meno viscose quando vengono sottoposte a un’elevata velocità di taglio.
È esattamente quello che può essere desiderabile nel Direct Ink Writing.
Durante il passaggio attraverso l’ugello il materiale è sottoposto a forti sollecitazioni e deve diventare sufficientemente fluido. Una volta depositato e cessata la sollecitazione, deve tornare rapidamente a una condizione più viscosa.
A questa proprietà si può aggiungere la tissotropia, cioè la dipendenza del comportamento del materiale non soltanto dall’intensità della sollecitazione, ma anche dalla sua storia precedente.
In altre parole, uno slurry può in qualche misura “ricordare” di essere stato precedentemente agitato o sottoposto a taglio.
Ed è proprio questa memoria reologica che rende particolarmente difficile effettuare misure realmente comparabili.
Perché due reometri possono fornire risultati differenti
Lo strumento utilizzato per caratterizzare questi materiali è il reometro.
In una configurazione tipica una piccola quantità di materiale viene inserita tra due superfici. Una delle due ruota mentre lo strumento misura la coppia necessaria a deformare il campione.
Da queste grandezze si possono ricavare informazioni sulla viscosità, sulla tensione di snervamento e sulle caratteristiche viscoelastiche del materiale.
Sembra un procedimento relativamente semplice, ma con sospensioni molto dense entrano in gioco numerosi fattori.
Il campione può scivolare sulla superficie dello strumento anziché deformarsi uniformemente. È il fenomeno indicato come wall slip.
Le particelle possono inoltre separarsi o redistribuirsi durante la misura.
Il materiale può essersi strutturato durante il periodo di riposo precedente al test.
Temperatura, geometria dello strumento, intervallo tra preparazione e misura, velocità di rotazione e protocollo utilizzato possono modificare il risultato.
Di conseguenza, due valori ottenuti da strumenti differenti non sono necessariamente confrontabili semplicemente perché entrambi vengono espressi in pascal-secondo.
Per l’industria questo rappresenta un ostacolo alla definizione di specifiche condivise.
NIST sceglie una sospensione di zirconia
Il gruppo di ricerca del NIST composto, tra gli altri, dagli scienziati dei materiali Russell Maier, Ran Tao e Samuel Hales sta sviluppando per questo scopo una sospensione contenente particelle fini di zirconia, cioè ossido di zirconio.
La zirconia è una ceramica tecnica largamente utilizzata grazie alla combinazione di durezza, resistenza all’usura, stabilità chimica e proprietà meccaniche.
È impiegata, per esempio, nell’odontoiatria, nei componenti industriali, in utensili, cuscinetti, valvole, dispositivi medicali e parti soggette a condizioni operative severe.
La scelta del NIST non mira però a creare un materiale ottimizzato per produrre uno specifico componente.
L’obiettivo è ottenere una sospensione sufficientemente stabile e ripetibile da essere utilizzata come materiale di riferimento per misure reologiche.
Il polietilenglicole evita uno dei problemi delle sospensioni acquose
Un dettaglio importante della formulazione riguarda il liquido nel quale vengono disperse le particelle di zirconia.
Il NIST utilizza polietilenglicole, PEG, invece dell’acqua.
La scelta risolve uno dei problemi che rendono difficili le misurazioni ripetute.
Una sospensione acquosa perde progressivamente acqua per evaporazione. Anche una variazione relativamente piccola nella quantità di liquido modifica la concentrazione delle particelle solide e, di conseguenza, la viscosità.
Il campione che viene misurato dopo un determinato intervallo di tempo potrebbe quindi non essere più esattamente lo stesso materiale iniziale.
Il polietilenglicole utilizzato dal NIST è molto meno volatile.
Il campione può così mantenere una composizione più stabile durante la manipolazione e le prove, contribuendo alla riproducibilità delle misure.
Per un materiale destinato a diventare un riferimento metrologico, questa stabilità è essenziale.
Una sospensione che può essere riportata allo stato iniziale
La formulazione studiata dal NIST possiede inoltre una proprietà particolarmente utile: può essere sottoposta a una procedura controllata per riportarla a una condizione di partenza riproducibile.
Il materiale viene prima sottoposto a una rapida deformazione di taglio.
Durante questa fase la struttura interna della sospensione viene progressivamente distrutta e la viscosità diminuisce.
Successivamente il campione viene lasciato riposare.
Durante il periodo di riposo la struttura si ricostituisce e il materiale recupera la propria elevata viscosità.
Questa procedura consente agli operatori di eliminare, per quanto possibile, gli effetti della storia precedente del campione prima di iniziare una nuova misurazione.
È una caratteristica fondamentale.
Se un laboratorio analizzasse il materiale dopo averlo agitato intensamente e un secondo laboratorio lo misurasse dopo ore di riposo, le differenze osservate potrebbero dipendere dalla preparazione del campione anziché dalle prestazioni dei reometri.
Definire una procedura di “reset” significa fornire a tutti i partecipanti un punto di partenza comune.
Dalla ricerca del NIST a una prova in venti laboratori
La fase successiva sarà particolarmente importante per capire se il materiale può diventare uno strumento di riferimento utilizzabile su scala più ampia.
Il NIST prevede di distribuire campioni della sospensione a 20 laboratori appartenenti all’industria, al mondo accademico e ad altre istituzioni nazionali.
Ogni laboratorio dovrà eseguire le misurazioni secondo procedure definite.
Il confronto dei risultati permetterà di valutare quanta parte della variabilità dipenda dallo strumento, dall’operatore, dalla geometria utilizzata o dal protocollo di misura.
Una prova interlaboratorio è molto più significativa di una serie di test condotti esclusivamente all’interno del NIST.
Un materiale che offre risultati estremamente ripetibili su un unico reometro ma produce valori molto diversi quando viene utilizzato da laboratori indipendenti avrebbe infatti un’utilità limitata come riferimento industriale.
La sperimentazione con venti laboratori servirà proprio a verificare la robustezza del sistema.
Cosa significa realmente “materiale di riferimento”
La funzione del materiale sviluppato dal NIST non sarà quella di stabilire quale debba essere la viscosità ideale di ogni slurry per stampa 3D.
Materiali, macchine e tecnologie differenti richiedono caratteristiche differenti.
Il suo compito sarà fornire un riferimento comune.
Un laboratorio potrà misurare il materiale NIST con il proprio reometro e confrontare il risultato con i valori certificati o caratterizzati dall’istituto.
Se il risultato coincide entro l’intervallo previsto, aumenta la fiducia nella correttezza della procedura e dello strumento.
Se invece emergono differenze importanti, sarà possibile verificare calibrazione, geometria, preparazione della prova o altri fattori prima di caratterizzare la materia prima destinata alla produzione.
Lo stesso principio viene utilizzato in numerosi settori della metrologia.
Il NIST produce e mantiene Standard Reference Materials destinati a creare riferimenti comuni per misurazioni chimiche, fisiche e industriali.
Nel settore delle sospensioni dense l’istituto ha inoltre già sviluppato materiali di riferimento per applicazioni legate a cemento, malta e calcestruzzo.
L’esperienza maturata sulla reologia di questi sistemi viene ora applicata alle esigenze dell’additive manufacturing ceramico.
Perché la reologia influenza direttamente la qualità della parte stampata
Il problema non riguarda soltanto la possibilità di compilare una scheda tecnica più precisa.
Il comportamento dello slurry influenza direttamente la qualità del componente.
Nel Direct Ink Writing un materiale non correttamente formulato può produrre filamenti con diametro irregolare, deformazioni, interruzioni nell’estrusione o perdita della geometria dopo la deposizione.
Nei processi DLP e SLA, variazioni della sospensione possono influenzare la ricopertura dello strato, la distribuzione delle particelle e persino la penetrazione della radiazione utilizzata per polimerizzare la resina.
Questi difetti possono successivamente propagarsi durante il debinding e la sinterizzazione.
La stampa 3D ceramica presenta infatti una caratteristica che la distingue da molti processi additivi per polimeri e metalli: al termine della stampa il pezzo normalmente non possiede ancora le proprietà finali.
È necessario eliminare la componente organica e successivamente sottoporre il componente a sinterizzazione.
Durante queste fasi il pezzo si ritira e la microstruttura evolve.
Un piccolo difetto introdotto nella distribuzione dello slurry durante la stampa può quindi trasformarsi in una disomogeneità, una deformazione o un difetto strutturale nel componente finito.
Più particelle solide non significa automaticamente un materiale migliore
Per ottenere una ceramica finale densa è generalmente vantaggioso partire da slurry con un’elevata quantità di materiale ceramico.
Ridurre la frazione di resina o di liquido limita infatti la quantità di materiale che deve essere rimossa prima della sinterizzazione e può ridurre il ritiro complessivo.
Aumentando la concentrazione delle particelle, tuttavia, lo slurry diventa progressivamente più difficile da gestire.
La viscosità aumenta.
Cresce la possibilità di creare agglomerati.
Diventa più complessa la distribuzione uniforme delle particelle.
Nei processi fotopolimerici può diminuire anche la profondità di polimerizzazione a causa della diffusione e dell’assorbimento della luce.
La ricerca sui materiali per additive manufacturing ceramico consiste quindi anche nella ricerca di un equilibrio tra elevato carico ceramico e corretta processabilità.
Disporre di procedure di misura condivise permette a produttori e utilizzatori di descrivere questo equilibrio con dati confrontabili.
Un elemento necessario per qualificare i materiali
La mancanza di metodi uniformi diventa ancora più problematica quando la stampa 3D ceramica passa dalla prototipazione alla produzione di componenti funzionali.
In applicazioni odontoiatriche, medicali, elettroniche, energetiche o aerospaziali non è sufficiente affermare che uno slurry “funziona bene” su una determinata stampante.
Occorre poter definire intervalli accettabili per le proprietà del materiale e verificare che differenti lotti rientrino negli stessi parametri.
Per farlo servono grandezze misurabili e procedure ripetibili.
La standardizzazione della reologia può quindi diventare uno dei passaggi della qualificazione del feedstock.
Un produttore potrebbe caratterizzare ogni lotto prima della produzione.
Un utilizzatore potrebbe verificare il materiale ricevuto.
Laboratori differenti potrebbero confrontare i risultati utilizzando un riferimento comune.
Questo tipo di infrastruttura metrologica è meno visibile di una nuova stampante o di una nuova formulazione, ma diventa essenziale quando una tecnologia deve essere utilizzata nella produzione seriale.
NIST lavora con ASTM International e ISO sulla standardizzazione della stampa 3D ceramica
Il progetto non è isolato dal lavoro internazionale sugli standard dell’additive manufacturing.
Il programma del NIST è collegato alle attività del Comitato ASTM F42 on Additive Manufacturing Technologies e del Technical Committee ISO/TC 261 dell’International Organization for Standardization.
ASTM F42, costituito nel 2009, riunisce oggi centinaia di specialisti e sviluppa standard dedicati alle tecnologie additive.
ISO/TC 261 svolge un’attività analoga a livello internazionale e numerosi standard vengono elaborati congiuntamente dai due organismi.
All’interno di questa struttura esiste uno specifico gruppo congiunto, ISO/TC 261 – ASTM F42 JG 82, dedicato proprio alla caratterizzazione delle materie prime ceramiche per additive manufacturing.
È un segnale della maturazione del settore.
Per molti anni gran parte della standardizzazione dell’additive manufacturing si è concentrata sulle polveri metalliche, sui polimeri e sulla qualificazione dei processi più diffusi.
Con l’espansione della produzione additiva ceramica cresce ora l’esigenza di sviluppare procedure specifiche per materiali che si comportano in maniera molto diversa.
La standardizzazione della ceramica AM sta accelerando
Nel 2026 è inoltre arrivato alla fase di Final Draft International Standard il documento ISO/ASTM 52957, dedicato alle linee guida per la progettazione di componenti ceramici prodotti mediante additive manufacturing.
Il documento affronta proprietà dei componenti, libertà progettuale, vantaggi e limitazioni dei principali processi di produzione additiva ceramica.
La convergenza tra standard di progettazione, caratterizzazione delle materie prime e metodi di misura indica che il settore si sta muovendo verso una struttura normativa più completa.
Per arrivare a una produzione industriale certificabile è infatti necessario poter controllare l’intera catena:
materia prima, macchina, parametri di processo, pezzo appena stampato, debinding, sinterizzazione e componente finale.
La reologia dello slurry rappresenta uno degli elementi iniziali di questa catena.
Il NIST studia anche ciò che accade alle particelle durante la stampa
Il programma del National Institute of Standards and Technology non si limita ai reometri.
Il NIST sta sviluppando tecniche per osservare come la struttura interna delle sospensioni ceramiche cambia mentre vengono sottoposte alle condizioni tipiche dei processi di stampa.
Tra queste attività figura l’impiego di radiazione X da sincrotrone e tecniche come Ultra-Small-Angle X-ray Scattering e Wide-Angle X-ray Scattering.
Questi strumenti permettono di studiare organizzazione e interazioni delle particelle su scale estremamente piccole.
L’obiettivo è collegare ciò che viene misurato macroscopicamente dal reometro con ciò che avviene realmente all’interno della sospensione.
Quando lo slurry viene sottoposto a taglio, le particelle possono orientarsi, formare o rompere aggregati e modificare la struttura del materiale.
Comprendere questi meccanismi può aiutare a progettare formulazioni più prevedibili e modelli capaci di anticiparne il comportamento durante la stampa.
Dal materiale di partenza ai difetti della parte finale
Il NIST sta contemporaneamente lavorando sulla metrologia dei difetti nei componenti ceramici prodotti additivamente.
Questo collegamento è importante perché permette di studiare la catena causa-effetto.
Una determinata caratteristica reologica dello slurry può influire sulla deposizione.
La deposizione può creare una determinata microstruttura.
La microstruttura può generare un difetto durante sinterizzazione.
Il difetto può infine ridurre la resistenza meccanica del componente.
La possibilità di mettere in relazione questi passaggi è indispensabile per passare da un processo controllato prevalentemente attraverso tentativi ed esperienza dell’operatore a un processo basato su parametri misurabili.
Applicazioni medicali e dentali tra i settori interessati
La zirconia scelta per il materiale di riferimento ha anche un legame diretto con uno dei mercati più interessanti per la produzione additiva ceramica.
L’ossido di zirconio viene ampiamente utilizzato in odontoiatria per corone, ponti e altre protesi grazie alle sue caratteristiche meccaniche, alla resistenza all’usura e alla biocompatibilità.
La stampa 3D può aggiungere la possibilità di realizzare geometrie personalizzate partendo direttamente dai dati digitali del paziente.
Più in generale, le ceramiche additive vengono studiate per impianti e strutture capaci di riprodurre non soltanto la forma esterna di un osso, ma anche porosità e architetture interne progettate per favorire l’integrazione biologica.
In applicazioni di questo tipo la ripetibilità del processo e la tracciabilità delle caratteristiche della materia prima assumono un’importanza ancora maggiore.
Una innovazione poco appariscente ma fondamentale per l’industrializzazione
Il progetto del NIST non introduce una nuova stampante 3D e non promette di aumentare direttamente la velocità di produzione.
Interviene però su uno dei problemi che emergono ogni volta che una tecnologia passa dal laboratorio alla fabbrica: la necessità di poter misurare tutti nello stesso modo.
Finché la viscosità di uno slurry dipende in misura significativa dal laboratorio che effettua la prova, risulta difficile creare specifiche industriali affidabili.
Il materiale di riferimento sviluppato dal NIST punta a ridurre questa incertezza.
La prova interlaboratorio con venti organizzazioni consentirà di capire se la formulazione di zirconia e polietilenglicole è sufficientemente stabile da svolgere questo compito.
Se i risultati saranno coerenti, il materiale potrà diventare una base per procedure condivise e contribuire ai lavori di standardizzazione condotti attraverso ASTM International e ISO.
Per la stampa 3D ceramica significa affrontare uno dei passaggi necessari per trasformare formulazioni e processi ancora fortemente dipendenti dall’esperienza dei singoli utilizzatori in tecnologie industriali caratterizzate da parametri misurabili, confrontabili e qualificabili.
La differenza può sembrare sottile, ma è proprio su standard, metrologia e ripetibilità che si costruisce la possibilità di utilizzare l’additive manufacturing per produrre componenti ceramici destinati ad applicazioni nelle quali la qualità non può variare da una macchina, da un lotto o da un laboratorio all’altro.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
