Composito di acrilonitrile stirene acrilato di fibra di carbonio (CF-ASA): nuovo materiale per la produzione di additivi di grande formato
Ricercatori spagnoli stanno studiando materiali per una stampa 3D su larga scala più efficace, delineando le loro scoperte nel recente sviluppo ” Sviluppo di compositi in fibra di carbonio acrilonitrile stirene acrilato per la produzione di additivi di grande formato “.
Mentre la stampa 3D su micro e nanoscala è estremamente popolare tra i ricercatori di oggi, gli autori sottolineano che la produzione di additivi di grande formato (LFAM) per l’utente industriale è solitamente centrata sulla fabbricazione di parti che possono raggiungere diversi metri cubi. Per questo tipo di produzione, le stampanti 3D devono essere accompagnate da materiali ottimizzati adatti ai requisiti di servizio ma che dimostrano un’elevata stampabilità.
Oggi, l’acrilonitrile stirene acrilato (ASA) è un materiale termoplastico spesso utilizzato in LFAM per l’eccellenza delle proprietà meccaniche e della bagnabilità. ASA ha anche un’ottima resistenza agli agenti atmosferici ed è già ampiamente utilizzato in applicazioni automobilistiche e all’aperto. Materiali simili come l’acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) sono estremamente popolari anche per la resistenza, la rigidità e la lavorabilità.
“Altri materiali tecnici come polifenilensolfuro (PPS), polifenilsulfone (PPSU), poliammide (PA), polietere etere chetone (PEEK) o polietilentereftalato glicole (PETG) sono stati testati anche in queste tecnologie”, affermano gli autori. “Tuttavia, il loro costo elevato e la difficile processabilità limitano il loro impiego a poche applicazioni.”
In questo studio, i ricercatori hanno valutato i composti ASA e fibra di carbonio (CF) per LFAM, confrontando ASA pulito e AS con fibra di carbonio al 20% in peso. I seguenti esempi sono stati stampati in 3D su una stampante cartesiana SDiscovery .
Sono stati creati i seguenti esempi:
Cinque campioni di trazione normalizzati
Cinque campioni di test di flessione
Dieci pezzi d’impatto non dentellati
Due dischi di conducibilità termica
I compositi sono stati esaminati per quanto riguarda le proprietà meccaniche, reologiche e termiche.
“Le proprietà meccaniche sono state affrontate testando i pezzi iniettati di trazione, flessione e impatto. La portata di fusione (MFR) e la temperatura di transizione vetrosa (Tg), determinate dalla calorimetria a scansione differenziale (DSC), sono state misurate per le due composizioni “, hanno spiegato gli autori. “La conduttività termica è stata misurata usando dischi cilindrici iniettati. In una seconda fase, i campioni stampati X e Z sono stati analizzati mediante prove di trazione e di flessione, valutando l’influenza dell’orientamento di stampa nelle proprietà meccaniche di entrambi, ASA pulito e ASA 20CF.
“In particolare, sono stati studiati campioni sottoposti a prova di trazione sulla superficie fratturata di campioni stampati con l’obiettivo di discutere e correlare le caratteristiche microstrutturali con le prestazioni meccaniche differenziate dei due materiali.”
Le immagini SEM mostrano che le fibre di carbonio sono ben integrate nella matrice polimerica, anche dopo il test di trazione.
“Un’anisotropia pronunciata, trascurabile in pezzi iniettati, si osserva nelle proprietà meccaniche. Si ottiene un UTS massimo di 60 ± 4 MPa per l’orientamento X nel composito ASA CF, mentre i risultati dei test di flessione sono simili, persino superiori, rispetto alle parti iniettate “, hanno concluso i ricercatori. “Questo aumento potrebbe essere attribuito al carattere laminare dei pezzi e all’allineamento preferenziale delle catene polimeriche.
“È stato osservato un preallineamento delle fibre lungo la direzione di deposizione della stampa; probabilmente imponendo una barriera fisica in direzione Z evitando la diffusione dei polimeri e spiegando questo comportamento. L’aggiunta di CF determina una maggiore porosità della rugosità e porosità del cordone interno, riducendo al contempo la porosità inter-tallone. Il cordone interno è generalmente considerato un difetto intrinseco dei processi di estrusione, mentre la rugosità osservata e la porosità inter-tallone sono caratteristiche delle procedure di stampa. “
Immagini SEM della superficie della frattura di ASA 20CF dopo a) frattura a flessione alla temperatura dell’azoto liquido (senza test meccanico); b) prova di trazione ec) dettaglio dell’interfaccia di collegamento tra ASA e CF. 
Campioni stampati lungo le due diverse configurazioni studiate: a) campione ASA pulito stampato lungo la direzione X all’esterno della stampante (piano XY visualizzato, essendo la direzione Z perpendicolare al piano dell’immagine (verso l’esterno)); e b) campione ASA 20CF stampato lungo la direzione Z all’interno della stampante. Le direzioni X, Y e Z sono indicate nelle immagini. 