Analisi della stampa 3D FFF con materiali termoplastici ad alte prestazioni
Shahriar Bakrani Balani ha recentemente presentato una tesi, “Produzione additiva di materiali termoplastici ad alte prestazioni: studio sperimentale e simulazione numerica della fabbricazione di filamenti fusi “, presso l’ Institut National Polytechnique de Toulouse . Approfondendo ulteriormente la scienza dei materiali e la stampa 3D, Balani offre una definizione completa della stampa 3D FFF e si concentra sull’importanza dei parametri e dei materiali di processo.
A partire dall’inizio della stampa 3D con Chuck Hull e la prima stampante SLA , Balani offre una storia completa della tecnologia, oltre a spiegare le basi della sua evoluzione e come funziona. Balani delinea i tre diversi gruppi AM (a base liquida, a base solida e a base di polvere) e tutti i processi risultanti possibili.
“Quando questo dottorato di ricerca tesi iniziata nel 2015, nessuna delle macchine era adatta alla stampa di materiali termoplastici ad alte prestazioni come PEEK (polietereterchetone). Infatti, il PEEK è un termoplastico semicristallino ad alte prestazioni con una temperatura di fusione superiore a 340 ° C e una viscosità superiore rispetto ad altri polimeri convenzionali che sono tipicamente utilizzati nel processo FDM (FFF) “, ha spiegato Balani. “Un’alta viscosità unita ad un’elevata temperatura di fusione aumenta le difficoltà di lavorazione di questo tipo di materiale. A causa di queste proprietà, l’uso di PEEK come materia prima per la stampa 3D è limitato.
“Tuttavia, a giugno 2015, INDMATEC ha lanciato la stampante 3D PEEK come prima stampante 3D FDM per polimeri ad alta temperatura. Questa nuova stampante 3D, che presenta un volume di costruzione di 155 x 155 x 155 mm, è dotata di un hotend che arriva fino a 420 ° C. Può stampare oggetti 3D da PEEK. L’evoluzione delle stampanti FFF (FDM) dal 1990 ad oggi dimostra che la loro capacità di stampare una gamma più ampia di polimeri con maggiore precisione aumenta mentre il loro prezzo è ridotto ”.
Livelli di analisi per prototipi FFF
Notando che non ci sono stati molti studi sull’uso di polimeri ad alte prestazioni, Balani cita solo diverse fonti precedenti riguardanti l’orientamento della stampa, le temperature riguardo al PEEK e influenze come la resistenza alla trazione, alla flessione e all’impatto.
Sono stati esaminati diversi orientamenti raster, insieme alla relazione con le proprietà meccaniche. Altri studi si sono concentrati su concetti di base quali velocità di stampa, temperatura, spessore dello strato e, infine, come la temperatura ambientale ha influenzato la resistenza alla trazione PEEK. Altri studi sono stati correlati alla rugosità superficiale e ai possibili trattamenti superficiali.
Per PEEK, sono stati condotti numerosi studi riguardanti la FFF, a cominciare dall’uso medico e dalla sperimentazione con la temperatura e il diametro del filamento, lasciando i ricercatori a notare che la temperatura dell’ugello e della piattaforma di stampa era fondamentale per un’adeguata resistenza alla trazione. Altri studi hanno esaminato l’impatto delle condizioni termiche sulle proprietà meccaniche e sulla cristallizzazione.
“Il prossimo passo è stampare campioni PEEK in ambiente controllato a diverse temperature e parametri di stampa da testare meccanicamente. Inoltre, la determinazione della temperatura e del campo di calore utilizzando la termografia a infrarossi sarebbe necessaria per convalidare il trasferimento di calore previsto dal nostro modello numerico “, ha concluso il ricercatore. “Con la presente, abbiamo studiato il meccanismo di interdiffusione delle catene macromolecolari e il rilassamento a temperatura superiore alla temperatura di fusione.
“Tuttavia, l’interdiffusione inizia al di sotto della temperatura di fusione a bassa velocità, quindi determinare i tempi di rilassamento a temperature più basse potrebbe aiutare a ottimizzare la velocità di stampa. Inoltre, l’influenza delle condizioni di stampa sulla resistenza di saldatura (incollaggio) di alcuni filamenti è un passo verso il miglioramento della resistenza di incollaggio. Per questo, sarebbe stato sviluppato un test meccanico specifico per quantificare l’adesione tra i filamenti. Infine, quando l’uso del processo FFF sarà padroneggiato per materiali termoplastici ad alte prestazioni, si potrebbero usare anche compositi a base polimerica. Composti di origine biologica, composti di fibra di carbonio e vetro lunghi e materiali di miscele metallo / polimero potrebbero essere utilizzati come materie prime per raggiungere nuove proprietà. Per tutti questi materiali,
