Una nuova frontiera nel trattamento al plasma
Un nuovo tipo di ugello in ceramica combina la potenza del plasma con la tecnologia di stampa FDM. Questo approccio innovativo consente il trattamento al plasma strato per strato nel processo di stampa, offrendo proprietà adesive definite, sterilizzazione delle superfici e la creazione di strati conduttivi.
La produzione additiva di materiali plastici si è già affermata in molti settori industriali come un’alternativa seria ai processi di produzione tradizionali. Oltre alla flessibilità di progettazione e alla possibilità di iterazioni rapide nello sviluppo del prodotto, la stampa 3D offre un enorme potenziale per l’integrazione di interi assiemi. Ciò porta a un notevole risparmio di costi per i clienti, poiché gli assemblaggi ad alta intensità di manodopera possono essere ridotti a un singolo componente complesso e prodotto in modo additivo.
La tecnologia di stampa Fused Deposition Modeling (FDM), nota anche come Fused Filament Fabrication (FFF), è ampiamente utilizzata nella stampa 3D. Questo processo coinvolge il riscaldamento e l’estrusione di filamenti attraverso un ugello. I materiali fusi vengono quindi depositati a strati su una piattaforma, creando il componente desiderato. Poiché questa tecnologia è stata sviluppata più di 35 anni fa e si è consolidata tecnologicamente, gli sviluppi recenti si sono concentrati principalmente sull’espansione della gamma di materiali e sull’aumento della resistenza dei prodotti stampati in 3D.
Sfide nella stampa FDM di materiali plastici
Materiali come CFRP (polimero rinforzato con fibre di carbonio) e GFRP (polimero rinforzato con fibre di vetro) sono già utilizzati con successo nella produzione in serie mediante stampa 3D di materiali plastici. Questi materiali ottengono le loro elevate proprietà di resistenza dalle fibre di carbonio o vetro, o dalle fibre di carbonio continue in alcune tecnologie di stampa. Tuttavia, l’aumento di resistenza risulta efficace solo nei singoli strati (orientamento X e Y). A causa del processo di produzione della stampa FDM, la resistenza nella direzione Z è notevolmente inferiore. Ogni nuovo strato fuso viene applicato su uno strato inferiore che si è già raffreddato. Anche se gli strati si aderiscono tra loro, non si combinano a livello atomico per formare un corpo monolitico. Questo problema è ancora più evidente nella stampa 3D di PTFE, in quanto ha bassa bagnabilità e attrito statico.
L’attivazione delle superfici plastiche tramite il trattamento al plasma è una tecnologia collaudata che esiste da decenni. Viene comunemente utilizzata in scala industriale nella produzione di tessuti, pile, membrane e pellicole. Il trattamento al plasma dei materiali polimerici migliora sia la bagnabilità che le proprietà meccaniche e antistatiche dei prodotti finali. Ad esempio, quando si stampa imballaggi in plastica, il plasma assicura che le stampe colorate abbiano le necessarie proprietà adesive. In questo caso, il plasma rompe i legami covalenti sulla superficie del termoplastico, creando gruppi funzionali come OH-, NH2- o NH. Questi gruppi funzionali consentono di collegare gli strati stampati a livello atomico. Ora, questo processo sta per essere applicato alla stampa 3D FDM. Recenti risultati di ricerca confermano che il trattamento al plasma degli strati stampati porta i vantaggi desiderati.
Sviluppo di un ugello al plasma stampato in 3D per il trattamento al plasma “in situ”
In collaborazione con un rinomato istituto tedesco, negli ultimi 3 anni è stato sviluppato un ugello ceramico in ossido di alluminio ad alta purezza (Al2O3) per testare l’applicazione del plasma su diversi materiali. Il corpo base dell’ugello al plasma è stato prodotto da Hilgenberg Ceramics utilizzando la stampa 3D in ceramica. Durante il progetto, sono state testate diverse geometrie e l’ottimizzazione della generazione del plasma è avvenuta in modo iterativo. Sono state testate anche versioni dell’ugello in plastica, ma sono state scartate a causa della perdita delle loro proprietà dielettriche nel tempo. Ciò è dovuto alla formazione di uno strato di grafite conduttivo sulla superficie dell’uscita dell’ugello a causa dell’effetto del plasma. Grazie alle sue proprietà inerti, l’Al2O3 non forma strati e garantisce quindi proprietà dielettriche a lungo termine.
L’ugello al plasma sviluppato è collegato parallelamente all’ugello FDM e, dopo ogni strato stampato, attraversa la superficie con un getto di plasma. Per facilitare l’integrazione nei sistemi FDM esistenti, è stato importante miniaturizzare l’ugello. Come mostrato nell’immagine in evidenza, le dimensioni dell’ugello sono di circa 40 x 20 x 10 mm.
La geometria dell’ugello è progettata in modo che la ceramica agisca come dielettrico. L’esterno dell’ugello è rivestito di rame e funge da elettrodo esterno. Un secondo elettrodo è inserito all’interno dell’ugello, creando un campo elettrico ad alta frequenza e alta tensione tra i due elettrodi. Questo campo ionizza il gas che lo attraversa, generando il plasma.
Durante il progetto, sono state testate diverse geometrie degli ugelli. La sezione trasversale allegata mostra chiaramente come la stampa 3D consenta una completa libertà di progettazione nello sviluppo di nuovi componenti. Un contorno interno così complesso può essere prodotto solo in modo additivo ed è stato ottimizzato per la stampa 3D in ceramica. Attualmente, è in corso una domanda di brevetto per il prodotto descritto.
Applicazioni della nuova tecnologia degli ugelli al plasma
Oltre all’attivazione degli strati singoli per scopi di adesione nella stampa FDM, l’ugello al plasma può essere utilizzato per diverse applicazioni, a seconda dell’energia e del gas utilizzati:
Pulizia delle superfici sporche prima dell’applicazione di adesivi, vernici e strati PVD
Sterilizzazione delle superfici, soprattutto in applicazioni mediche
Incisione e rugosità dei filamenti rinforzati con fibre per la successiva attivazione superficiale
Separazione degli strati per ottenere proprietà di adesione controllate nel riciclaggio
L’ugello al plasma in ceramica offre una durata significativamente più lunga e l’uso della stampa 3D come processo di produzione consente l’ottimizzazione e la miniaturizzazione della geometria dell’ugello. L’ugello sviluppato potrebbe risultare interessante anche per la produzione di superfici funzionalizzate in altri campi applicativi, come l’industria dei semiconduttori, i sensori e gli attuatori, nonché la produzione di display digitali.
