Un componente in PLA che regge oltre una tonnellata
Nel mondo della stampa 3D, il PLA viene di solito associato a prototipi, oggetti estetici e componenti che non devono sopportare carichi importanti. Il concorso organizzato da Polymaker ha mostrato però un caso limite molto interessante: un unico componente stampato in PLA che è riuscito a sostenere oltre 1.000 kg in trazione, vincendo una sfida tra maker e progettisti. Protagonista del progetto è il progettista e YouTuber britannico Tom Stanton, che ha sviluppato una geometria capace di trasformare un comune filamento PLA in un gancio ad altissima capacità di carico.
Il concorso Polymaker e l’idea di un “gancio estremo”
La sfida lanciata da Polymaker ruota attorno a un tema molto semplice da descrivere, ma complesso da risolvere: progettare un singolo pezzo stampato che riesca a sopportare il massimo carico possibile in una prova di trazione comparativa. I partecipanti dovevano utilizzare un solo componente, senza assemblaggi, e rientrare in un limite di peso di circa 50 g di materiale. In diverse edizioni di questo tipo di contest, l’obiettivo è stato quello di far emergere quanto contino geometria e parametri di stampa, più ancora della scelta del materiale, pur restando all’interno di una famiglia di filamenti abbastanza comuni come PLA, PETG e ABS.
Vincoli di progetto: un solo pezzo, geometria aperta e nessun trucco
Uno degli aspetti più interessanti della sfida è il vincolo sulla geometria: il componente doveva aprirsi per poter essere agganciato a un punto di fissaggio, come un grillo o un anello metallico. Un anello chiuso o una maglia di catena, cioè le soluzioni più ovvie per distribuire in modo uniforme le tensioni, non erano ammesse. Inoltre il pezzo doveva rimanere monolitico, senza inserti metallici, rinforzi aggiuntivi o trattamenti successivi come ricottura o incollaggi, e doveva poter essere stampato con parametri realistici su una comune stampante FDM. Questi vincoli obbligano il progettista a lavorare in modo molto preciso sul percorso delle forze e sulla forma dei contatti.
Dai primi prototipi alle clip a forma di “C”
Tom Stanton ha affrontato il problema adottando un approccio iterativo. I primi prototipi erano sostanzialmente delle clip piatte a forma di C, pensate per funzionare come morsetti. Due metà si chiudono attorno al punto di fissaggio e trasferiscono il carico attraverso aree di contatto contrapposte. L’idea di base è ridurre quanto più possibile le zone in cui il materiale lavora a flessione e concentrare lo sforzo in regioni che lavorano prevalentemente a trazione o compressione, condizioni più favorevoli per un componente stampato in PLA. I primi test hanno confermato che la direzione era corretta, ma hanno anche evidenziato limiti importanti legati allo scorrimento delle superfici di contatto.
Denti di bloccaggio e principio del “cuneo”
Per eliminare lo scorrimento tra le superfici, Stanton ha introdotto una serie di denti complementari sulle zone di contatto. Quando il gancio viene caricato, questi denti si innestano progressivamente e funzionano come un sistema di autobloccaggio: più aumenta la forza di trazione, più le superfici tendono a incastrarsi fra loro, riducendo la possibilità di scivolamento. Da un punto di vista meccanico, il sistema sfrutta lo stesso principio dei giunti a cuneo o dei profili dentati: la componente normale della forza mantiene in pressione le superfici, mentre la componente tangenziale viene assorbita dalla geometria dei denti. Questo permette di evitare che il carico venga trasferito su piccole aree concentrate o su pochi layer, riducendo il rischio di rottura fragile lungo il piano di stampa.
Perché le versioni piatte non bastavano
Nonostante il miglioramento portato dai denti di bloccaggio, i prototipi piatti presentavano ancora un problema chiave: le superfici potevano spostarsi leggermente l’una rispetto all’altra, generando leve sfavorevoli e tensioni più elevate in punti specifici della sezione. In altre parole, la parte resisteva, ma il modo in cui il carico veniva trasferito lasciava margini di ottimizzazione. Per evitare che piccoli movimenti laterali trasformassero la trazione in flessione locale, era necessario modificare anche lo spessore del componente e la distribuzione del materiale lungo lo spessore stesso.
Il design finale: sezione più spessa e camera cava
Nel design definitivo, Stanton ha aumentato in modo significativo lo spessore del componente e introdotto una camera cava interna. Questo tipo di sezione permette di concentrare il materiale nella zona periferica, dove si sviluppano le tensioni più elevate quando il pezzo lavora a flessione o sotto trazione con eccentricità, analogamente al funzionamento di un profilo cavo strutturale. La camera interna riduce il volume complessivo e mantiene il peso entro i limiti del concorso, mentre il guscio esterno spesso aumenta il momento d’inerzia della sezione, migliorando la resistenza alla deformazione. L’insieme di questi accorgimenti consente di sfruttare meglio le proprietà del PLA, che offre una buona resistenza a trazione ma è sensibile alle concentrazioni di sforzo e alle sollecitazioni fuori piano.
Il risultato: oltre 1.000 kg con un singolo pezzo in PLA
Nelle prove di carico del concorso, il gancio progettato da Stanton ha superato di gran lunga la concorrenza, registrando una capacità di carico superiore a una tonnellata metrica e più del doppio della massima forza sopportata dal secondo classificato. In una delle descrizioni del modello condiviso online, viene indicato un valore di prova di circa 1.122 kg utilizzando un pezzo stampato con circa 50 g di materiale. Si tratta di un risultato notevole, se si considera che nella pratica molti test comparativi mostrano ganci stampati in PLA con capacità molto inferiori rispetto a materiali come PC o nylon; il caso di Stanton dimostra quanto la progettazione della forma possa ribaltare le aspettative sul comportamento di un materiale considerato “standard”.
PLA: limiti del materiale e margini di progetto
Il PLA non è il materiale più resistente in assoluto per applicazioni strutturali: test comparativi pubblicati nel tempo mostrano che, in molti casi, filamenti come il policarbonato possono sopportare carichi medi ben più alti, mentre il PLA si colloca su valori intermedi, spesso pensati per l’uso prototipale. Tuttavia, studi sulle proprietà meccaniche di campioni stampati in PLA indicano che, con parametri di stampa corretti, la resistenza a trazione può essere sfruttata in modo efficace, a patto di evitare carichi complessi e bruschi cambi di sezione. Il gancio di Stanton è un esempio concreto di come, lavorando su forma e percorso delle forze, sia possibile avvicinarsi o superare prestazioni che normalmente si associano a materiali più tecnici.
Gestione dei carichi e orientamento dei layer
Una delle chiavi del progetto è il modo in cui il carico viene orientato rispetto ai layer di stampa. Nelle parti FDM, la resistenza è maggiore lungo le strade di estrusione e minore tra un layer e l’altro, dove l’adesione dipende dalla fusione parziale del materiale. Il gancio progettato da Stanton minimizza le situazioni in cui i carichi principali agiscono perpendicolarmente ai layer, evitando configurazioni che favorirebbero una frattura per delaminazione. Il grosso spessore e la camera cava permettono inoltre di usare un numero elevato di pareti e di affidarsi relativamente meno al contributo dell’infill interno, che spesso ha una funzione più di stabilizzazione che di vera resistenza strutturale.
Cosa possono imparare progettisti e maker da questo caso
Il caso del gancio in PLA di Tom Stanton suggerisce alcune linee guida utili per chi progetta componenti funzionali in stampa 3D:
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Ridurre la flessione, facendo lavorare il pezzo a trazione o compressione quando possibile.
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Controllare i contatti, usando superfici dentate o sagomate per evitare scorrimenti indesiderati.
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Sfruttare sezioni cave con materiale concentrato in periferia, per aumentare il momento d’inerzia senza eccedere con il peso.
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Curare l’orientamento di stampa, allineando il percorso dei carichi principali con le direzioni in cui il materiale è più resistente.
Per chi lavora in ambito industriale, questo tipo di approccio può essere applicato a morsetti, interfacce di sollevamento temporanee, elementi di fissaggio e accessori per attrezzature di produzione, con il vantaggio di poter testare rapidamente varianti di progetto con costi relativamente contenuti.
Dal video al modello scaricabile: replicare e studiare il gancio
Oltre al video pubblicato sul suo canale secondario “Tim Station”, Stanton ha reso disponibile il modello del gancio attraverso piattaforme di condivisione di file 3D, permettendo ad altri maker di stampare e testare la geometria. Per un laboratorio, un FabLab o un’azienda che vuole formare tecnici e progettisti sulla progettazione per la stampa 3D, questo tipo di componente è un esercizio molto interessante: consente di sperimentare la sensibilità del pezzo rispetto a impostazioni come spessore delle pareti, percentuale di riempimento, orientamento sul piano di stampa e scelta del filamento, confrontando poi i risultati con prove di carico reali.
