La stampa 3D di grande formato non riguarda soltanto pezzi rigidi, stampi, dime o attrezzature industriali. Una parte importante dello sviluppo dei materiali passa anche da componenti più leggeri, più morbidi e capaci di assorbire urti o vibrazioni. In questo ambito, un gruppo di ricerca tedesco ha studiato la produzione additiva LSAM di elastomeri termoplastici espansi, usando granuli di TPE caricati con microsfere termoespandibili.
Il lavoro è stato condotto presso la Ernst Abbe University of Applied Sciences Jena, con il coinvolgimento di kcd Kunststoffe, Additive und Beratung GmbH, azienda tedesca specializzata in materiali plastici, additivi e consulenza. Il materiale base usato nella ricerca è un TPE denominato “z038”, composto da una miscela di SBS e SEBS. Come agente espandente sono state usate microsfere Expancel 951 DU 120 di Nouryon.
Il tema è interessante perché sposta il concetto di “foam 3D printing” dal mondo dei filamenti leggeri al campo della produzione additiva a granuli. Nel formato LSAM, infatti, non si lavora con piccoli filamenti da 1,75 o 2,85 mm, ma con granuli alimentati in un estrusore a vite. Questo consente portate più elevate, cordoni più larghi e componenti di dimensioni maggiori. Allo stesso tempo rende più complesso controllare geometria, raffreddamento, espansione del materiale e qualità degli strati.
Che cosa significa stampare TPE espanso
Il TPE, cioè elastomero termoplastico, è una famiglia di materiali che combina alcune proprietà tipiche delle gomme con la lavorabilità dei termoplastici. Può essere fuso, estruso e solidificato più volte, ma mantiene una certa elasticità. Per questo viene impiegato in guarnizioni, inserti flessibili, impugnature, parti ammortizzanti, protezioni, appoggi, componenti per il comfort e applicazioni dove serve una risposta morbida al carico.
Quando il TPE viene espanso, al suo interno si formano piccole cavità. Il materiale diventa meno denso, più leggero e in genere meno duro. La struttura può anche cambiare il modo in cui il pezzo assorbe energia, distribuisce la pressione o si deforma. Questo è il motivo per cui le schiume polimeriche sono usate in imballaggi protettivi, calzature, sedute, sistemi antivibrazione e componenti per la protezione di oggetti delicati.
Nel caso dello studio tedesco, la schiuma non viene ottenuta con un gas iniettato nell’estrusore, ma con microsfere termoespandibili. Queste particelle sono piccoli gusci polimerici che contengono al loro interno un agente volatile. Quando vengono riscaldate nel giusto intervallo di temperatura, il guscio si ammorbidisce e il contenuto interno si espande. Il risultato è una cella chiusa: una piccola bolla stabile, incorporata nella matrice del TPE.
Questa differenza è importante. Nei processi di schiumatura chimica o fisica, le bolle possono crescere, unirsi tra loro o collassare se la finestra di processo non è gestita bene. Con le microsfere termoespandibili, invece, il guscio tende a restare integro. Il controllo non diventa automatico, ma la formazione di celle chiuse può risultare più regolare.
Perché la LSAM è più difficile della stampa 3D a filamento
Molti utenti conoscono i filamenti espandibili, come alcuni PLA leggeri o TPU modificati. In quei casi la stampante FFF lavora con portate limitate, layer relativamente sottili e sezioni di estrusione contenute. La LSAM funziona in modo diverso. I cordoni sono più spessi, i volumi estrusi sono più alti e il pezzo trattiene calore per più tempo.
Questo cambia il comportamento della schiuma. Se il cordone resta caldo troppo a lungo, la cella può espandersi oltre il previsto o perdere stabilità. Se il raffreddamento è troppo rapido, l’espansione può non svilupparsi in modo completo. Se il materiale esce dall’ugello con una spinta elastica residua, può verificarsi il cosiddetto die swell, cioè un rigonfiamento del cordone dopo l’uscita dalla bocca di estrusione.
Nella stampa 3D tradizionale si tende spesso a ragionare in termini di volume estruso: se aumento il flusso e mantengo la velocità, ottengo un cordone più largo; se riduco il flusso, ottengo un cordone più piccolo. Con un materiale che si espande, questa logica non basta più. Il materiale non conserva lo stesso volume, perché una parte della geometria finale dipende dalla crescita interna delle microsfere.
Lo studio mostra proprio questo punto: l’altezza reale del cordone non coincide sempre con la distanza impostata tra ugello e piano. In alcuni casi è inferiore, in altri corrisponde al valore previsto, in altri ancora supera la quota impostata. In una stampa monostrato può sembrare un problema limitato; in un pezzo stratificato, invece, l’errore si somma livello dopo livello e può compromettere la qualità finale.
Il setup sperimentale
Per gli esperimenti è stato usato un sistema a tre assi con piano mobile ed estrusore fisso. L’estrusore monovite era un ExOn10 di Dohle Extrusionstechnik GmbH, con alimentazione del materiale raffreddata ad aria, due zone di riscaldamento separate e ugello in ottone da 3 mm. Il volume di lavoro indicato per il sistema LSAM è 450 × 450 × 450 mm.
Prima della lavorazione, il materiale è stato essiccato con un essiccatore Xpert di FASTI-KOCH GmbH per quattro ore a 80 °C. Per mantenere condizioni iniziali stabili, l’estrusore è stato pulito prima di ogni esperimento con EVA, cioè etilene-vinil acetato.
I ricercatori hanno prodotto campioni a cordone singolo con percorso a meandro e provini più grandi sotto forma di cuboidi cavi da 300 mm di lato. Dai pezzi stampati sono stati poi ricavati provini per le prove meccaniche, con orientamenti diversi rispetto ai cordoni depositati.
La durezza Shore A è stata misurata con un durometro HBA 100-0 di KERN & SOHN GmbH. La densità è stata determinata con il principio di Archimede, usando una bilancia Sartorius Lab Instruments GmbH & Co. KG. Le immagini al microscopio elettronico sono state realizzate con un FESEM Ultra 55 di Carl Zeiss AG, dopo rivestimento dei campioni con uno strato d’oro di 6 nm. Le prove di trazione sono state eseguite con una macchina LS 5 di Lloyd Instruments Ltd, secondo DIN EN ISO 527.
Le microsfere Expancel e la finestra di espansione
Le microsfere usate nello studio, Expancel 951 DU 120 di Nouryon, sono pensate per applicazioni nei termoplastici. Sono fornite come polvere secca non espansa. La loro espansione avviene nell’intervallo compreso tra 131 e 206 °C, con una dimensione dichiarata di circa 120 µm nella forma espansa.
Nel lavoro, le TEM sono state miscelate direttamente nel materiale durante la granulazione. Questa scelta non è banale: le microsfere non devono essere danneggiate prima della lavorazione, perché il guscio deve rimanere integro fino alla fase di riscaldamento. Rispetto all’uso di masterbatch, la miscelazione diretta nel granulo può favorire una distribuzione più omogenea delle particelle nella matrice.
Gli esperimenti hanno considerato diverse concentrazioni di microsfere, da 0 a 3% in peso. L’obiettivo non era soltanto “fare schiuma”, ma trovare finestre di processo capaci di mantenere cordoni entro tolleranze definite: larghezza di 10 ± 2 mm e altezza di 2 ± 0,2 mm.
Per ottenere questo risultato sono stati variati due parametri principali: la velocità di rotazione della vite dell’estrusore e la velocità di avanzamento relativa tra ugello e piano. In pratica, i ricercatori hanno cercato di capire quali combinazioni di portata e movimento permettono di stampare cordoni stabili quando il materiale cambia volume durante e dopo la deposizione.
Il problema non è solo alleggerire
Il dato più immediato riguarda la densità. Con il 3% in peso di microsfere TEM, la riduzione di densità rispetto al TPE non espanso ha raggiunto il 62%. Nelle conclusioni del lavoro, la densità regolabile viene indicata nell’intervallo da 0,85 a 0,32 g/cm³. È un risultato importante per chi deve produrre parti voluminose ma leggere, come inserti protettivi, appoggi morbidi o componenti destinati ad assorbire energia.
Anche la durezza cambia in modo chiaro. La Shore A passa da 33 nel materiale non espanso a 26 con il 3% di TEM. In termini pratici, il pezzo diventa più morbido e più cedevole. Questo non significa che sia sempre migliore: dipende dall’applicazione. Un componente per proteggere un oggetto fragile può beneficiare di una minore durezza; una parte strutturale che deve sopportare carichi può invece perdere prestazioni.
Le immagini SEM mostrano una struttura a celle chiuse distribuita nel cordone. La dimensione dei pori segue la distribuzione iniziale delle microsfere. Con l’aumento della quantità di TEM crescono numero e dimensione dei pori. Nel materiale senza microsfere compaiono comunque alcune cavità sporadiche, attribuite al degassamento durante il processo.
Il comportamento meccanico segue una tendenza prevedibile: aumentando la schiumatura, diminuiscono resistenza a trazione ed elongazione. Le celle interne agiscono come discontinuità nella matrice polimerica. Il materiale diventa più leggero e più smorzante, ma perde parte della capacità di allungarsi e resistere alla trazione.
L’orientamento dei cordoni conta molto
Un aspetto importante riguarda l’anisotropia. Nei pezzi prodotti per estrusione di materiale, le proprietà cambiano a seconda della direzione del carico rispetto ai cordoni. Quando la trazione attraversa l’interfaccia tra strati o tra cordoni, la resistenza è più bassa. Quando il carico segue la direzione di deposizione, il materiale può sopportare deformazioni molto più elevate.
Nel caso del TPE non espanso, i campioni orientati lungo i cordoni hanno superato i limiti di allungamento della macchina di prova, oltre il 500%. Con l’aggiunta di microsfere, questa elasticità si riduce. Lo studio evidenzia quindi un compromesso: la schiumatura consente di ridurre densità e durezza, ma modifica la risposta meccanica e accentua la necessità di progettare correttamente orientamento, percorso utensile e direzione dei carichi.
Per un progettista, questo significa che non basta scegliere una percentuale di agente espandente. Bisogna decidere dove servono morbidezza, peso ridotto e capacità di smorzamento, e dove invece occorrono continuità del materiale e resistenza. Nella LSAM, la traiettoria dei cordoni diventa parte della progettazione meccanica del pezzo.
Applicazioni: imballaggi, ortopedia, protezioni e componenti su misura
Una delle applicazioni citate nello studio è l’imballaggio personalizzato per componenti sensibili. Un inserto stampato in TPE espanso potrebbe essere progettato sulla forma esatta dell’oggetto da proteggere, evitando passaggi di taglio, incollaggio o assemblaggio di schiume tradizionali. Questo può essere utile per pezzi ottici, strumenti di misura, componenti meccanici delicati, elettronica o parti prodotte in piccole serie.
Un altro campo è quello delle strutture smorzanti. Un materiale più leggero e meno duro può servire per appoggi antivibrazione, tamponi, protezioni, interfacce morbide o elementi che devono assorbire energia senza essere rigidi. Nel settore ortopedico, la possibilità di modulare densità e durezza può interessare plantari, supporti, cuscinetti o componenti personalizzati sul paziente.
Il vantaggio della produzione additiva è la personalizzazione della forma. Il vantaggio della schiumatura è la personalizzazione della risposta del materiale. Quando le due cose vengono combinate, si può lavorare non soltanto sulla geometria esterna, ma anche sulla densità e sulla sensazione meccanica del componente.
Questo non rende il processo adatto a ogni uso. Per componenti caricati, soggetti a fatica o vincolati da requisiti certificativi, servono prove specifiche. La schiumatura riduce peso e durezza, ma riduce anche resistenza ed elasticità in determinate condizioni. Il punto non è sostituire tutti i TPE pieni, ma aggiungere una possibilità per quelle applicazioni dove leggerezza e smorzamento contano più della massima resistenza.
Perché il controllo della temperatura sarà decisivo
Uno dei passaggi più delicati riguarda il controllo termico. Le microsfere si espandono in un intervallo di temperatura definito, ma il materiale non vive quella temperatura in modo uniforme. L’estrusore, l’ugello, il piano, l’aria, il tempo di deposizione e la massa del cordone contribuiscono alla storia termica del pezzo.
In LSAM il cordone è grande e trattiene calore. Questo può favorire espansione dopo la deposizione, ma anche collasso se la struttura non si stabilizza in tempo. Il raffreddamento non è soltanto un dettaglio di processo: diventa uno strumento per fissare la geometria e controllare la qualità degli strati.
Il lavoro indica proprio la gestione della temperatura e della strategia di raffreddamento come aree di sviluppo. Per passare dalla prova di laboratorio ad applicazioni industriali, sarà necessario definire parametri robusti, controllare meglio la deposizione e comprendere come cambia la schiumatura in geometrie più complesse.
Un passo verso materiali LSAM con proprietà più regolabili
La ricerca della Ernst Abbe University of Applied Sciences Jena e di kcd Kunststoffe mostra che il TPE espanso con microsfere TEM può essere stampato in grande formato con struttura a celle chiuse e densità regolabile. Il lavoro non si limita a dimostrare la presenza della schiuma, ma collega la quantità di microsfere ai parametri di processo, alla geometria del cordone, alla densità, alla durezza e alle proprietà meccaniche.
Per il settore della stampa 3D industriale, il punto più utile è il concetto di finestra di processo. Con materiali espandibili non si può applicare in modo semplice il modello usato per i cordoni pieni. La schiumatura rompe l’ipotesi di volume costante e impone una mappatura sperimentale più accurata.
Questo approccio può diventare importante per chi lavora con grandi parti polimeriche, imballaggi tecnici, componenti morbidi su misura e strutture leggere. La produzione additiva a granuli offre portate elevate e costi materiale più vicini alla trasformazione plastica tradizionale. L’aggiunta di microsfere termoespandibili permette di intervenire anche sulla densità e sulla risposta elastica.
La strada industriale richiederà altre prove: più materiali, più percentuali di agente espandente, geometrie reali, controllo del raffreddamento, verifica della ripetibilità e test applicativi. Il risultato, però, indica una direzione concreta: stampare grandi componenti elastici non solo nella forma desiderata, ma anche con una struttura interna capace di ridurre peso e modificare la durezza del pezzo.
