La tedesca Malping GmbH sta ampliando la propria attività nella produzione additiva con polimeri ad alte prestazioni, concentrandosi in particolare sulla stampa FGF, Fused Granulate Fabrication, di materiali come PEEK, PEKK, PPS rinforzato e ULTEM.
L’azienda, con sede a Neuhausen auf den Fildern, nell’area di Stoccarda, vuole costruire un servizio industriale nel quale la scelta della tecnologia di stampa e soprattutto quella del materiale dipendano dall’applicazione finale e non dalla necessità di utilizzare a tutti i costi il polimero tecnicamente più sofisticato.
È un’impostazione che il fondatore e amministratore delegato Dr.-Ing. Bastian Gaedike sintetizza partendo da un principio semplice: il cliente non acquista un materiale, ma una funzione.
In alcune applicazioni quella funzione può richiedere PEEK. In altre può essere raggiunta con PPS, PPA o persino con una poliammide opportunamente selezionata, ottenendo un componente meno costoso e comunque adeguato alle condizioni operative previste.
La strategia di Malping consiste quindi nell’unire consulenza sui materiali, progettazione, stampa 3D FFF e FGF e post-processing meccanico, con particolare attenzione ai settori nei quali temperature, sostanze chimiche, isolamento elettrico o requisiti meccanici rendono insufficienti i normali materiali utilizzati nella stampa 3D.
Dal PLA e PETG ai polimeri ingegneristici ad alte prestazioni
Il mercato dei service di stampa 3D a estrusione è diventato progressivamente più affollato.
L’arrivo di stampanti FFF desktop più veloci, affidabili e automatizzate ha ridotto considerevolmente la barriera economica all’ingresso. Costruire una piccola print farm capace di produrre componenti in PLA, PETG, ABS o materiali simili richiede investimenti molto inferiori rispetto a quelli necessari per creare un reparto produttivo tradizionale.
Il problema è che proprio questa accessibilità rende difficile differenziarsi.
Quando numerose aziende utilizzano macchine simili e materiali simili, la concorrenza tende inevitabilmente a spostarsi sul prezzo e sui tempi di consegna.
Malping ha scelto una direzione differente.
L’azienda si concentra su materiali che richiedono temperature molto più elevate, una gestione accurata del processo e conoscenze specifiche di scienza dei materiali.
Fra quelli lavorati figurano PEEK, PEKK, ULTEM 9085, PPS-GF20, PPA-CF25 e PPA-GF15.
Sono materiali rivolti non tanto alla prototipazione estetica quanto a componenti funzionali destinati a operare in condizioni industriali.
Perché il PEEK è così interessante
Il PEEK, polietere etere chetone, appartiene alla famiglia dei PAEK, i poliarileterchetoni, ed è uno dei termoplastici ad alte prestazioni più utilizzati quando un normale tecnopolimero non è sufficiente.
Si tratta di un materiale semicristallino che combina resistenza meccanica, stabilità termica e resistenza chimica.
A seconda del grado e dell’applicazione, materiali della famiglia PEEK possono essere impiegati continuativamente a temperature molto elevate. Victrex, uno dei principali produttori mondiali di PEEK, indica per alcune proprie formulazioni temperature di utilizzo continuo fino a circa 260 °C.
Il materiale offre inoltre un’elevata resistenza a numerosi acidi, basi, idrocarburi e solventi organici.
A queste caratteristiche si aggiungono buone proprietà tribologiche e una bassa tendenza all’usura.
Sono proprio queste combinazioni a rendere interessante il PEEK per applicazioni in settori come macchine industriali, chimica, elettronica, energia e dispositivi medicali.
Non significa però che qualsiasi componente PEEK sia automaticamente idoneo a un’applicazione medicale. Nei dispositivi destinati al contatto con il corpo umano sono necessari gradi specifici, processi controllati, verifiche di biocompatibilità e il rispetto delle normative applicabili.
Malping sta comunque indicando il medicale come uno dei mercati nei quali intende sviluppare ulteriormente la propria attività.
Il PEEK è anche uno dei materiali più difficili da stampare correttamente
Le proprietà che rendono interessante il PEEK complicano contemporaneamente la sua lavorazione mediante estrusione.
Il materiale richiede temperature dell’estrusore molto elevate e, soprattutto, un controllo termico accurato durante la costruzione del componente.
Se la parte appena depositata si raffredda troppo velocemente rispetto agli strati successivi, possono svilupparsi forti tensioni interne.
Il risultato può essere deformazione, distacco dal piano, separazione fra strati o proprietà meccaniche fortemente anisotrope.
La gestione della cristallinità rappresenta un altro elemento importante.
Velocità di raffreddamento e profilo termico influenzano infatti la struttura semicristallina del materiale e quindi le proprietà finali del componente.
Stampare PEEK non significa quindi semplicemente portare un ugello a una temperatura sufficientemente elevata.
Camera di costruzione, temperatura del materiale, adesione, geometria del componente, orientamento e strategia di deposizione devono essere considerati come parti dello stesso processo.
Ed è proprio questa difficoltà a creare una possibile nicchia industriale per operatori specializzati.
FGF significa partire direttamente dal granulo
Il passaggio sul quale Malping sta investendo maggiormente riguarda la Fused Granulate Fabrication.
Nella normale stampa FFF, il materiale viene fornito sotto forma di filamento.
Il produttore della materia prima realizza inizialmente un polimero in granuli. Questi granuli vengono successivamente trasformati in filamento con diametro controllato. Il filamento viene avvolto su bobine, confezionato e infine utilizzato nella stampante.
La FGF elimina questa fase intermedia.
Il materiale in pellet viene alimentato direttamente in un estrusore a vite, fuso e depositato sul componente.
Per materiali relativamente economici la differenza di costo può avere un peso limitato.
Con un materiale costoso come il PEEK, invece, evitare la trasformazione da granulo a filamento può modificare sensibilmente il costo della materia prima utilizzata nella produzione.
Il granulo permette di avvicinarsi alla filiera dello stampaggio a iniezione
C’è anche un secondo vantaggio.
L’industria della trasformazione delle materie plastiche utilizza prevalentemente materiali in pellet.
Il numero di formulazioni disponibili sotto forma di granulo è quindi enormemente superiore rispetto a quello dei filamenti qualificati per la stampa 3D.
Lavorare direttamente con pellet permette potenzialmente di accedere a materiali originariamente sviluppati per lo stampaggio a iniezione.
Per un service industriale questo significa poter valutare formulazioni con fibre di vetro, fibre di carbonio, additivi antistatici, caratteristiche ESD, modificatori tribologici o altre proprietà specifiche.
Malping intende utilizzare proprio questa possibilità per ampliare il proprio catalogo verso materiali speciali, comprese formulazioni destinate all’elettronica.
Una AIM3D ExAM 510 al centro della produzione FGF
Per la produzione a granulo Malping utilizza una ExAM 510 di AIM3D, azienda tedesca specializzata nello sviluppo di sistemi di produzione additiva basati sull’estrusione di pellet.
La macchina dispone di un volume utile di circa 510 × 510 × 410 mm.
È quindi adatta anche a componenti decisamente più grandi rispetto a quelli normalmente realizzati sulle stampanti desktop ad alta temperatura.
La ExAM 510 è stata progettata per lavorare materiali termoplastici ad alte prestazioni e può essere equipaggiata con fino a tre estrusori.
La camera di processo può essere riscaldata ad alta temperatura per ridurre i gradienti termici durante la costruzione.
Questo aspetto è particolarmente importante con PEEK, PEI, PPS e altri materiali nei quali il controllo della temperatura influenza direttamente deformazioni e adesione tra gli strati.
AIM3D utilizza il processo CEM
AIM3D definisce la propria tecnologia Composite Extrusion Modeling, CEM.
Il principio di base rimane quello dell’estrusione di materiale in granuli, ma la piattaforma è stata sviluppata per lavorare non soltanto termoplastici convenzionali.
Può utilizzare anche feedstock caricati con elevate quantità di particelle metalliche o ceramiche.
In questi casi il processo diventa differente rispetto alla semplice stampa di un polimero.
Il componente viene inizialmente stampato utilizzando un materiale composto da polimero legante e particelle metalliche o ceramiche.
Successivamente deve essere sottoposto a debinding per eliminare il legante e a sinterizzazione per consolidare il materiale.
È un principio simile a quello utilizzato nella filiera MIM, Metal Injection Molding.
La ExAM 510 può quindi utilizzare anche determinate materie prime disponibili nell’industria dello stampaggio a iniezione di metalli, ampliando ulteriormente la gamma di materiali potenzialmente processabili.
Per Malping, tuttavia, la direzione principale rimane attualmente quella dei polimeri tecnici e ad alte prestazioni.
Fino a circa 500 grammi l’ora nelle configurazioni utilizzate da Malping
Secondo quanto dichiarato da Malping, alcuni dei sistemi utilizzati dall’azienda possono raggiungere portate nell’ordine dei 500 grammi di materiale all’ora.
Il dato va interpretato in funzione di polimero, ugello, altezza dello strato e qualità superficiale richiesta, ma permette di comprendere una delle differenze fondamentali rispetto alla normale stampa a filamento.
Un estrusore a vite può alimentare quantità di materiale elevate.
Questo rende la FGF particolarmente interessante quando aumentano le dimensioni del componente.
Per una piccola parte con dettagli molto fini, una portata elevata non offre necessariamente un vantaggio.
Per un componente da diversi chilogrammi, al contrario, il tempo di deposizione diventa un elemento determinante del costo.
Malping indica un risparmio superiore al 40% in determinate applicazioni
L’azienda afferma di poter ridurre in alcuni casi i costi di produzione di oltre il 40% attraverso l’impiego del granulo.
Non si tratta naturalmente di una percentuale applicabile automaticamente a qualsiasi componente.
Il vantaggio dipende dal prezzo del pellet rispetto al filamento, dalla quantità di materiale utilizzata, dai tempi macchina, dal livello di dettaglio e dalle lavorazioni successive.
Malping considera la FGF particolarmente interessante quando i componenti raggiungono volumi nell’ordine di 1.000 cm³ o superiori.
Al di sotto di queste dimensioni, una macchina FFF più piccola può risultare più pratica ed economica.
Questo è un elemento importante della strategia dell’azienda: FGF e FFF non vengono presentate come tecnologie concorrenti, ma come strumenti destinati a fasce differenti dello stesso mercato.
Il filamento rimane utile quando servono dettaglio e flessibilità
Malping mantiene infatti anche sistemi a filamento.
Fra le macchine utilizzate figura una 22 IDEX di Vision Miner, piattaforma progettata per polimeri ad alta temperatura e dotata di doppio estrusore indipendente.
La FFF permette generalmente di utilizzare ugelli più piccoli e ottenere maggiore dettaglio rispetto ai sistemi FGF orientati alla produttività.
Per componenti relativamente piccoli, prototipi, quantità ridotte o geometrie nelle quali la qualità superficiale pesa più della velocità di deposizione, il filamento può quindi rimanere la scelta preferibile.
Il lavoro del service consiste proprio nel decidere quale combinazione garantisca il miglior risultato economico.
PEEK non deve diventare una risposta automatica
Bastian Gaedike insiste particolarmente su questo punto.
Utilizzare un materiale più costoso di quanto realmente necessario non rappresenta una buona progettazione.
Se un componente deve resistere a una determinata temperatura e a specifiche sostanze chimiche, la prima domanda non dovrebbe essere “possiamo stamparlo in PEEK?”, ma “quale materiale possiede le caratteristiche richieste con il costo complessivo più basso?”.
Un esempio è rappresentato dal PPS-GF20, PPS rinforzato con il 20% di fibra di vetro.
Per alcune applicazioni elettriche e industriali può offrire resistenza termica e chimica sufficiente a un costo inferiore rispetto al PEEK.
Malping propone quindi PPS-GF20 per supporti elettronici, telai di circuiti stampati, componenti isolanti e applicazioni industriali soggette a temperature elevate.
Quando le condizioni operative diventano più severe, il PEEK può invece tornare ad avere un vantaggio.
Elettronica di potenza come possibile mercato
Uno dei settori nei quali Malping vede opportunità è l’elettronica di potenza.
L’espansione dei veicoli elettrici, degli inverter industriali, dei sistemi di accumulo e dei convertitori ad alta potenza sta aumentando la domanda di materiali capaci di combinare isolamento elettrico, stabilità dimensionale e resistenza alla temperatura.
In questi ambienti un componente polimerico può trovarsi vicino a semiconduttori, busbar, circuiti di potenza e sistemi di raffreddamento.
La deformazione del materiale o la perdita delle proprietà isolanti non è quindi accettabile.
Malping ha già prodotto componenti PEEK destinati all’elettronica di potenza e strutture in PPS-GF20 per il supporto di circuiti.
L’obiettivo è aumentare questa tipologia di applicazioni utilizzando la disponibilità di differenti formulazioni come elemento di differenziazione.
I materiali ESD rappresentano un’altra area di sviluppo
L’azienda intende inoltre ampliare il lavoro sui materiali ESD-safe, cioè formulazioni progettate per controllare l’accumulo e la dissipazione delle cariche elettrostatiche.
Questo requisito è importante nella produzione elettronica.
Una scarica che per una persona sarebbe quasi impercettibile può danneggiare un componente elettronico sensibile.
Per questo dime, supporti, attrezzature e contenitori utilizzati nelle linee produttive possono richiedere una resistività elettrica controllata.
Partendo direttamente dal pellet diventa possibile valutare compound contenenti carbonio, nanotubi, grafite o altri additivi conduttivi senza essere limitati alla gamma relativamente ridotta disponibile sotto forma di filamento.
PEEK e medicale: opportunità ma anche requisiti molto più severi
Un altro settore indicato da Malping è quello della tecnologia medicale.
Il PEEK è già utilizzato da molti anni in dispositivi medici e in alcune applicazioni impiantabili grazie alle sue caratteristiche meccaniche, alla resistenza chimica e alla disponibilità di gradi specificamente sviluppati e controllati per questo mercato.
La famiglia PEEK-OPTIMA di Invibio, società appartenente a Victrex, costituisce uno degli esempi più conosciuti.
L’ingresso della produzione additiva in questo settore può offrire la possibilità di realizzare geometrie personalizzate, strumenti chirurgici, componenti tecnici e parti con strutture interne difficili da ottenere attraverso lavorazioni sottrattive.
Il fatto che un materiale appartenga alla famiglia PEEK non significa però automaticamente che un componente stampato possa essere impiegato in un’applicazione medica.
Devono essere considerate la specifica qualità della materia prima, eventuali contaminazioni durante la produzione, post-processing, sterilizzazione, tracciabilità e requisiti regolatori.
Per un service che vuole espandersi nel medicale, il controllo del processo diventa quindi almeno importante quanto la capacità di stampare il materiale.
ULTEM 9085 amplia il portafoglio verso aerospazio e trasporti
Malping lavora anche ULTEM 9085, materiale della famiglia PEI prodotto da SABIC.
ULTEM 9085 è stato sviluppato per applicazioni nelle quali sono importanti resistenza termica, proprietà meccaniche e comportamento nei confronti di fiamma, fumo e tossicità.
SABIC indica la conformità del materiale ai requisiti aerospaziali FAR 25.853 e ai criteri relativi al rilascio di calore OSU.
Il materiale trova quindi applicazione soprattutto negli interni aeronautici e nel settore ferroviario, oltre ad altri impieghi industriali.
La presenza contemporanea di PEEK, PEKK, PPS e PEI permette a Malping di affrontare applicazioni con requisiti molto differenti senza dover ricondurre ogni richiesta allo stesso materiale.
AIM3D ha già confrontato granulo e filamento con ULTEM 9085
Un interessante elemento tecnico arriva proprio dal produttore della ExAM 510.
Durante prove condotte da AIM3D con ULTEM 9085, i campioni realizzati tramite estrusione di pellet hanno raggiunto, nella direzione XY, una resistenza a trazione dichiarata di 85,7 MPa.
Il valore misurato sui componenti prodotti per stampaggio a iniezione era di 86 MPa.
I campioni realizzati mediante stampa a filamento raggiungevano invece 69,2 MPa.
Nella direzione XZ la differenza era minore ma ancora favorevole al processo a pellet nelle prove condotte da AIM3D.
I risultati non possono essere automaticamente trasferiti al PEEK o a qualsiasi geometria e devono essere letti nel contesto dei test eseguiti dal produttore.
Dimostrano però che l’interesse della stampa a granulo non riguarda esclusivamente la riduzione del prezzo della materia prima.
La modalità con cui il materiale viene estruso può influenzare anche le caratteristiche meccaniche finali.
Voxelfill cerca di ridurre l’anisotropia tra gli strati
AIM3D sta lavorando anche su una strategia denominata Voxelfill, concepita per affrontare uno dei limiti principali della stampa per estrusione: la differente resistenza nelle varie direzioni.
Nei componenti FFF e FGF la resistenza lungo le linee depositate è normalmente superiore a quella nella direzione perpendicolare agli strati.
Il punto debole può quindi trovarsi proprio nell’interfaccia fra uno strato e il successivo.
Voxelfill utilizza una strategia di riempimento che cerca di creare collegamenti attraverso più strati, riducendo la dipendenza dalla semplice adesione bidimensionale fra layer.
AIM3D sta sviluppando questa tecnologia insieme alla danese Create it REAL, integrandola con strumenti software dedicati allo slicing e alla gestione del processo.
Per un materiale strutturale ad alte prestazioni, ridurre l’anisotropia può diventare particolarmente importante.
La stampa non elimina la necessità della lavorazione CNC
Un altro elemento interessante nel modello di Malping è l’integrazione con la lavorazione meccanica.
Una superficie prodotta direttamente mediante estrusione conserva la tipica struttura a strati.
In molte applicazioni questo non rappresenta un problema.
Una flangia, una sede per cuscinetto, una superficie di tenuta o un foro con tolleranza stretta possono invece richiedere precisioni e rugosità difficili da ottenere direttamente dalla stampante.
Malping collabora quindi con aziende specializzate nella lavorazione CNC per rifinire le zone funzionali dei componenti.
La produzione additiva può realizzare la geometria complessa e ridurre lo spreco di materiale; la lavorazione sottrattiva può garantire le tolleranze nelle aree critiche.
La combinazione dei due processi è particolarmente interessante proprio con materiali costosi come il PEEK.
Perché fresare un blocco di PEEK può essere costoso
Nella lavorazione CNC tradizionale si parte spesso da una barra, una lastra o un blocco di materiale.
Una parte consistente del volume iniziale può essere trasformata in truciolo.
Con un materiale relativamente economico questo spreco può essere accettabile.
Con il PEEK, il costo del materiale rimosso può incidere in maniera significativa.
La produzione additiva consente invece di avvicinare fin dall’inizio la geometria prodotta a quella finale.
Le sole superfici che necessitano di tolleranze molto strette possono essere successivamente fresate.
Questo approccio “near-net-shape” può quindi combinare l’efficienza materiale della stampa 3D con la precisione delle macchine utensili.
Non sempre però la stampa 3D è più conveniente del CNC
Malping sottolinea anche il limite opposto.
Un semplice distanziale cilindrico in PEEK, per esempio, può essere prodotto molto rapidamente su un tornio.
Stampare lo stesso pezzo strato dopo strato potrebbe essere più lento e costoso.
La manifattura additiva diventa interessante quando la geometria presenta cavità, condotti interni, sottosquadri, variazioni di sezione o possibilità di integrazione funzionale.
Anche la quantità conta.
Per geometrie semplici, aumentando i volumi produttivi possono diventare più convenienti lavorazione CNC o stampaggio a iniezione.
La scelta deve quindi derivare dal componente e non dalla tecnologia disponibile nel reparto produttivo.
FGF può occupare lo spazio fra FFF e stampaggio a iniezione
È probabilmente in questa zona intermedia che Malping vede il maggiore potenziale.
La FFF tradizionale funziona bene con pezzi relativamente piccoli e quantità limitate.
Lo stampaggio a iniezione diventa estremamente efficiente quando i volumi sono elevati, ma richiede la progettazione e la produzione di uno stampo.
Fra questi due estremi esiste una fascia composta da pezzi medio-grandi, piccole e medie serie, materiali costosi e geometrie soggette a frequenti modifiche.
In questi casi la FGF può evitare l’investimento nello stampo mantenendo contemporaneamente un costo della materia prima più vicino a quello del settore dello stampaggio a iniezione.
È questo il segmento nel quale il modello “PEEK as a service” di Malping può assumere un significato industriale.
Non vendere una stampante, ma una capacità produttiva
Per molte aziende il principale ostacolo all’utilizzo del PEEK additivo non è il prezzo della singola stampante.
È tutto ciò che serve attorno alla macchina.
Bisogna sviluppare parametri, gestire essiccazione e conservazione del materiale, controllare il profilo termico, progettare il componente in funzione del processo, verificare le proprietà meccaniche e organizzare eventuali lavorazioni successive.
Per produrre poche decine o centinaia di parti l’anno, costruire internamente queste competenze può non essere economicamente giustificato.
Un service specializzato permette invece di acquistare il componente quando serve, trasformando un investimento in macchine e know-how in un costo variabile legato alla produzione.
Malping propone anche sistemi e consulenza per le aziende che, raggiunti volumi sufficienti, vogliano internalizzare il processo.
Il servizio può quindi diventare anche una fase precedente all’introduzione della produzione additiva direttamente presso il cliente.
Una strategia di specializzazione per un mercato FFF sempre più competitivo
La scelta di Malping evidenzia anche un cambiamento più generale nel settore della stampa 3D a estrusione.
La disponibilità di stampanti desktop performanti sta rendendo sempre meno sostenibile un service basato esclusivamente sulla capacità di “stampare un file”.
Per competere nel mercato industriale diventa necessario aggiungere competenze che il cliente non possiede internamente.
Queste possono riguardare progettazione, simulazione, certificazione, controllo qualità, post-processing oppure, come nel caso di Malping, scienza dei materiali e lavorazione di polimeri difficili.
PEEK è particolarmente adatto a questa strategia perché il suo valore non deriva soltanto dal prezzo della materia prima.
Deriva dalla capacità di trasformarlo in modo ripetibile mantenendo le caratteristiche per le quali è stato selezionato.
Il granulo potrebbe cambiare l’economia della stampa 3D con materiali costosi
La questione più interessante rimane però quella economica.
Per molti anni una parte importante della stampa 3D polimerica professionale è stata costruita attorno al filamento.
Questo formato è semplice da gestire, preciso e adatto a macchine relativamente compatte.
Ma impone un passaggio produttivo aggiuntivo fra il produttore del polimero e la stampante.
Con materiali ad alte prestazioni, il valore aggiunto del filamento può rappresentare una quota significativa del costo finale.
La FGF tenta di eliminare quel passaggio e di collegare più direttamente la manifattura additiva alla filiera tradizionale dei compound plastici.
Se il processo raggiunge qualità, ripetibilità e proprietà meccaniche adeguate, il vantaggio non consiste soltanto nel risparmiare sul materiale.
Significa poter utilizzare un catalogo molto più ampio di polimeri industriali e sviluppare formulazioni specifiche per l’applicazione.
La sfida sarà dimostrare la ripetibilità industriale
Il passo successivo per Malping sarà dimostrare che il modello può essere replicato su un numero crescente di applicazioni.
Produrre un singolo componente PEEK funzionante è una cosa.
Garantire che il centesimo componente possieda geometria e proprietà confrontabili con il primo è il requisito che trasforma una tecnologia di prototipazione in un processo produttivo.
Per applicazioni in elettronica, medicale e macchinari industriali diventano quindi importanti tracciabilità dei materiali, controllo del processo, verifica dimensionale e caratterizzazione delle proprietà.
La possibilità di combinare FGF, FFF e CNC offre a Malping diversi strumenti per raggiungere il risultato richiesto senza pretendere che un’unica tecnologia risolva qualsiasi problema.
Ed è forse questo l’elemento più interessante della strategia dell’azienda tedesca.
Il PEEK rappresenta il materiale più visibile e tecnicamente prestigioso del portafoglio, ma il vero prodotto che Malping GmbH vuole vendere non è il PEEK stesso.
È la capacità di stabilire quando utilizzarlo, come trasformarlo e quando sostituirlo con un materiale meno costoso.
In un mercato della stampa 3D nel quale le macchine diventano progressivamente più accessibili, questa competenza può diventare una forma di differenziazione molto più difficile da copiare rispetto alla semplice disponibilità di una nuova stampante.
“Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)”
