Nuovo strumento multi-asse per la stampa 3D rinforzata con fibre, sviluppato da Virginia Tech
Un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica di Virginia Tech ha realizzato uno strumento di deposizione specifico per la stampa 3D con rinforzo a fibre continue (CFR), capace di operare in configurazione multi-asse e di migliorare in modo significativo le prestazioni meccaniche delle strutture composite. Il progetto, guidato da Kieran D. Beaumont, Joseph R. Kubalak e Christopher B. Williams e pubblicato su una rivista di Springer Nature, dimostra un aumento della capacità di carico fino all’820% rispetto ai metodi tradizionali di stampa con fibre di carbonio corte (SCF) su piani bidimensionali. Lo strumento integra tre funzioni fondamentali: il taglio e il riavvolgimento delle fibre durante i movimenti, il controllo in tempo reale della frazione volumetrica di fibra e un ingombro minimo per ridurre le collisioni durante le traiettorie multi-asse.
Obiettivi e vantaggi della tecnologia CFR-MEX
L’idea alla base di questo nuovo sistema consiste nell’unire i vantaggi del rinforzo continuo con la libertà di movimento offerta da bracci robotici a sei gradi di libertà. Le principali sfide nell’ambito della stampa 3D con fibre continue riguardano:
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Taglio e ricarica delle fibre: per ottenere geometrie complesse senza strappi o inceppamenti, è necessario interrompere e riprendere l’alimentazione della fibra in modo affidabile quando la testina di stampa si sposta da un punto all’altro.
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Controllo della frazione volumetrica di fibra: la percentuale di fibra inserita nel materiale di base influisce direttamente sulle proprietà meccaniche del pezzo finale; il sistema di Virginia Tech regola la portata del polimero fuso per variare, all’interno di una stessa componente, la quantità di fibra continua depositata.
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Riduzione delle collisioni: operando su traiettorie multi-asse, la testina deve evitare di urtare parti già stampate; un corpo di forma sottile e dotato di tubi di raffreddamento esterni riduce al minimo l’ingombro durante i movimenti.
Questo strumento consente quindi di co-estrudere una matrice plastica termoplastica con un towpreg di fibre di carbonio continue (CCF), assicurando l’alimentazione affidabile della fibra dopo ogni taglio e permettendo di ottenere parti caratterizzate da sezioni con differenti percentuali di fibra continua.
Dettagli operativi e componenti chiave
Il cuore del dispositivo è costituito da un estrusore a doppia alimentazione capace di gestire simultaneamente polimero e filo continuo di fibre di carbonio. In particolare:
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Towpreg Anisoprint: è stato usato un materiale pre-impregnato con fibra di carbonio continua, fornito da Anisoprint, con una frazione volumetrica di fibra del 57% e un diametro di 0,35 mm. Questo towpreg assicura un’elevata percentuale di fibra nel pezzo finito e garantisce un flusso costante durante la stampa.
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Filamenti 3DXTECH: per la matrice termoplastica è stato scelto il PLA nero commercializzato da 3DXTECH, disponibile in due varianti: PLA puro e PLA rinforzato con fibre di carbonio corte (SCF-PLA). La coerenza delle proprietà meccaniche e la riduzione delle variazioni introdotte dai pigmenti hanno permesso di basare i confronti su dati omogenei.
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Braccio robotico ABB: le prove sperimentali sono state condotte con un braccio a sei gradi di libertà ABB IRB 4600–40/2.55, dotato di un sistema automatico di cambio utensile. Ciò ha consentito di passare, senza interventi manuali, dallo strumento CFR-MEX alla comune testina di stampa FFF (Fused Filament Fabrication) con ugello prolungato, impiegata per i pezzi di riferimento realizzati su piani bidimensionali.
L’integrazione di un sistema di taglio e riavvolgimento delle fibre, un estrusore dual drive per il polimero e un hotend specializzato ha permesso di gestire in modo sinergico le tre funzioni chiave: taglio/riavvolgimento, regolazione del rapporto fibra-polimero e minimizzazione dell’ingombro.
Prove meccaniche e miglioramenti riscontrati
Per valutare le prestazioni del materiale composito, i ricercatori hanno realizzato campioni in PLA rinforzato con fibre di carbonio continue e li hanno sottoposti a prove di trazione. I risultati principali includono:
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Resistenza a trazione: i provini rinforzati con fibre continue hanno raggiunto un valore di circa 190,76 MPa, confrontati con i 60,31 MPa del PLA puro e i 56,92 MPa del PLA contenente fibre corte di carbonio.
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Modulo di Young: nella direzione della fibra, il modulo dei campioni CFR-PLA è risultato pari a 9,98 GPa, contro 3,01 GPa per il PLA puro e 4,30 GPa per la variante con fibre corte.
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Prestazioni intra-strato e inter-strato: la stampa con orientamento dei tracciati sul piano XY garantisce elevate proprietà meccaniche in quella direzione, mentre la resistenza nei confronti di carichi applicati ortogonalmente agli strati (inter-strato) o in direzione parallela ai tracciati (intra-strato) rimane ancora critica. I dati hanno mostrato riduzioni delle prestazioni meccaniche nei campioni CFR-PLA, con valori di resistenza intra-strato inferiori del 66% rispetto al PLA puro e di 63% in termini di modulo; per le caratteristiche inter-strato le diminuzioni sono state rispettivamente dell’86% e del 60%.
Per studiare componenti con percorsi di carico tridimensionali, sono stati stampati provini a forma di barra di trazione curva secondo tre approcci diversi:
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PLA rinforzato con fibre corte stampato su singolo piano (SCF-planare).
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Provini con fibre corte ma orientati lungo percorsi multi-asse (SCF-multi-asse).
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Provini rinforzati con fibre continue depositate su traiettorie multi-asse (CFR-multi-asse).
I risultati mostrano che i campioni SCF-multi-asse presentano un incremento del 41,6% nella capacità di carico massimo rispetto a quelli SCF-planari. I provini CFR-multi-asse, invece, assorbono carichi 8,2 volte superiori a quelli dei campioni SCF-planari, confermando come l’allineamento continuo delle fibre lungo la direzione del carico aumenti notevolmente la capacità di resistenza dei componenti. Le analisi con microscopio elettronico a scansione (SEM) delle superfici di rottura hanno evidenziato fenomeni di pull-out delle fibre e un’adesione ancora non ottimale tra fibra e matrice, aspetto su cui si concentra la ricerca futura.
Verifica delle funzionalità di taglio e ricarica delle fibre
Per dimostrare la robustezza del sistema di taglio e riavvolgimento, è stata stampata una piastra rettangolare di dimensioni 100 × 150 × 3 mm che ha richiesto 426 operazioni ripetute di taglio e reinserimento della fibra su sei strati. Ogni volta che la testina si spostava tra segmenti non contigui, il towpreg veniva tagliato e riavvolto con precisione. Il 100% di successo ottenuto durante questi passaggi ha attestato l’affidabilità del meccanismo, condizione essenziale per la produzione di geometrie complesse che prevedono frequenti movimenti di “travel” tra zone stampate.
Controllo variabile della frazione volumetrica di fibra
Un ulteriore test ha riguardato un campione a forma di prisma rettangolare, stampato variando in modo controllato la velocità di estrusione del polimero, la larghezza del tracciato e l’altezza degli strati. L’analisi microscopica delle sezioni trasversali ha permesso di determinare che la frazione volumetrica di fibra era pari a 6,51% in un tratto, 8,00% in un secondo e 9,86% in un terzo. Sebbene questi valori risultino inferiori a quelli riportati da altri studi in letteratura, ciò è dovuto alla combinazione di parametri quali la geometria dello strumento, il tempo di contatto tra polimero e fibra e la velocità di avanzamento della testina.
Confronti con studi precedenti e posizionamento nell’ambito della ricerca CFR
La stampa 3D con rinforzo continuo si inserisce in un filone di studi che negli ultimi anni ha fatto registrare miglioramenti importanti nei materiali compositi. Alcune ricerche hanno evidenziato come PLA rinforzato con fibre di carbonio continue possa raggiungere resistenze a trazione fino a 650 MPa quando l’orientamento delle fibre rimane limitato al piano XY. Tuttavia, questo approccio planar-only non sfrutta appieno la direzione dei carichi reali, tanto che la capacità di carico risulta vincolata a quella superficie. Le soluzioni multi-asse introducono la possibilità di allineare le fibre secondo traiettorie tridimensionali, incrementando il comportamento statico e dinamico dei componenti sotto carico complesso.
Rispetto a soluzioni già documentate in letteratura, lo strumento di Virginia Tech si differenzia per la capacità di integrare in un unico dispositivo tre funzioni sinergiche: l’alimentazione duale di polimero e fibra, il taglio/riavvolgimento continuo e un hotend con geometria ottimizzata per ridurre le collisioni. Misurazioni eseguite durante le prove hanno mostrato che il volume di ingombro angolare è pari a 56,2° per l’intero strumento e a 41,6° per la sola parte calda, permettendo movimenti più ampi del braccio robotico senza interferenze.
Sfide ancora aperte e sviluppi futuri
Nonostante i risultati promettenti, permangono criticità riguardanti l’adesione tra fibra e matrice. Le immagini SEM hanno evidenziato zone in cui la matrice plastica non impregna completamente il fascio di fibre, generando un’interfaccia che non raggiunge le prestazioni teoriche attese. Per superare questo limite, gli autori suggeriscono di ottimizzare la sezione del towpreg (tow sizing) e di aumentare il tempo di interazione tra fibra e polimero fuso, al fine di migliorare l’imbevimento e l’adesione. Inoltre, algoritmi avanzati di generazione dei percorsi utensile (toolpath planning) potrebbero sfruttare in modo più efficace la capacità di orientare le fibre lungo le linee di carico principali, massimizzando le proprietà meccaniche finali.
Impatti e potenziali applicazioni industriali
L’innovazione introdotta da Virginia Tech risulta utile in vari settori dove la resistenza specifica e la leggerezza sono requisiti fondamentali. Tra le possibili applicazioni si segnalano:
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Componenti per il settore aerospaziale e automobilistico, dove parti in materiale composito rinforzato possono ridurre il peso strutturale senza compromettere la durezza e la resistenza statica.
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Parti destinate a impieghi civili, come supporti strutturali, telai per robot collaborativi o carichi sospesi, che beneficiano di un orientamento delle fibre calibrato alle direzioni delle sollecitazioni operate in servizio.
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Componenti per apparecchiature sportive di alta gamma, ad esempio telai per biciclette o attrezzature da arrampicata, dove la combinazione tra elevata resistenza a trazione e flessibilità controllata è essenziale.
Il fatto di poter introdurre percentuali di fibra variabili all’interno dello stesso componente apre la strada a nuovi design in cui parti diverse di un singolo pezzo richiedono differenti proprietà meccaniche.
Percorso di validazione e pubblicazione
Lo studio, descritto in dettaglio nella rivista di Springer Nature, illustra le fasi di progettazione CAD dello strumento, gli esperimenti di stampa con braccio robotico, le prove meccaniche standardizzate e le analisi microscopiche. Ogni passaggio è documentato con schemi dell’architettura interna del dispositivo, parametri di stampa e grafici di carico-estensione per le barre curvate. Questi dati costituiscono un contributo alla letteratura sulla manifattura additiva multi-asse, proponendo soluzioni tecniche per integrare il rinforzo continuo in contesti industriali.
Prospettive di sviluppo e conclusioni
Il progetto apre la strada a ulteriori ricerche volte a perfezionare il processo di impregnazione e a progettare nuove famiglie di materiali pre-impregnati. In futuro, l’integrazione di sensori di temperatura installati direttamente vicino alla zona di estrusione potrebbe ottimizzare in tempo reale l’interazione tra fibra e matrice, massimizzando la penetrazione del polimero. Parallelamente, l’implementazione di software di simulazione dei flussi del materiale durante la stampa consentirebbe di prevedere in anticipo le zone a rischio di scarsa adesione e di modificare di conseguenza i parametri di processo.
Il lavoro di Virginia Tech rappresenta un passo importante verso la produzione additiva di componenti ad alte prestazioni, sfruttando le potenzialità dei sistemi multi-asse e dei materiali compositi rinforzati con fibre continue. La combinazione di un’architettura interna ottimizzata, di un controllo preciso della frazione volumetrica di fibra e di un’esecuzione affidabile del taglio/riavvolgimento rende questo approccio applicabile in settori avanzati, dove riduzione dei tempi di sviluppo e maggiore performance strutturale sono fondamentali.
