Quanto possono essere resistenti le parti in 3D?

La stampa 3D è un processo di produzione additiva che consente di creare oggetti solidi tridimensionali a partire da un disegno digitale in 3D; strati successivi di materiale vengono posizionati per formare la forma del prodotto. Questa tecnologia viene utilizzata in un'ampia gamma di settori in cui la resistenza dei prodotti è fondamentale, tra cui quello automobilistico, aerospaziale, medico e dei prodotti di consumo. La forza di adesione degli strati successivi è fondamentale per la resistenza complessiva dei prodotti, così come il materiale, l'orientamento della stampante e la struttura interna.

Questo articolo parla della resistenza delle parti stampate in 3D e di ciò che migliora la resistenza dei prodotti. L'articolo passa in rassegna i materiali più recenti e altri fattori che contribuiscono alla resistenza complessiva dei prodotti stampati in 3D. Vengono presi in considerazione anche diversi fattori di valutazione della resistenza dei prodotti.

La resistenza delle parti stampate in 3D dipende da diversi fattori, tra cui il materiale utilizzato, la progettazione strutturale, l'orientamento della parte e il processo di stampa. La resistenza può variare in modo significativo a seconda dei materiali 3D e del processo di stampa. Ad esempio, la plastica ABS è un materiale standard per la stampa 3D, forte e resistente agli urti, ma non quanto i metalli come l'alluminio o l'acciaio.

Mentre l'acrilonitrile butadiene stirene (ABS) e l'acido polilattico (PLA) sono tra i materiali termoplastici più comuni utilizzati nella stampa 3D, le parti più resistenti utilizzano materiali termoplastici di livello industriale come il policarbonato, l'ABS o il nylon. Questi materiali sono generalmente più resistenti del PLA e di altri filamenti di plastica utilizzati nelle stampanti 3D di tipo consumer. Le termoplastiche di livello industriale sono estremamente resistenti al calore e possono produrre parti con grandi dettagli e durata.

Altri fattori sono le impostazioni della stampante 3D e i metodi di post-elaborazione. Questi possono includere:

Percentuale di infill - Si tratta della percentuale di solido di un pezzo stampato. Una parte stampata con lo 0% di infill sarebbe completamente vuota, mentre un infill al 100% sarebbe completamente solido.
Altezza dello strato - L'altezza dello strato è lo spessore di ogni strato stampato. Questo spessore influisce direttamente sulla resistenza del prodotto: strati più sottili producono un prodotto più robusto, mentre strati più spessi tendono a produrre un prodotto più debole.
Orientamento del pezzo - Sorprendentemente, l'orientamento del pezzo è un fattore più importante di quanto si possa pensare. Il legame tra gli strati è fondamentale per la resistenza complessiva del prodotto, quindi è necessario considerare le sollecitazioni e i requisiti prestazionali unici del prodotto per ottimizzarne l'orientamento e la resistenza.
Post-lavorazione - Tecniche come la levigatura, la verniciatura e il rivestimento migliorano la resistenza dell'oggetto stampato in 3D. Queste operazioni colmano le irregolarità della superficie del prodotto.
Velocità di stampa - Le velocità di stampa più basse producono prodotti più resistenti, consentendo un riscaldamento e una polimerizzazione ottimali.
Spessore del guscio - Il tipico pezzo stampato in 3D ha uno spessore del guscio di soli 1,0 - 1,5 mm. L'aumento dello spessore può migliorare significativamente la resistenza alla trazione e agli urti di un pezzo.

La composizione dei materiali è fondamentale per la resistenza dei prodotti. I materiali più comunemente utilizzati per la stampa 3D sono plastica, metallo e ceramica. In generale, i materiali plastici utilizzati nella stampa 3D non sono così resistenti come i metalli e le ceramiche, ma sono abbastanza forti per una varietà di applicazioni.

In generale, il policarbonato è considerato il filamento stampato in 3D più resistente, ma esistono diversi metodi per accertare la resistenza del prodotto. Per ottimizzare la produzione dei pezzi, è necessario prendere in considerazione le numerose misure di resistenza.

Queste includono:

Resistenza alla trazione - Questo termine si riferisce alla rigidità del materiale e alla sollecitazione massima richiesta prima che il pezzo si rompa o si deformi.
I materiali più resistenti alla trazione sono:

Policarbonato
PVA (Alcool polivinilico) 
PETT (Polietilene Tereftalato Glicole)
PEEK (Poli Etere Ether Eketone)
Fibra di carbonio
Allungamento (duttilità) - L'allungamento è la misura in cui un materiale può essere deformato plasticamente. Questo termine è chiamato anche duttilità e si misura con apparecchiature simili a quelle utilizzate per valutare la resistenza alla trazione. Un alto livello di duttilità si riferisce a un materiale che può essere stirato o allungato a forma di filo sottile senza rompersi. Una bassa duttilità indica che il materiale si rompe se deformato sotto un carico pesante.
I materiali con i più alti livelli di allungamento sono:

TPE flessibile (elastomero termoplastico)
TPU flessibile (poliuretano termoplastico)
Durezza - La durezza è generalmente distinta in nove categorie che vanno da A a K sulla scala Rockwell, un metodo comunemente usato per misurare la durezza dei materiali utilizzati nella lavorazione.
I materiali con i livelli di durezza più elevati includono:

Fibra di carbonio
Nylon
ABS (Acrilonitrile Butadiene Stirene)
Resistenza agli urti - La resistenza agli urti misura la resistenza alla deformazione o alla rottura quando viene sottoposta a una forza o a un impatto improvviso.
I materiali con la migliore resistenza agli urti sono:

Policarbonato
Nylon
PETG (polietilene tereftalato glicole)
ABS (acrilonitrile butadiene stirene)
TPU (poliuretano termoplastico)
Resistenza chimica - La resistenza chimica è la capacità di un materiale di contrastare la degradazione o il danneggiamento quando viene esposto a determinati prodotti chimici o ambienti chimici. Questa misura varia a seconda della sostanza chimica, dell'ambiente specifico, della temperatura ambiente e dei diversi tipi di sollecitazioni. 
I materiali con la migliore resistenza chimica sono:

PP (polipropilene)
PA (poliammide, nylon)
PE (polietilene)
PEEK (Polietereterchetone)
PTFE (Politetrafluoroetilene, Teflon)
PVC (cloruro di polivinile)
PVDF (fluoruro di polivinile).
ABS (acrilonitrile butadiene stirene).
Flessibilità a confronto - La flessibilità è definita dalla capacità di un materiale di cambiare la sua forma originale senza perdere l'integrità strutturale e con la capacità di ritornare alla sua forma originale. 
I materiali più flessibili sono:

TPE (elastomero termoplastico) flessibile
TPU flessibile (poliuretano termoplastico)
Nylon
Policarbonato
Resistenza al calore - La resistenza al calore dei materiali misura la capacità di un materiale di resistere alle alte temperature senza essere danneggiato o degradato. Si tratta di una proprietà cruciale per i materiali utilizzati in applicazioni ad alta temperatura come quelle aerospaziali, automobilistiche e di produzione di energia. La resistenza al calore viene tipicamente misurata in termini di punto di fusione, conduttività termica e coefficiente di espansione termica del materiale.
PAHT CF15 (poliammide rinforzata con fibra di carbonio per alte temperature) 
PET-G (polietilene tereftalato modificato con glicole)
ABS (acrilonitrile butadiene stirene)
PP (polipropilene)
PP GF30 (polipropilene 30% fibra di vetro) 
PA (poliammide)

L'uso della stampa 3D per realizzare oggetti resistenti è logico perché è un metodo di produzione efficiente ed economico che ha dimostrato di soddisfare o superare la resistenza dei prodotti fabbricati in modo tradizionale. La stampa 3D è in grado di creare geometrie complesse con elevata precisione e dettaglio, consentendo di realizzare particolari intricati che sarebbe impossibile ottenere con i metodi di produzione tradizionali. Inoltre, la stampa 3D può produrre pezzi di qualità e resistenza costanti.