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3D Printing and 3D Systems printers 3D Printing and 3D Systems printers
Perchè la tecnologia SLA produce parti isotrope?

Perchè la tecnologia SLA produce parti isotrope?

novembre 29, 2016 in Novità, Casi studio

Produrre parti isotrope: validazione dell’isotropia nella stampa 3D SLA

 

Ci sono molti aspetti da considerare quando si prepara un oggetto per la stampa 3D. Tra questi vi è l’orientamento dell’oggetto sulla piattaforma di costruzione: se la superficie di costruzione è sufficiente per l’aderenza, ridurre al minimo le sporgenze non supportate e assicurarsi che vi sia abbastanza spazio tra gli oggetti.

Oltre a questo c’è anche un altro aspetto da considerare, soprattutto se la parte dovrà essere sottoposta a particolari condizioni di stress: l’anisotropia. In questo contesto l’anisotropia è definita come una caratteristica fisica il cui valore può variare in base all’orientamento. Ad esempio, un oggetto stampato in 3D può avere elongazioni di rottura o irrigidimento differenti in X, Y e Z.

Nel mondo del 3D si sente spesso parlare di isotropia contro anisotropia, ma spesso le conclusioni si basano su assunzioni di carattere generico. Infatti, questo argomento è nella maggior parte dei casi legato alla tecnologia di stampa FDM, in cui i polimeri vengono sciolti e poi si induriscono per creare la parte finale, e i risultati finali di anisotropia strutturale vengono estesi anche ad altre tecnologie di stampa come la stereolitografia (SLA).

 

Perchè le parti prodotte in FDM sono Anisotrope?

 

Tutte le stampanti 3D fabbricano strato su strato, ma utilizzano diverse tecnologie per farlo e questo impatta fortemente la composizione molecolare delle parti che vengono prodotte.

Ad esempio, le stampanti 3D FDM sciolgono strati di plastica uno sopra l’altro e l’adesione si genera in maniera meccanica, non chimica. Come risultato, gli oggetti stampati in 3D con tecnologia FDM avranno proprietà meccaniche diverse in base alla direzione da cui arriverà lo stress meccanico e saranno generalmente meno densi rispetto a oggetti stampati con altri metodi, come ad esempio lo stampaggio a iniezione. E questo è anche il motivo per cui non è semplice produrre parti a tenuta stagna con le FDM. Le parti stampate in FDM sono pervase di vuoti microscopici e fori.

Le FDM creano gli strati depositando PLA o ABS. Gli strati però non sono legati tra loro nello stesso modo in cui lo sono le molecole del filamento stesso; vi sono infatti dei vuoti tra le linee ed è possibile che gli strati non aderiscano completamente l’uno con l’altro.

Osservando questa disposizione a livello molecolare, vi è una chiara distinzione tra le forze all’interno di ogni strato e le forze che tengono insieme gli strati: ogni linea depositata di PLA o ABS è composta da catene polimeriche altamente legate tra loro che si tengono insieme ermeticamente e che sono quindi piuttosto forti, dure e rigide. Non appena si depositano le linee aggiuntive a lato o sulla parte superiore di ogni linea è molto difficile, se non impossibile, ottenere la stesso legame molecolare dei singoli filamenti, producendo così giunzioni inter-fibra che sono significativamente meno forti e rigide.

Pertanto, dato uno specifico tracciato di deposizione del filamento, la parte sarà più resistente nell’area corrispondente alla direzione in cui viene estruso il filamento e meno resistente ove composta da queste aree di giunzione inter-fibra.

Le parti stampate in FDM sono anisotropiche quando vi si applica un peso, possono cedere se non vengono orientate correttamente o modellate in una maniera che tenga conto dell’anisotropia.

 

Perchè la tecnologia SLA produce parti isotrope: teoria

 

Nella stampa 3D a base di resine SLA, non vi è alcuna differenza tra i legami che vi sono tra le molecole del materiale e quelli tra i diversi strati che compongono la parte stampata in 3D.

Ogni volta che si produce uno strato di materiale i monomeri di resina reagiscono e formano legami covalenti che forniscono un alto grado di resistenza laterale, ma la reazione di polimerizzazione non è portata a compimento; piuttosto, il processo di stampa è modulato in modo da mantenere lo strato ad un livello di semi-reazione detto “stato verde”. La principale differenza rispetto ad uno strato completamente polimerizzato sta nel fatto che vi sono ancora gruppi polimerizzabili sulla superficie a cui quindi si possono legare le molecole dello strato successivo.

Nelle stampe SLA non vi è differenza tra i legami delle molecole in asse Z o XY; ogni parte prodotta in SLA è composta dallo stessa uniforme rete di molecole polimeriche.

Pertanto, ogni volta che uno strato supera il curing, la reazione polimerica includerà i gruppi dello strato precedente formando quindi legami covalenti non solo laterali, ma anche con la parte sottostante. Questa reticolazione è tipica in tutti i processi di fabbricazione stereolitografica e porta alla produzione di parti composte da linee che sono completamente legate tra loro, non vi saranno quindi i vuoti o le rotture microscopiche presenti nelle stampe in FDM; le parti prodotte si presenteranno quindi completamente dense e a tenuta stagna.

Le stampanti stereolitografiche producono quindi parti isotropiche a tutti gli effetti.

 

Dalla Teoria ai Dati Empirici

 

Cosa comporta tutto ciò nella pratica di stampa SLA? Bisogna quindi preoccuparsi dell’orientamento delle parti se queste devono essere sottoposte a tensione? Formlabs ha voluto testare queste assunzioni con la Form 2, utilizzando la resina Clear.

Per poter analizzare la questione su tutti i punti di vista sono state stampate cinque barre di trazione ASTM tipo IV a intervalli di 15 gradi da 0 (relativamente al piano XY) a 90 gradi (verso l’alto e verso il basso). Ciascuna serie di barre è stato lavata in alcool isopropilico (IPA), post-cured e poi fissata nel tester di trazione.

A lato: Utilizzo del tester di trazione per misurare le differenze tra la Massima Sollecitazione e Modulo di Young in stampe FDM e SLA.

Massima Sollecitazione

 

La Massima Sollecitazione è la più elevata quantità di trazione che la barra può sopportare prima che si rompa; questo è di solito quello che la gente intende quando si parla della “forza” di un materiale.

È facile osservare come la Massima Sollecitazione potrebbe essere usata come misura dell’anisotropia: una parte con legami chimici tra strati deboli mostrerebbe una significativa diminuzione della sua forza quando la trazione viene esercitata perpendicolarmente al piano XY. In realtà, questo è esattamente ciò che è accaduto in un precedente esperimento sulle stampe FDM in cui il carico di snervamento sull’asse Z di una determinata parte è stato di circa il 55 per cento rispetto a quello in asse X.

A lato: il livello di Massima Sollecitazione della parte resta costante lungo tutti gli angoli di costruzione. Questo significa che la parte è isotropica per quanto riguarda la forza di trazione.

Se le parti stampate in SLA fossero state anisotrope ci saremmo aspettati un calo del livello di Massima Sollecitazione non appena l’angolatura di stampa si fosse avvicinata ai 90 gradi. Per comprovare i risultati ottenuti per quanto riguarda la forza della parte prodotta si sono anche registrati i valori dei moduli di Young nelle diverse angolature di stampa.

 

I moduli di Young

 

Il modulo di Young misura la rigidità e indica il livello di flessibilità di un oggetto. Si tratta di un valore molto importante per gli ingegneri che vogliono prendere decisioni di progettazione in base a determinati valori di sollecitazione e tensione attesa in determinate applicazioni. Come nel caso della resistenza alla trazione, è prevedibile che legami più deboli tra gli strati possano causare una diminuzione dei valori del modulo di Young, rendendo questa un’altra metrica utile per indagare che la tecnologia SLA produca parti isotropiche.

A lato: come nel caso della Massima Sollecitazione i valori del modulo di Young restano costanti in ogni angolatura di stampa.

Come ci si aspettava, anche i valori del modulo di Young indicano che l’orientamento di stampa non ha un effetto sulle proprietà del materiale delle parti stampate SLA, supportando l’ipotesi che la stereolitografia produce parti isotropiche.

 

Il verdetto finale: la stereolitografia produce parti isotrope

 

L’evidenza indica una chiara conclusione: le stampanti 3D SLA producono parti che hanno caratteristiche di forza e durezza tanto in Z quanto in X e Y, a prescindere dallo slicing. È proprio per questo che la tecnologia di stampa 3D stereolitografica (SLA) risulta particolarmente indicata per le applicazioni di prototipazione e engineering in cui le proprietà meccaniche dei materiali sono davvero importanti.

 

ARTICOLO TRATTO DA FORMLABS.COM

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