In virtù della loro natura, le resine termoplastiche possiedono proprietà meccaniche capaci, in funzione del materiale, di conferire ai pezzi stampati a iniezione robustezza, durata, resistenza agli urti e altri importanti attributi. Il nylon è resistente. I policarbonati hanno una buona resistenza alle temperature. Gli elastomeri termoplastici (TPE) sono flessibili e assorbono gli urti. L'acrilico aggiunge un elevato livello di trasparenza. In base alla geometria e al tipo di applicazione del pezzo, la resina di base può garantire prestazioni ottimali. Tuttavia, quando le prestazioni della plastica standard devono essere ottimizzate, è possibile integrare i materiali con una composizione di additivi quali fibre di vetro, ceramica o rinforzi minerali.
Le fibre di vetro sono gli additivi più utilizzati da Protolabs nel processo di stampaggio a iniezione della plastica. In base alla percentuale di rinforzo, le fibre di vetro possono migliorare significativamente la resistenza e la rigidità dei pezzi rispetto alle controparti non rinforzate, ma suddetta resistenza si accompagna a una maggiore fragilità . Ad esempio, rinforzi di questo tipo si adattano a un pezzo destinato all'uso in un ambiente stabile e soggetto all'azione esclusiva del peso, quindi non esposto a forti sollecitazioni da urto e a forti deformazioni.
Un rapido sguardo agli ingredienti della ricetta termoplastica:
rinforzo in vetro, coloranti e altri additivi
La percentuale di rinforzo varia, attestandosi tuttavia su un intervallo standard di 13-45% sia nelle plastiche del nostro assortimento sia nelle resine forniteci dai clienti. Tra le resine rinforzate in vetro di Protolabs si citano: ABS, nylon, acetale, policarbonato, polimeri a cristalli liquidi (LCP), PBT, PET, PPS e resine ad alte prestazioni quali PEEK e PEI.
L'aggiunta di fibre di vetro incide anche sul processo di stampaggio. Una fibra è un filo di lunghezza equivalente alla pastiglia. Le fibre standard sono lunghe circa 3 mm, mentre le fibre di vetro lunghe possono attestarsi su una lunghezza approssimativa di 9-12 mm, in base all'estrusione. Se pensiamo alla fibre come a dei pesci e al complesso di fibre come a un banco di pesci, possiamo immaginare che man mano che il materiale fluisce attraverso la cavità i pesci si allineano l'uno dietro l'altro, nuotando attraverso la resina nella stessa direzione. Quando si avvicina a un perno che crea un foro nel pezzo, il banco di pesci deve disperdersi e nuotare attorno all'ostruzione. Questo modifica l'angolo del filo.
Quindi, maggiore è la complessità geometrica definita dal flusso della resina, più¹ i fili si trovano ad angoli casuali l'uno rispetto all'altro. Le fibre di vetro limitano il valore di ritiro della resina di base. Questa limitazione cambia la geometria rispetto alla mera perpendicolarità di parte iniziale e finale. Cio² determina un ritiro non lineare aumentando inoltre la sollecitazione interna e, di conseguenza, il rischio di deformazione.
Di norma, le resine non rinforzate evidenziano un ritiro uniforme in fase di raffreddamento, mentre le fibre di vetro determinano diversi fattori di ritiro, nella direzione di flusso come in quella trasversale. Prevedere la variazione del ritiro diventa molto difficile in caso di geometrie con numerosi fori e, parimenti, con variazioni nella lunghezza e nella forma del flusso nonchè nello spessore nominale delle pareti. L'aggiunta di vetro, infatti, non aumenta solo le prestazioni, ma anche i rischi.
Come per qualsiasi materiale, rinforzato in vetro o meno, aggiungere arrotondamenti alla geometria del pezzo puo² migliorare il flusso: semplicemente, per la resina è più¹ facile muoversi attorno ad arrotondamenti e fasce curvi piuttosto che a un angolo di 90°. Uno spessore della parete uniforme aiuta a garantire una velocità di raffreddamento della resina costante. La spoglia consente allo stampo di compattare maggiormente il pezzo per adeguarsi al meglio alla sezione trasversale. Spianare il percorso del flusso posizionando il punto di iniezione sull'asse maggiore del pezzo e minimizzare fori di passaggio e curve all'interno del pezzo medesimo aiuta a preservare l'allineamento delle fibre di vetro, conservando il valore di ritiro previsto nella cavità dello stampo. Prestare attenzione a questi aspetti aiuta a ridurre al minimo i rischi inerenti all'utilizzo di rinforzi in fibra nello stampaggio.
Rinforzo ceramico
Molto meno frequentemente, si utilizzano basse percentuali di rinforzo ceramico e additivi con rinforzo minerale per aumentare la resistenza alle temperature dei pezzi. Come il vetro, questi rinforzi aumentano la resistenza dei pezzi ma determinano anche, di nuovo, una maggiore fragilità degli stessi. Il problema di questi pezzi è che sono suscettibili a crepe o potrebbero scheggiarsi in seguito a un urto.
Anche la forma del rinforzo è un fattore da tenere in considerazione. La fibra di vetro è lunga e snella. Inoltre, ha un inizio e una fine che ne definiscono la direzione. I rinforzi minerali tendono piuttosto ad assumere la forma di fiocchi piatti, quindi dimensionalmente differenti e dotati di direzione. La polvere è simmetrica: si compatta bene ed è distribuita più¹ uniformemente nella sezione trasversale del pezzo, riducendo cosଠil rischio di deformazione associato al rinforzo. Di norma, inoltre, non trasforma un valore di ritiro uniforme in uno lineare. Puo² esclusivamente determinare una riduzione non significativa del valore di ritiro stesso. Le perle di vetro sono un'altra forma di rinforzo dimensionalmente instabile. Pensiamo a una vasca di palline. Le perle, come di norma, hanno la forma di una palla e si ammucchiano senza problemi, aumentando la deflessione termica del materiale. Tuttavia, generalmente non accrescono la resistenza strutturale come invece fanno i rinforzi in fibra di vetro. La vasca di palline poggia in modo omogeneo e minimizza l'effetto sui valori di ritiro uniforme. Quindi, di nuovo, aiuta a ridurre la sollecitazione interna causata dal rinforzo.
Resine termoconduttive
Protolabs ha deciso di utilizzare anche resine termoconduttive, sulla base di geometria e facilità di rinforzo. La linea di prodotti termoplastici conduttivi CoolPolyT utilizza un rinforzo speciale proprietario finalizzato a creare proprietà conduttive particolari, creando una sorta di compromesso fra plastica e metallo. I materiali sono l'ideale per chi desidera ridurre il peso dei pezzi e usufruire di più¹ libertà in fase di design. Tuttavia è necessario ricordare che l'uso delle resine termoconduttive potrebbe non essere praticabile in caso di geometrie complesse, ad esempio per pareti sottili e piccoli particolari.
Sale e pepe
Passiamo ora dagli additivi che modificano le proprietà meccaniche delle resine a quelli che determinano alterazioni estetiche: i coloranti. Protolabs offre una selezione di coloranti che è possibile aggiungere alla resina di base senza costi aggiuntivi. Le resine di base termoplastiche si riconoscono, primariamente, per un colore nero, naturale e trasparente, e negli ultimi due casi i coloranti si possono aggiungere successivamente. Generalmente, impieghiamo una miscela "sale e pepe" al 3% di colorante (guarda il video), con percentuali inferiori per resine trasparenti quali il policarbonato. Si noti che la miscela non è un'esatta corrispondenza di colori: anche laddove un materiale specifico supporti un dato colorante, i colori dei pezzi risultano approssimativi. Caricando un modello in 3D, si consente al nostro sistema ProtoQuote di restituire automaticamente i coloranti compatibili con il materiale specifico. Protolabs potrebbe reperire i coloranti idonei alle esigenze indicate e notificare il caso al cliente tramite gli ingegneri del Customer Service.
Resina pre-composta
Per prodotti che richiedono un'esatta corrispondenza di colori o l'uso di additivi multipli al fine di assicurare una selezione di pezzi e resina idonea all'ambiente di impiego, sarà necessario immettere nello stampo una resina pre-composta. La pre-composizione implica che un fornitore di resine quale Plastribution o Albis misceli tutti gli additivi in un'unica pastiglia assicurando una distribuzione e una colorazione uniformi. In un materiale pre-composto tutte le pastiglie si equivalgono, e questo a differenza di quanto accade in una miscela "sale e pepe", basata di contro sulla dispersione casuale delle stesse.
Gli ingegneri del nostro Customer Service non sono esperti di materiali. Tuttavia hanno conoscenze approfondite in merito ai materiali più¹ comunemente usati in base all'applicazione di settore e alla geometria. Pertanto, possono aiutare il cliente fornendo possibili alternative o suggerendo due o tre diversi tipi di resina idonei allo scopo specifico. Il semplice testing di alcune resine sarà utile a definire in modo ottimale la geometria più¹ corretta per un determinato prodotto. Per maggiori dettagli sui materiali termoplastici e le rispettive proprietà , è possibile scaricare gratuitamente la scheda tecnica Questione di materiali.