Alberto Bodrero

Nel mondo della stampa 3D ci si chiede spesso se esistono stampanti 3D per realizzare parti in fibra di carbonio. In questo articolo scoprirai che sono tante le stampanti 3D che utilizzano questo nobile materiale, ma è necessario fare dei dovuti distinguo.

Le proprietà della fibra di carbonio nelle stampanti 3D

La fibra di carbonio è un materiale ad elevatissima resistenza meccanica che, se impiegato correttamente, può sostituire i metalli e, in particolare, l’alluminio.

Nelle officine meccaniche il materiale più usato per realizzare attrezzature di produzione è, appunto, l’alluminio. Con la sua alta tenacità alla frattura e la sua buona resistenza alla corrosione è da anni il materiale più duttile.

Fibra di carbonio corta o lunga

Con la diffusione della tecnologia di produzione additiva, stanno velocemente cambiando le abitudini verso ciò che prima era considerato consolidato. Sono, infatti, facilmente disponibili sul mercato stampanti 3D che realizzano componenti polimerici caricati con particelle di fibra di carbonio. Questo mix di materiali, di plastica e fibra, ha il vantaggio di elevare le proprietà di resistenza a trazione rendendo queste parti abili a sostituire il metallo in innumerevoli applicazioni.

È bene, però, per rendere giustizia alla conoscenza, sapere che sul mercato ci sono vari tipi di questo materiale, ognuno con proprietà meccaniche differenti. Sono tutti in grado di sostituire l’alluminio? Che resistenza agli agenti chimici hanno? E il livello di finitura superficiale è quello richiesto dalla tua officina meccanica?

Materiale composito e fibra corta

Facciamo una premessa col dire che se si parla di polimeri rinforzati con fibra stiamo allora parlando di composito. “Il materiale composito è un materiale eterogeneo, cioè costituito da due o più fasi con proprietà fisiche differenti, le cui proprietà sono migliori delle fasi che lo costituiscono” (cit. Ing. Bertoldo).

https://youtu.be/aQEk_fkPc7w

Detto ciò, nel nostro caso, quando un polimero viene caricato con microparticelle di fibra di carbonio si parla di materiale composito rinforzato con fibra corta. Ad oggi, sul mercato, case produttrici come Stratasys, Roboze e Wasp (per citarne solo alcune) hanno prodotto stampanti 3D che sono sì, in grado di realizzare parti rinforzate, ma, soltanto, in fibra corta.

Fibra lunga e continua di Carbonio

Markforged dal 2013 ha costruito stampanti 3D che realizzano parti in nylon PA6 rinforzate con fibra di carbonio, con la differenza che questo materiale, che si chiama Onyx, è il materiale base, cioè la matrice per realizzare parti resistenti.

Il grande successo di Markforged è dovuto, però, al fatto che l’Onyx può a sua volta venire rinforzato con la fibra continua (o lunga) di carbonio. Questa intuizione, diventata subito un brevetto prezioso per la casa di Boston, permette all’Onyx rinforzato in fibra lunga di Carbonio di diventare più resistente dell’alluminio.

>>Guarda qui le numerose applicazioni dell’Onyx rinforzato con Fibra continua di Carbonio

Numeri e grafici

Nel grafico mostrato qui sotto, vengono indicate le proprietà meccaniche delle varie fibre disponibili quando associate con l’Onyx:

Come è possibile vedere, l’Onyx rinforzato con Fibra di Carbonio è il materiale più tenace tra le tre fibre disponibili.

In quest’altro grafico, si può notare come la resistenza a flessione dell’Onyx con fibra continua di Carbonio sia superiore all’alluminio:

È interessante constatare che l’Onyx, il materiale base per tutti i modelli di stampanti 3D Markforged, anche se usato da solo, ha una resistenza a flessione maggiore di tutti i compositi in circolazione (pari a 80 Mpa). E, come abbiamo visto, se all’Onyx si aggiunge la fibra continua di Carbonio, allora il livello di resistenza aumenta di quasi un ordine di grandezza (fino a 540 Mpa). A prova di ciò, l’ABS, nelle sue varie versioni, può raggiungere un livello di resistenza a flessione massimo di 60 Mpa.

Non esistono al mondo materiali compositi con livelli di resistenza a rottura, a impatto e a snervamento come l’Onyx rinforzato con Fibra di Carbonio.

Le stampanti 3D per fibra di carbonio

Le stampanti 3D che realizzano parti in composito rinforzato con fibra continua di carbonio sono le seguenti:

Stampante 3D Industriale Markforged:

• X7

Stampante 3D Professionale Markforged:

• Mark Two

Lo sapevi che ci sono stampanti 3D per il metallo? E che sono stampanti 3D che usano il filamento invece che le polveri? Scopri come funziona e i materiali disponibili! Clicca qui

I polimeri ABS e Onyx nella stampa 3D

ABS e Onyx sono due materiali usati nella stampa 3D e, perciò, molto diffusi nelle aziende che cavalcano l’onda dell’innovazione di Industria 4.0.

L’ABS è un polimero termoplastico che, nella stampa 3D, viene utilizzato per creare componenti leggeri e di dimensioni contenute. L’Onyx è un materiale composito, sviluppato da Markforged a partire dal 2016, utilizzato per realizzare parti finite e attrezzature di produzione.

ABS, le proprietà meccaniche

L’ABS ha proprietà meccaniche, come resistenza agli urti, tenacità e rigidità rispetto ad altri polimeri comuni, che ne fanno un materiale duttile. Con una serie di modifiche chimiche è possibile apportare dei miglioramenti alla resistenza di questo materiale agli urti, alla tenacità e alla resistenza al calore. La resistenza all’urto può essere amplificata aumentando le proporzioni del butadiene rispetto allo stirene e anche all’acrilonitrile, sebbene ciò provochi cambiamenti in altre proprietà.

L’aggiunta di fibre corte (fibre di vetro o carbonio) rendono le parti prodotte più resistenti a sforzi meccanici o termici. La temperatura d’esercizio non supera gli 80 °C.

La resistenza a trazione dell’ABS varia, perlopiù, in base al livello di concentrazione di fibra corta. Per dare dei riferimenti indicativi, si possono avere valori compresi tra i 40 Mpa fino ai 100 Mpa.

ABS, le applicazioni

L’ABS è un materiale che ha avuto largo uso e commercializzazione perché adatto alla creazione di giochi (vedi, a titolo meramente esemplificativo, il LEGO), di strumenti musicali, di parti di automobili (vedi i paraurti), custodie, valigie e tanti altri oggetti di uso comune.

Se caricato con la fibra corta può essere utilizzato anche negli stabilimenti produttivi per realizzare componentistica industriale come attrezzaggi e prototipi. Esistono anche versioni antistatiche (ESD) e ritardanti di fiamma (FR) che sono, generalmente, rivolte al settore dell’industria elettronica.

L’uso dell’ABS nel mondo dell’utensileria e delle officine meccaniche va incontro, però, a dei limiti sostanziali dovuti al fatto che questo polimero presenta delle criticità non ignorabili dagli addetti del settore.

Le criticità dell’ABS

L’ABS, in generale, è un materiale che si presta bene alla produzione di oggetti piccoli e leggeri in quanto ha una bassa stabilità dimensionale. Inoltre, le sue caratteristiche chimico-fisiche dipendono dalla concentrazione chimica degli additivi presenti al suo interno. Esso, infatti, patisce l’esposizione alla luce, tendendo a deteriorarsi nel tempo.

Altra criticità, non di minor importanza, è relativa a quegli ABS che hanno supporti solubili. È necessario il passaggio in una vasca di lavaggio riempita di acqua a una certa temperatura (70°-80°C) e soda caustica che, come noto, deve prevedere dei dispositivi di protezione individuale obbligatori. C’è poi da aggiungere che il liquido di risulta deve essere smaltito e il consumo della vasca arriva a 3600W @230V.

Inoltre, essendo l’ABS composto di Acrilonitrile, Butadiene e Stirene, deve esser posato in opera con adeguati sistemi di aerazione in quanto lo stirene è cancerogeno. Infatti, durante il processo di estrusione, che avviene a circa 260°C, i fumi rilasciati nell’aria dallo stirene, se inalati, possono essere pericolosi per la salute dell’uomo.

Onyx

Facendo riferimento al precedente paragrafo sull’ABS, è davvero difficile trovare delle criticità su questo materiale. L’Onyx è un tecnopolimero di base Nylon PA6 riempito con microparticelle di fibra di Carbonio. Queste caratteristiche di rinforzo lo rendono molto più resistente e rigido dell’ABS.

Grazie alle sue caratteristiche fisiche, l’Onyx ha una elevata stabilità dimensionale. I supporti, inoltre, sono rimovibili manualmente a strappo (o, per usare dei termini scientifici, sono supporti a struttura “Breakaway”), non necessitano di alcun lavoro di post processing come abbiamo visto sopra e non emettono polveri rischiose per la salute. Per quanto riguarda i consumi, la stampante 3D che tratta l’Onyx non supera i 150W.

Diverse tipologie di Onyx

Ci sono diversi tipi di questo tecnopolimero su base PA6. Ognuno di loro è un materiale composito base sviluppato per specifiche applicazioni di diversi settori industriali. Vediamoli nel dettaglio:

• Onyx: é il materiale base (matrice), composto da Nylon PA6 + microparticelle di fibra di Carbonio. È il materiale base di tutte le stampanti 3D Markforged. Ha resistenza a trazione pari a 71 Mpa -> Scarica la scheda tecnica
• Onyx FR: è una variante ignifuga dell’Onyx. Ha ottenuto la Carta Blu in quanto materiale autoestinguente V-0 secondo UL-94. Ha una resistenza a trazione uguale all’Onyx -> Scarica la scheda tecnica
• Onyx ESD: è il polimero più avanzato sviluppato da Markforged. Oltre a essere antistatico (ESD, Electro Static Discharge), ha anche una resistenza a trazione superiore, pari a 83 Mpa. Ha una resistività superficiale di 10⁵ – 10⁷ Ω -> Scarica la scheda tecnica

Applicazioni dell’Onyx nell’officina meccanica

L’Onyx, essendo di per sé un materiale polimerico più resistente dell’ABS, trova applicazione in tutti quei campi dove si ha bisogno di materiali resistenti a frattura, trazione, calore e a tutte quelle forze e sollecitazioni che vengono esercitate sugli attrezzaggi durante i cicli di lavoro.

Le attrezzature di produzione e gli utensili speciali sono, infatti, le realizzazioni più comuni. Generalmente, il materiale tradizionale che viene impiegato in questi ambiti è il metallo (l’alluminio il più comune) perché di vasta diffusione e perché adatto a sopportare certi carichi di lavoro.

Onyx, il primo polimero di Metal Replacement

Tutto ciò che prima veniva realizzato in metallo ha buone possibilità che ora si possa produrre in Onyx. Ad una condizione: che questi componenti superino le soglie minime di resistenza a cui vengono sottoposti. Conosciamo tutti, infatti, quanto l’industria manifatturiera italiana faccia della meticolosità e della qualità il suo fiore all’occhiello. Se i test vengono superati, non ci sono ragioni logiche per non utilizzare l’Onyx.

Vediamo, ora, in quali settori e applicazioni è consigliato l’uso del tecnopolimero base di Markforged.

Settori di applicazione

Aerospaziale
Automotive
Packaging
Ricerca e Sviluppo
Produzione elettronica
Energia
Difesa
Equipaggiamento industriale
Medico
Sviluppo del prodotto

Applicazioni

Clicca sulla voce che ti interessa per vedere il caso di utilizzo:

Posaggi
Calibri di controllo
Dime
Pinze per robot
Sistemi di presa a vuoto
Valvole
Maschere di saldatura
Ganasce portapezzo
Fixture
Stampi
Griffe
Portautensili

…e tantissimi altri casi di successo.

Differenza tra ABS e Onyx

Abbiamo visto che l’Onyx è il primo materiale di base per la realizzazione di tante applicazioni. Non possiamo, però, non notare che rispetto agli altri materiali di base, l’Onyx sia l’unico a garantire stabilità dimensionale e resistenza meccanica anche in situazioni estreme. Proviamo ad elencare, in maniera più esaustiva possibile, le qualità che ha questo tecnopolimero di Markforged rispetto all’ABS:

• maggiore stabilità dimensionale
• maggiore resistività chimica
• maggiore resistenza a liquidi industriali
• maggiore resistenza ad alte temperature
• maggiore resistenza meccanica
• maggiore tenacità a frattura
• minore porosità
• è rinforzabile con la fibra continua di Carbonio, Vetro e Kevlar, non con la fibra corta
• caratteristiche meccaniche migliorabili di un ordine di grandezza grazie all’utilizzo della fibra continua
• FR: alle proprietà elencate sopra si aggiunge l’autoestinguenza
• ESD: alle proprietà elencate sopra si aggiunge l’antistaticità

Qui il link per scaricare la scheda tecnica.

Per ogni informazione aggiuntiva potete contattare i nostri uffici al numero 011 019 5846 o compilando il form di richiesta info qui.

La storia di Markforged ha qualcosa di romantico oltre che di molto simile alla storia di alcune realtà aziendali famose in tutto il mondo come Apple, la nota casa di Cupertino (CA), e HP, Palo Alto (CA).

Tanto per cominciare, Markforged, a differenza dei due colossi appena citati, non nacque in California, bensì in Massachusetts, sulla costa est dove risiede l’Istituto di Tecnologia di Boston, il noto MIT.

Come nasce la prima stampante 3D Markforged

L’idea di creare una stampante 3D per realizzare parti in materiale polimerico ma resistenti come l’alluminio nacque da due studenti del MIT, Greg Mark e David Benhaim. I due amici progettarono la prima stampante 3D all’interno di una cantina, così come fecero, prima di loro, celebrità del calibro di Steve Jobs, Bill Hewlett, ‎David Packard, per citarne solo alcuni.

Fu, infatti, nel 2013 che Greg e David svilupparono la loro prima stampante 3D che prese il nome di Mark One. I due, resisi conto delle potenzialità della macchina, riuscirono a ottenere il pass per esporla durante il Solidworks World, la conference annuale organizzata dalla Solidworks, la nota casa dell’omonimo software di progettazione meccanica, nel gennaio del 2014.

La prima stampante 3D di Markforged fu, dunque, la Mark One, che stampava il nylon puro rinforzato da ciò che si sarebbe rivelato il punto di forza della casa di Boston: la fibra lunga di Carbonio.

Markforged to go public…

La storia di Markforged accelera. Dal 2014, si assiste a una veloce crescita sia sul mercato americano, sia su quello mondiale. Forbes inserisce la casa di Boston al decimo posto tra le prime 500 aziende americane (Forbes 2018 Next Billion Dollar Startups List) che ebbero la crescita più veloce tra il 2014 e il 2017 (+12687%) e la insignisce come la prossima startup miliardaria. Nel 2020, Markforged diventa il secondo produttore mondiale di stampanti 3D industriali per numero di unità vendute.

Forbes ci vedeva bene, anzi benissimo. Il 24 febbraio 2021, Markforged annuncia che la società entrerà in borsa alla New York Stock Exchange con una capitalizzazione di 2,1 miliardi di dollari. Un risultato sorprendente per un’azienda che nel 2020 ha fatturato poco più di 80 milioni di dollari.

Un focus sulla stampante 3D metallo, i prezzi in circolazione delle diverse tecnologie e un confronto con le macchine CNC.

Avrai sicuramente sentito parlare delle stampanti 3D, ma, scommetto, mai di prezzi accessibili per la piccola media impresa, vero? E che le stampanti 3D potessero stampare i metalli, lo sapevi?

Se la tua prima reazione è di rimanere spiazzato a una notizia del genere, continua a leggere questo articolo, scoprirai tante altre cose che non conosci. Lo sai che ci sono stampanti 3D che realizzano parti in Acciaio Inox, o in Rame Puro al 99,8% o, addirittura, in Inconel 625? No? Allora, buona lettura.

Quanto costa una CNC?

Una volta assodato che esistono stampanti 3D che stampano vari tipi di metallo, vorrai sapere quanto costano. Se, inoltre, sei già un esperto del campo, cioè del mondo dell’industria manifatturiera, conoscerai le macchine a controllo numerico (CNC) che popolano questi ambienti e quanto queste possano facilmente raggiungere prezzi a sei zeri.

Le macchine CNC, che realizzano manufatti in metallo da ormai più di 70 anni, hanno costi di acquisto e di gestione che gli operatori del settore conoscono molto bene. Si tratta, infatti, di macchinari che possono arrivare a costare moltissimo, tutto dipende da vari parametri tecnici che qui non ha senso trattare. Diciamo che il range di prezzo è molto ampio: si parte dai 100-150.000 euro per macchinari molto piccoli, fino ad arrivare anche a qualche milione per macchine CNC più complesse.

Diventa difficile, dunque, parlare di macchine per metallo economiche quando si parla di macchine CNC.

Stampante 3D metallo, prezzi in base alla tecnologia

Un discorso diverso si può fare per le stampanti 3D metallo. Anche qui la fascia di prezzo è molto ampia ma, a differenza delle macchine CNC, il costo di accesso dipende sostanzialmente dalla tecnologia di queste. Se si vuole approfondire il discorso per farsi un’idea più chiara sulle varie tecnologie esistenti nel mercato delle stampanti 3D per il metallo, potete visionare un articolo che ho scritto di recente.

Senza entrare nel dettaglio delle tecnologie di stampa 3D metallo disponibili sul mercato, possiamo riassumere l’argomento dividendolo in due macrocategorie: le stampanti 3D a fusione su letto di polvere (SLM, DMLS), e quelle figlie dell’FDM, la tecnologia ADAM di Markforged.

La differenza maggiore è nel fatto che la prima sinterizza col laser la polvere metallica, mentre la seconda estrude un filamento al cui interno c’è polvere di metallo (Acciaio, Rame puro, Inconel 625, ecc) tenuta insieme da un legante polimerico-ceroso.

Il costo di una stampante 3D metallo a tecnologia ADAM parte dai circa 150K e può arrivare fino ai 250K. Questo range di prezzo è dovuto al fatto che Markforged ha due sistemi di stampa 3D per metallo: il Sinter-1 e il Sinter-2. La differenza tra i due è che il secondo, il Sinter-2, ha un volume 4 volte superiore al primo oltre a essere tecnologicamente più recente del Sinter-1 che è uscito sul mercato nel 2018.

Perché le stampanti 3D SLM/DMLS costano di più di quelle a tecnologia ADAM

Le ragioni per cui le stampanti 3D metallo a tecnologia ADAM hanno costi minori sono plurime:

• Non è necessaria l’elettroerosione a filo per la rimozione dei supporti
• Basso assorbimento energetico
• Non è necessario il lavoro di post trattamento termico
• Non è possibile avere problemi di cross contamination
• Il sistema non lavora sottovuoto
• Non si hanno sprechi di materiale

La facilità dell’uso di questa tecnologia è dovuta anche al fatto che i parametri di processo non devono essere settati ad ogni ciclo di lavorazione. Il sistema ADAM ha dei parametri preimpostati per ogni materiale. Ciò evita grosse perdite di tempo, abbassando in maniera importante i costi di produzione. Per un approfondimento sulla tecnologia ADAM, consiglio di guardare il video sulla stampa 3D dei materiali metallici.

Come accennato poco più sopra, la tecnologia ADAM, sviluppata dalla casa produttrice Markforged, è l’unica disponibile, al momento, che permette di portarsi in “casa” una stampante 3D per metallo a prezzi contenuti e per varie tipologie di materiali metallici.

Se vuoi avere un preventivo personalizzato sulle stampanti 3D metallo della casa di Boston e sulla base delle tue esigenze, basta che tu ti metta in contatto con il team di 3D Company – Markforged, la nuova realtà torinese che sta conquistando la fiducia del mercato grazie alla professionalità e lealtà dimostrata rispetto ai propri partner e clienti.

Una curiosità che hanno in comune le macchine CNC con le stampanti 3D a tecnologia ADAM

Prima di concludere l’articolo, condivido con voi una curiosità. Tra le tante diversità che queste due macchine hanno, c’è un aspetto che hanno in comune. Infatti, sia le macchine a controllo numerico, sia le stampanti 3D Markforged, hanno visto la loro nascita e sviluppo in un istituto tecnologico celebre per aver vinto più volte la classifica di miglior università al mondo, il MIT di Boston (Massachusetts Institute of Technology). E’, infatti, nello stesso istituto di tecnologia che hanno visto la luce queste due strategiche invenzioni per l’industria manifatturiera. Con una piccola differenza: la prima nacque durante la fase di ripresa industriale successiva alla Seconda guerra mondiale, mentre la seconda è molto recente, correva l’anno 2013.

Lo sapevi che i fondatori di Markforged sono stati studenti del MIT? Se vuoi conoscere la storia di Markforged leggi l’articolo dedicato.