Oggi, la tecnologia della produzione additiva ha consentito la formazione di materiali termoplastici, metalli, ceramiche e resine fotosensibili per soddisfare le esigenze di diversi settori, come quello aerospaziale, automobilistico o biomedico.

Anche gli attuali materiali compositi, come quelli rinforzati con fibre, possono essere stampati in 3D. Il rinforzo dei materiali compositi, solitamente sotto forma di polvere o filamento, ha proprietà meccaniche migliori rispetto ai tradizionali materiali monomerici dei materiali polimerici, come densità inferiore, maggiore rigidità e resistenza agli urti, attirando così sempre più attenzione alla produzione additiva di compositi materiali.

Questo articolo fornirà consigli da esperti di compositi su come integrare la stampa 3D composita in diverse catene di produzione.

Composito con particelle / Composito con fibre corte / Composito con fibre lunghe

Il materiale composito si riferisce a una classe di materiali in cui una seconda fase più forte viene aggiunta al materiale della matrice per ottenere un rafforzamento significativo del materiale della matrice. In base al tipo di materiale della matrice, può essere suddiviso in compositi a matrice polimerica, compositi a matrice ceramica e compositi a matrice metallica, di solito riferendosi a compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre. Tra questi, i materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio e fibra di vetro più comunemente utilizzati, la fibra di vetro e la fibra di carbonio come materiali leggeri ad alta resistenza dopo il composito con materiali polimerici, possono mantenere il materiale leggero migliorando significativamente la resistenza e la rigidità del materiale. I compositi rinforzati con fibre possono essere suddivisi in compositi rinforzati con fibre lunghe (fibre continue) e compositi rinforzati con fibre corte (fibre non continue) in base alla morfologia delle fibre della fase rinforzata. La plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) è stata ampiamente utilizzata in molti campi come quello aerospaziale, automobilistico e degli articoli sportivi grazie alle sue caratteristiche di leggerezza e alta resistenza. La plastica rinforzata con fibra di vetro (GFRP) non è resistente quanto il CFRP, ma la sua eccellente resistenza alla corrosione e le proprietà dielettriche le rendono ideali per le applicazioni dell'industria elettrica.

Composti LGF&LCF

È importante notare qui che anche il modo in cui la stampa 3D è significativamente diversa per i diversi tipi di fibre.

La fibra corta può essere aggiunta direttamente al materiale polimerico della matrice e preparata in seta dopo una distribuzione uniforme.

L'aggiunta di fibre lunghe continue richiede stampa e applicazione separate, ma richiede l'uso di stampanti 3D speciali.

Rispetto ai materiali di rinforzo a fibra corta che possono essere aggiunti ai polimeri convenzionali, i compositi a fibra continua sono più costosi da produrre ma hanno proprietà superiori. I materiali compositi di fibre continue possono essere prodotti con una varietà di metodi, ma solitamente devono essere stesi manualmente strato per strato e richiedono l'uso di stampi costosi e apparecchiature di polimerizzazione. Il vantaggio della stampa 3D è che la preparazione automatica dei materiali compositi può essere ottenuta inviando rispettivamente fibre continue e materiali di matrice attraverso due ugelli.

Per il processo di stampa 3D di materiali compositi, il materiale della matrice e il materiale in fibra determinano insieme il processo di stampa, considerando che il processo attuale ha una gamma molto ampia di materiali disponibili, quindi la maggior parte delle stampanti FDM può realizzare la stampa di materiali compositi a fibra corta. Tuttavia, per i compositi rinforzati con fibra continua, il processo FDM comune rappresenta una sfida maggiore, perché prevede un dispositivo che deposita la fibra di carbonio continua sul substrato attraverso un ugello e la taglia secondo necessità, oltre alla configurazione della stampante 3D che è cruciale. La direzione dell’estrusione delle fibre influenza direttamente la direzione della distribuzione delle fibre e determina anche le proprietà meccaniche dei materiali compositi stampati in 3D. Pertanto, anche l'impostazione della stampante deve essere attentamente progettata in base alle proprietà meccaniche del materiale composito richiesto. Al contrario, la direzione della distribuzione delle fibre nei compositi rinforzati con fibre corte è relativamente casuale, quindi la direzione di stampa ha poca influenza sulle proprietà meccaniche dei compositi rinforzati con fibre corte.

Stampa FDM

La stampa 3D di materiali compositi presenta gli stessi vantaggi della stampa 3D di altri materiali, tempi di produzione più brevi, minor consumo di materiale e possibilità di strutture più complesse.

Inoltre, la stampa 3D di materiali compositi può regolare le prestazioni della parte stampata progettando la distribuzione delle fibre. Ciò è particolarmente vero quando si stampa con compositi rinforzati con fibra continua. Nelle stesse condizioni operative, può produrre parti molte volte più leggere delle parti metalliche. La riduzione del peso è particolarmente importante per applicazioni ad alte prestazioni come quelle aerospaziali, robotiche, sportive e sanitarie, poiché parti più leggere significano meno consumo energetico, costi di trasporto inferiori e prodotti di qualità superiore.

L’uso dei compositi stampati in 3D nei prossimi anni vedrà progressi significativi in ​​termini di dimensioni, produttività e proprietà meccaniche. L’analisi di mercato di SmarTech indica che il mercato globale dei compositi crescerà del 22,3% nei prossimi cinque anni.

La stampa 3D di compositi in fibra continua deve ancora affrontare alcune sfide, ma supporta anche una progettazione strutturale più flessibile per ottenere componenti compositi con proprietà migliori. Ad esempio, le prestazioni possono essere ottimizzate mediante una struttura reticolare rinforzata con fibre, uno sterzo in fibra, un rinforzo locale e altri metodi di progettazione combinati con gli scenari applicativi reali e la distribuzione del carico dei componenti.

Xiamen LFT Composite Plastic Co.,LTD è stata fondata nel 2009, è un fornitore globale di marca di materiali termoplastici rinforzati con fibre lunghe che integra ricerca e sviluppo di prodotti (R&S), produzione e marketing di vendita. I nostri prodotti LFT hanno superato la certificazione del sistema ISO9001 e 16949 e hanno ottenuto numerosi marchi e brevetti nazionali, che coprono i settori automobilistico, parti militari e armi da fuoco, aerospaziale, nuova energia, attrezzature mediche, energia eolica, attrezzature sportive, ecc.