In sintesi
In questa guida trattiamo i principali materiali, le tecnologie e le applicazioni alla base della stampa 3D flessibile. Scoprirai come si comportano nella pratica diversi tipi di materiali, dal TPU ai materiali simil-gomma PolyJet™ e agli elastomeri P3™ come i siliconi. Analizzeremo il rapporto tra durezza Shore e flessibilità e vedremo come abbinare le prestazioni dei materiali alle applicazioni concrete. Confronteremo inoltre le tecnologie Stratasys, tra cui FDM®, PolyJet e P3™ DLP, esploreremo i settori in cui vengono utilizzati i materiali flessibili e forniremo un quadro chiaro per aiutarti a scegliere il materiale più adatto alla tua applicazione.
La stampa 3D flessibile è il processo di produzione di componenti utilizzando materiali elastomerici progettati per piegarsi, allungarsi, comprimersi o assorbire gli urti, tornando poi alla loro forma originale. Si avvalgono di materiali termoplastici flessibili e Fotopolimeri quali il TPU (poliuretano termoplastico) e altri materiali elastomerici con diverse proprietà di durezza Shore e allungamento. La Stampa 3D flessibile è ampiamente utilizzata per realizzare impugnature ergonomiche, guarnizioni, sigillanti, dispositivi indossabili, elementi ammortizzanti e componenti medici o odontoiatrici che richiedono morbidezza, resilienza o flessioni ripetute.
La stampa 3D flessibile consiste nel produrre parti che subiscono deformazioni ampie e reversibili – flessione, compressione o assorbimento degli urti – e che recuperano la loro forma quando la forza viene rimossa. A seconda del materiale, ciò può significare qualsiasi cosa, da una leggera flessione sotto carico a una risposta completamente simil-gomma.
Non tutti i materiali flessibili si comportano allo stesso modo. Alcuni sono progettati per simulare la gomma in termini di vestibilità e sensazione al tatto. Altri sono realizzati per sopportare sollecitazioni ripetute, abrasione o uso meccanico senza rompersi. Questa distinzione è importante fin dall’inizio, poiché influisce sia sulla scelta del materiale che sul processo di stampa.
La durezza Shore e l’allungamento a rottura sono il modo più semplice per quantificarle. Valori Shore A più bassi indicano materiali più morbidi e conformabili. Valori più alti indicano materiali più rigidi e in grado di offrire maggiore sostegno. L’allungamento a rottura indica di quanto un materiale può allungarsi prima di rompersi.
La domanda chiave è: quali prestazioni deve garantire il componente? Se si tratta di realismo per impugnature, guarnizioni o elementi sovrastampati, solitamente si punta a ottimizzare la sensazione al tatto e la qualità delle superfici. Se invece si tratta di elementi funzionali, come coperture protettive, attrezzaggio o componenti sottoposti a flessioni ripetute, l’attenzione è rivolta maggiormente alla durata e alla costanza nel tempo.
I materiali flessibili per la stampa 3D coprono un’ampia gamma di caratteristiche, dalle plastiche robuste e leggermente flessibili ai materiali morbidi simil-gomma. La scelta giusta dipende meno dal grado di flessibilità di un materiale considerato isolatamente e più dalle prestazioni che deve garantire durante l’uso, ad esempio la resistenza a flessioni ripetute, l’aderenza superficiale, la tenuta ermetica o semplicemente la riproduzione al tatto delle caratteristiche del prodotto finale.
Questi materiali si comprendono meglio attraverso le loro caratteristiche prestazionali:
Alcuni materiali offrono una flessibilità limitata, come i Fotopolimeri semiflessibili o i materiali a base di polipropilene, ma questi non presentano il comportamento simil-gomma trattato in questa guida.
Gli elastomeri termoplastici (TPE) costituiscono un’ampia categoria di termoplastici flessibili, pur essendo anche un tipo specifico di TPE. Il TPU, utilizzato nei sistemi FDM® di Stratasys, rientra nella categoria dei TPE e offre un equilibrio tra flessibilità e resistenza.
Materiali come l’FDM® TPU 92A offrono un equilibrio tra flessibilità e resistenza, pertanto è possibile utilizzarli nei casi in cui le prestazioni siano più importanti della finitura delle superfici: parti che devono resistere all’usura, alle vibrazioni o a movimenti ripetuti.
I materiali PolyJet flessibili, come Agilus30, Tango ed Elastico, sono progettati per simulare gli elastomeri con un elevato livello di dettaglio e controllo. Questi materiali offrono diversi livelli di morbidezza e flessibilità, consentendo di adattare la consistenza e il comportamento del materiale all’applicazione. I materiali digitali ampliano ulteriormente queste possibilità, consentendo di regolare la durezza Shore e il comportamento all’interno di un singolo pezzo. Inoltre, grazie alla Stampa multi-materiale, è possibile combinare elementi rigidi e flessibili in un unico pezzo.
Questi materiali trovano impiego nella prototipazione realistica, nella realizzazione di elementi con morbidezza e nella validazione del design, nonché in parti che richiedono una flessibilità controllata senza il comportamento tipico degli elastomeri.
Le resine flessibili per la stampa 3D a getto, come TissueMatrix® e GelMatrix®, ampliano ulteriormente questa gamma, offrendo un comportamento molto morbido, simile a quello di un gel. Vengono utilizzate nella simulazione e nella formazione medica, dove la riproduzione della risposta dei tessuti molli è più importante della resistenza meccanica.
I materiali flessibili per la tecnologia P3™ DLP sono adatti ad applicazioni in cui è importante il comportamento sotto carico in situazioni reali.
Non tutti i componenti stampati in 3D denominati “silicone” sono effettivamente in silicone.
I materiali in vero silicone, come il P3 Silicone 25A, si comportano come il silicone da stampaggio. Resistono alla compressione, garantiscono tenuta ermetica e sopportano deformazioni ripetute, invecchiando nel tempo in un modo che i materiali simili al silicone in genere non sono in grado di fare.
Questo aspetto è importante quando si passa dal concetto all’applicazione. Se il componente deve funzionare in condizioni reali per un periodo di tempo prolungato, il comportamento del materiale e l’invecchiamento contano più dell’aspetto estetico.
Stratasys supporta la stampa 3D flessibile attraverso diverse tecnologie, ciascuna adatta a un diverso tipo di applicazione. La scelta non riguarda solo la morbidezza di un materiale, ma piuttosto le prestazioni richieste al componente, il suo utilizzo e il livello di uniformità richiesto nel risultato finale.
Ciò significa scegliere tra la tecnologia FDM per parti funzionali durevoli, PolyJet per prototipi altamente dettagliati simil-gomma e P3 per applicazioni con elastomeri più vicine alle prestazioni di produzione. Ciascuna di queste tecnologie occupa una posizione diversa in termini di durata, realismo e comportamento del materiale.
L’FDM è ideale per parti funzionali flessibili, specialmente quando i componenti richiedono durata e resistenza all’usura.
Materiali come il TPU 92A non si flettono solo una volta. Resistono a ripetute flessioni, all’abrasione e all’usura quotidiana senza rompersi. Ecco perché vengono utilizzati per elementi quali coperture protettive, condotti, guarnizioni e strumenti di fine braccio robotico. Non si ottiene la finitura delle superfici più raffinata, ma si ottengono parti con una buona robustezza, prevedibili e sufficientemente affidabili per essere utilizzate in officina o in produzione.
PolyJet è progettato per la stampa di oggetti altamente dettagliati, simil-gomma, in particolare nei casi in cui il realismo e la qualità delle superfici sono fondamentali. Materiali come Agilus30, Elastico e Tango consentono di regolare il grado di morbidezza e possono essere combinati con materiali rigidi in un’unica stampa.
Ciò lo rende particolarmente adatto a parti sovrastampate, guarnizioni, elementi di morbidezza e assemblaggi complessi. È possibile variare la durezza Shore all’interno di una stessa parte e ottenere dettagli precisi che non sarebbero realizzabili con i sistemi basati su filamenti.
PolyJet è ampiamente utilizzato per la validazione dei progetti, i modelli medici e le applicazioni in cui l’aspetto, la sensazione al tatto e l’adattamento del pezzo devono corrispondere il più possibile al prodotto finale.
La piattaforma P3™ DLP estende la stampa 3D flessibile alle prestazioni degli elastomeri veri e propri per applicazioni concrete, tra cui il silicone e i materiali altamente estensibili. È qui che la stampa flessibile va oltre la simulazione per arrivare a realizzare parti in grado di comportarsi come gli elastomeri di produzione.
Il P3™ Silicone 25A viene utilizzato per piccoli volumi o per la prototipazione di componenti tradizionalmente realizzati con siliconi modellabili: laddove sono importanti la resistenza alla compressione a lungo termine e la morbidezza in condizioni impegnative, come guarnizioni, sigillanti e qualsiasi elemento che debba deformarsi e riprendere la forma in modo prevedibile per un periodo di tempo prolungato, in ambienti umidi o a temperature più basse o più alte. Condizioni in cui gli elastomeri standard o i materiali flessibili non reggerebbero.
I materiali elastomerici come Stretch 80 e IND475 sono progettati per movimenti ripetuti. Li troverete in pinze morbide e nell’attrezzaggio di fine braccio robotico, dove i componenti si flettono continuamente.
Il vantaggio dei materiali flessibili P3™ DLP è che, anziché limitarsi a simulare la gomma, si ottiene un comportamento elastomerico reale, senza necessità di Attrezzaggio, con risultati costanti e ripetibili e un’ottima finitura delle superfici.
Le applicazioni della stampa 3D flessibile spaziano dai plantari ortopedici personalizzati agli smorzatori di vibrazioni industriali e alle guarnizioni per il settore automobilistico. Utilizzando termoplastiche flessibili e Fotopolimeri, le aziende manifatturiere possono realizzare componenti che garantiscono resistenza agli urti, comfort ergonomico e geometrie di tenuta complesse. Questi materiali consentono inoltre la realizzazione di beni di consumo personalizzati, quali calzature, dispositivi indossabili e dispositivi di protezione, garantendo al contempo una produzione durevole e ripetibile per applicazioni industriali esigenti.
Ciò che varia è il ruolo svolto dal componente. Alcune applicazioni richiedono prestazioni funzionali, altre prototipi funzionali che ne verifichino la vestibilità e la sensazione al tatto prima di passare alla produzione. Spesso si tratta di entrambe le cose, in fasi diverse dello stesso progetto.
Nel settore sanitario, a seconda del caso, le priorità possono includere realismo, morbidezza controllata, durata, biocompatibilità o prestazioni a lungo termine.
Per i modelli di simulazione e anatomici vengono utilizzati materiali molto morbidi per riprodurre in modo realistico la risposta dei tessuti. Per i componenti funzionali o a contatto con il paziente, i materiali devono inoltre garantire affidabilità meccanica, elasticità, capacità di recupero e prestazioni a lungo termine.
Le applicazioni nel settore automobilistico tendono a rientrare in tre aree: prototipazione e convalida del progetto, . Ciascuna di esse presenta requisiti diversi in termini di materiali.
Requisiti chiave:
La prototipazione e la convalida del progetto si concentrano su come i componenti si incastrano tra loro, su come si comprimono e su come si comportano rispetto ai componenti circostanti. L’attrezzatura di produzione e l’attrezzaggio danno priorità alla durata e alla protezione dei componenti. I componenti destinati all’uso finale richiedono prestazioni a lungo termine in condizioni di usura, vibrazioni e compressione ripetuta.
L'uso di materiali elastomerici ha permesso al team di Polaris di sviluppare rapidamente e testare diversi progetti, geometricamente accurati, per il condotto di aspirazione di uno dei propri veicoli.
Nel settore dei beni di consumo, l’attenzione è spesso rivolta all’interazione con l’utente e alla sensazione tattile durante la prototipazione e la validazione del progetto, nonché alla durata, al comfort e alle prestazioni in caso di uso ripetuto per l’attrezzaggio e le parti di produzione.
I team di progettazione devono spesso verificare la sensazione al tatto di un prodotto prima di procedere con l'attrezzaggio, specialmente per i componenti in cui il contatto, il comfort o la flessibilità sono fondamentali.
I materiali flessibili vengono utilizzati per:
Requisiti chiave:
Negli ambienti industriali, i materiali flessibili vengono solitamente impiegati per la prototipazione e la validazione, come attrezzatura di produzione e per componenti destinati all’uso finale. Possono essere utilizzati nella movimentazione, nella protezione e nell’interazione con i processi.
Per la prototipazione, l’attenzione è spesso rivolta alla verifica dell’adattamento, del movimento, della compressione e dell’interazione con i componenti circostanti. Per l’attrezzaggio e l’attrezzatura di produzione, è importante garantire prestazioni costanti nel lungo periodo. I componenti devono essere in grado di sopportare un uso continuo, il che rende la resistenza alla fatica e l’uniformità fattori chiave.
Tra i casi d’uso tipici figurano:
Requisiti chiave:
I materiali flessibili aggiungono una serie di funzionalità diverse alla Stampa 3D. Anziché concentrarsi esclusivamente sulla forma e sull’adattamento, è possibile progettare anche in funzione del movimento, del contatto e dell’interazione con il mondo reale. Ciò include componenti che devono garantire presa, tenuta, assorbimento degli urti o flessibilità sotto carico.
Proprio come i componenti rigidi stampati in 3D, contribuiscono a ridurre i costi di attrezzaggio, ad accorciare i cicli di sviluppo, consentono di realizzare geometrie più complesse e supportano la personalizzazione o la produzione in piccole serie. La differenza sta nel fatto che il comportamento del materiale stesso diventa parte integrante della funzione progettuale.
In termini pratici, il vantaggio non è solo la “flessibilità”. È la capacità di adattare il comportamento del materiale alle prestazioni previste per il componente. Che si tratti di resistenza e flessione ripetuta con il TPU 92A FDM, di flessibilità controllata e progettazione multimateriale con materiali PolyJet come Agilus30, Tango ed Elastico, oppure di una vera risposta elastomerica con le resine P3 Silicone 25A e P3 Stretch.
I materiali flessibili vengono spesso utilizzati perché sono in grado di assorbire energia e sopportare sollecitazioni ripetute senza subire deformazioni permanenti. Anziché rompersi sotto carico, recuperano la loro forma.
Il TPU 92A FDM ne è un ottimo esempio. È ampiamente utilizzato per componenti che devono resistere all’abrasione, alle vibrazioni o a ripetute flessioni, come coperture protettive e condotti. È quindi adatto per impieghi funzionali, non solo per la prototipazione.
L’attrezzaggio di fine braccio robotico è un altro ottimo esempio: i materiali P3 Stretch devono essere abbastanza morbidi da maneggiare i componenti senza danneggiarli, ma anche abbastanza resistenti da poterlo fare migliaia di volte. È proprio questa combinazione che li rende adatti all’uso nella produzione in serie.
I materiali flessibili consentono di progettare geometrie che sarebbero difficili o impossibili da realizzare con i metodi di produzione tradizionali. Tra queste figurano guarnizioni integrate, elementi a incastro, cerniere morbide, sottosquadri e parti multi-materiale.
Grazie alle miscele di materiali digitali PolyJet, è possibile combinare materiali rigidi e flessibili in un’unica stampa, consentendo di realizzare progetti in stile sovrastampato senza necessità di assemblaggio. Ciò risulta utile per prodotti con zone di morbidezza, impugnature o comportamenti dei materiali a strati.
I materiali flessibili semplificano la prototipazione e l’iterazione di progetti che dipendono dal movimento o dal contatto. Anziché limitarsi a un’approssimazione del comportamento, è possibile testarlo direttamente: che si tratti di come una guarnizione si comprime e si fissa, della sensazione al tatto di un’impugnatura o di come un componente risponde sotto carico.
I materiali flessibili variano in modo significativo nel loro comportamento, anche quando appaiono simili a prima vista. La durezza Shore offre un utile punto di partenza, ma le prestazioni nell’uso reale dipendono in egual misura dall’allungamento, dalla resistenza e dal modo in cui il materiale viene lavorato.
La tabella sottostante mette a confronto le caratteristiche tipiche dei filamenti flessibili FDM, dei Fotopolimeri simil-gomma PolyJet, dei materiali Digital Anatomy e degli elastomeri P3™ DLP.
|
|
Tipo di materiale |
Tecnologia |
Durezza Shore
|
Allungamento a rottura
|
Resistenza alla trazione
|
Aspetto
|
Durata
|
Ideale per |
|
FDM® TPU 92A |
Termoplastico flessibile |
FDM |
~92A |
Elevata |
Elevata |
Opaco, strati visibili |
Elevato |
Parti funzionali, condotti, coperture, strumento di fine braccio robotico |
|
Fotopolimero simil-gomma |
PolyJet
|
~30A (puro); 30–95A con miscele di materiali digitali |
Da moderata ad alta |
Moderata
|
Liscio, alto livello di dettaglio |
Moderata |
Prototipi, morbidezza |
|
|
Fotopolimero simil-gomma |
PolyJet
|
~26–28A |
Moderato |
Moderata
|
Liscio |
Moderato |
Prototipazione flessibile, guarnizioni |
|
|
Fotopolimero simil-gomma |
PolyJet |
~45A |
Moderata |
Moderata |
Liscio, con una certa morbidezza al tatto |
Moderato |
Prototipi, impugnature, sovrastampaggi |
|
|
Fotopolimero ultra morbido |
PolyJet |
Molto alta |
Basso |
Morbido, simile a un gel |
Varia |
Simulazione medica |
||
|
Elastomero siliconico |
P3 |
~25A |
Elevata |
Moderata
|
Liscio, silicone |
Moderato |
Guarnizioni, sigillanti, componenti soggetti a usura |
|
|
Elastomero (ad alta elasticità) |
P3 |
~87A |
Molto elevata |
Moderata |
Liscio, elastomero |
Da moderato ad alto |
Componenti in elastomero per uso generico, guarnizioni, parti prototipo flessibili |
|
|
Elastomero (ad alta elasticità)
|
P3 |
~45–49A |
Molto elevata |
Moderata |
Liscio, elastomero |
Elevato |
Pinze morbide, strumento di fine braccio robotico, uso industriale ripetitivo |
|
|
Elastomero rigido (elevato rimbalzo) |
P3 |
~85–90A |
Elevato |
Moderata–alta |
Liscio, elastomero
|
Elevato |
Ammortizzazione, reticoli, applicazioni con ritorno di energia (ad es. calzature) |
La scelta di un materiale flessibile per la stampa 3D dipende dal comportamento che il pezzo deve avere durante l'uso, piuttosto che dalla semplice sensazione di morbidezza al tatto. Utilizza questo criterio come filtro rapido, quindi consulta la tabella comparativa qui sopra per le proprietà dettagliate.
1. Quanto deve essere morbido?
2. Deve essere performante o simulare?
3. A quale tipo di carico sarà sottoposto?
4. Quanto è importante la finitura delle superfici?
5. È necessario utilizzare più materiali in un unico pezzo?
6. In quale fase si trova il pezzo?
