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Proprietà meccaniche di componenti polimerici ottenuti via Additive Manufacturing
Tipologia: Appunti
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PROPRIETA’ MECCANICHE DI COMPONENTI POLIMERICI
OTTENUTI VIA ADDITIVE MANUFACTURING
Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di analizzare l’effetto del processo di Additive Manufactu- ring (AM), in gergo anche detto stampa 3D, sulle proprietà meccaniche dei componenti, con l’ausilio di materiale online e di articoli di riviste scientifiche. Per ogni articolo è stato analizzato un case study particolare, che riguarda un diverso materiale polimerico o un diverso processo AM. Sono state infine tratte delle conclusioni riguardanti i parametri che più influenzano le proprietà meccaniche in processo AM. Il termine Additive Manufacturing significa letteralmente “fabbricazione additiva”, quindi un pro- cedimento completamente nuovo per la fabbricazione dei componenti: infatti esso è un pro- cesso additivo, cioè che aggiunge materiale, e non più un processo sottrattivo (come l’aspor- tazione) o di deformazione. Un generico processo AM parte da un modello solido, ottenuto al CAD, che viene trasferito in macchina. Successivamente, tramite diverse tecniche, l’oggetto viene formato dentro la mac- china. Le diverse tecnologie AM sono classificate in base alla tecnologia di formatura degli strati che compongono il materiale. Queste possono essere: estrusione di materiale fuso, deposizione di polveri, sinterizzazione di polveri e fotopolimerizzazione. Inizialmente l’AM è nata per i polimeri, che sono tuttora i più utilizzati, ma la tecnologia è stata poi estesa, e tuttora in evoluzione, anche ad altri materiali, quali ceramici, compositi e diversi metalli (alluminio, titanio…). Lo scopo del presente lavoro è quello di analizzare quali sono i parametri che influenzano le proprietà meccaniche di un componente prodotto per AM e valutare i vantaggi/svantaggi dell’AM, facendo una comparazione con i processi tradizionali. Il metodo più semplice disponibile per valutare le proprietà meccaniche di un componente polimerico, è quello di effettuare una prova di trazione. In particolare, verranno analizzati dei provini realizzati per AM con diversi materiali polimerici. Verrà dunque valutato l’effetto delle variabili di processo e verrà poi fatto un confronto con provini di polimeri prodotti con processi tradizionali. Per finire, si vuole valutare quali sono i vantaggi dell’AM, per valutare in che modo la tecnologia può essere inserita in un contesto industriale. Inoltre, verranno fatte delle considerazioni ri- guardanti il futuro di questa tecnologia, che potrà cambiare la vita dell’uomo nei prossimi de- cenni.
I processi di produzione dei materiali polimerici sono molteplici, e si differenziano in base a vari motivi, come ad esempio il materiale da formare, la forma da ottenere o le prestazioni desiderate. Tuttavia, ogni tecnica di formatura di un polimero deve avvenire in un range di temperatura. Infatti la temperatura deve essere superiore alla temperatura di transizione vetrosa (Tg), ma comunque inferiore alla temperatura di degradazione. E’ possibile distinguere i processi di produzione usati per i polimeri termoplastici e quelli usati per i polimeri termoindurenti.
In ogni processo di formatura di un termoplastico, le polveri di partenza vengono scaldate sopra Tg per un amorfo e sopra Tm (temperatura di fusione) per un semi-cristallino e portate allo stato fuso. Lo stato solido si ottiene man mano che il polimero si raffredda. I termoplastici possono essere formati mediante: Estrusione Stampaggio a iniezione Stampaggio mediante soffiatura Stampaggio rotazionale Colata
I termoindurenti coprono un fabbisogno più limitato di produzione mondiale (20% per i termoin- durenti, 80% per i termoplastici). L’ottenimento dello stato solido non si ottiene per raffredda- mento in questo caso, infatti i pezzi vengono estratti ancora caldi dallo stampo. I più importanti processi per ottenere i termoindurenti sono: Stampaggio a iniezione Stampaggio per compressione Colata Di seguito vengono presentati e descritti i processi di estrusione e di stampaggio a iniezione.
Figura 1.2(a)-Accorgimenti progettuali per rimediare al die swell ( [1]
Figura 1.2(b)-Effetto della svasatura della bocca della matrice [2]
2 .2.Vantaggi dell’estrusione Il processo di estrusione richiede elevati costi di settaggio, è conveniente quindi installare un estrusore solo per volumi elevati di produzione. Dal processo si ottengono tipicamente prodotti allungati, con sezione uniforme (figura 1.3).
Figura 1.2-Profili estrusi [3]
I principali vantaggi dell’estrusione sono: Volume elevato di produzione: la capacità di produzione della tecnologia di estrusione di polimeri consente di produrre volumi elevati. Basso costo, produzione veloce: rispetto all'acciaio, i polimeri sono un materiale eco- nomico. Il processo di produzione di estrusione dei polimeri è anche progettato per offrire attrezzature a basso costo e brevi tempi di consegna. Co-estrusione: diversamente da un unico strato estruso (chiamato anche estrusione monostrato), questo processo di estrusione coinvolge due o più estrusori. Il polimero fuso viene contemporaneamente trasmesso da diversi estrusori a diverse velocità e spessori in un'unica testa di estrusione che forma il materiale con il profilo richiesto. Il processo di coestrusione permette ai produttori di incorporare diversi materiali plastici e composti in un unico prodotto. Extrusion Coating: è un rivestimento di pellicola che viene applicato a un foglio estruso come un ulteriore strato di trattamento per migliorare le proprietà del prodotto Dal momento che vengono creati da un unico pezzo, i prodotti estrusi offrono densità uniforme, integrità struttura stabile e sono forti e durevoli. Di contro, nell’estrusione, bisogna cercare di evitare le ampie variazioni di sezione e i bruschi cambi di geometria. Per quanto possibile, gli spessori di parete dovrebbero essere il più pos- sibile uniformi, oppure si possono realizzare variazioni il più possibile graduali. Bisogna inoltre come già detto stare attenti al fenomeno del rigonfiamento, quindi adottare delle precauzioni progettuali.
3.1.Descrizione del processo Lo stampaggio a iniezione è un processo di produzione industriale in cui il polimero viene fuso e iniettato ad elevata pressione all'interno di uno stampo chiuso, che viene aperto dopo il raf- freddamento del manufatto. Generalmente l'iniezione avviene a pressioni elevate e a tempe- rature abbastanza elevate da consentire lo scorrimento del materiale "plastificato" all'interno del macchinario. La maggior parte delle apparecchiature moderne è del tipo a vite pistonante (fig. 1.4(b)). La nuova tecnica si differenzia dal classico sistema a vite (fig.1.4(a)) perchè, nel corso della pla- stificazione, la vite viene posta in rotazione forzando il materiale ad attraversare lo stampo. L’accesso allo stampo è tuttavia impedito dal materiale iniettato nel ciclo precedente. Quando aumenta la pressione all’interno dello stampo, la vite arretra. Da questo punto in poi, essa smette di ruotare e viene spinta idraulicamente in avanti, forzando il polimero a riempire lo stampo. Tipicamente si possono raggiungere pressioni tra i 70 e i 200 MPa.
notare, a differenza dell’estrusione, con lo stampaggio a iniezione si ottengono pezzi di forma molto più complessa e anche a sezione non costante.
Figura 1.4-Pezzi stampati a iniezione, con residui di lavorazione [4]
3.3.Costi di produzione Uno degli svantaggi del processo è sicuramente dettato dal costo. L'alto costo delle attrezza- ture necessarie alla produzione degli stampi ha richiesto la creazione di software dedicati alla pre-progettazione del manufatto, simulando il processo di stampaggio con algoritmi estrema- mente complessi. Il risultato di queste elaborazioni può essere utilizzato per progettare lo stampo in modo semi-definitivo. A seconda della complessità, uno stampo può costare dai 1000 ai 10000 €. Invece il costo di una macchina per stampaggio a iniezione può andare da qualche migliaia fino a 80000 €.
3.4.Ritiro da stampaggio Il problema principale che presenta la tecnologia di stampaggio a iniezione è quella del ritiro da stampaggio. Questo dipende da diversi fattori: Materiale: un polimero amorfo presenta un volume specifico maggiore rispetto a un semicristallino. Per questo è soggetto a una minore contrazione in fase di raffredda- mento rispetto a un semicristallino Direzione del flusso: durante la formatura, le catene tendono a disporsi secondo la direzione del flusso. Avremo quindi un ritiro maggiore nella direzione del flusso Rinforzi: nel caso di rinforzi fibrosi, essi tendono a disporsi nella direzione del flusso. Il ritiro sarà maggiore quindi nella direzione ortogonale
3.5.Proprietà meccaniche Durante il riempimento dello stampo le catene del polimero fuso sono soggette ad una combi- nazione di flusso elongazionale e di taglio. L’orientazione che ne deriva è parzialmente persa a causa del rilassamento delle catene, la cui entità è regolata dal tempo che intercorre prima della cristallizzazione. L’orientazione congelata delle catene influenza le proprietà all’impatto dei pezzi stampati ad iniezione (avremo una maggior resistenza per catene più “congelate”) nonostante l’importanza della struttura del polimero (ad es. il peso molecolare) e della geometria di prova. Inoltre l’orientazione influisce sull’anisotropia delle proprietà meccaniche. L’anisotropia del modulo a flessione a temperatura ambiente aumenta con il livello di orientazione e tale tendenza diventa più marcata al diminuire della temperatura di prova. In generale si è osservato che i polimeri a più alto modulo (elevate orientazione e cristallinità) mostrano una sensibilità maggiore alle variazioni di processo.
La forma complessiva del componente determina spesso la scelta del processo di stampaggio o formatura. Anche gli effetti dell’orientazione molecolare dovuta al pro- cesso dovrebbero essere presi in considerazione, specialmente nell’estrusione. I polimeri sono in grado di replicare forme anche molto complesse nelle operazioni di stampaggio. Uno dei vantaggi dei termoplastici è quello che un unico pezzo stampato può sostituire un insieme di numerosi componenti. Inoltre i termoplastici sono disponi- bili in una vasta serie di materiali e colori, ma richiedono un volume di produzione ab- bastanza elevato per ammortizzare i costi. I componenti devono essere realizzati per facilitarne l’estrazione dagli stampi, in modo tale che le variazioni geometriche vengano evitate. Un parametro importante che influenza i processi di produzione dei polimeri è la visco- sità. Essa dipende dalla temperatura di esercizio e dal peso molecolare del polimero. Ad esempio durante un processo, con un velocità di deformazione costante, a tempe- rature inferiori il polimero presenterà viscosità maggiore.
Figura 2.2-Processo AM [5]
1.2.Confronto con i processi tradizionali La principale differenza fra processi tradizionali e processi di AM è quella che per la nuova tecnica non c’è bisogno di definire il tipo di processo, in quanto il file disegnato al CAD passa direttamente alla stampante. Questo comporta un significativo risparmio di tempo e di attrezzature. Nei processi tradizionali, sarà necessario definire il processo nello specifico, ossia dovranno essere disegnati gli stampi per lo stampaggio a iniezione, oppure dovrà essere definito l’estrusore per il processo di estrusione e così via. [5] Di seguito viene presentato un diagramma che evidenzia bene l’ultima considerazione fatta.
Figura 2.3-Step di un processo tradizionale ed un processo di AM
Disegno componente
Definizione del processo
Settaggio parametri
Prodotto finito
Prima di definire il processo, è importante sapere come funziona il meccanismo principale di produzione di uno strato, ossia la fotopolimerizzazione. La fotopolimerizzazione è un processo di esposizione del polimero liquido a delle radiazioni ultraviolette. Il polimero in questione è fotosensibile (da qui il termine fotopolimero), ovvero polimerizza se viene sottoposto a radiazioni. In questo modo vengono a formarsi degli strati solidi di materiale polimerico.
2.1.Processo Questo processo si basa sul principio della reticolazione di un fotopolimero liquido a cui viene conferita una data forma. Un raggio laser viene messo a fuoco spostandosi sulla superficie di un fotopolimero liquido, provvedendo a reticolare il fotopolimero. Il polimero assorbe l’energia necessaria per far avvenire la polimerizzazione. L’apparecchiatura per stereolitografia (fig. 2.4) comprende una vasca riempita con un fotopolimero, e una piattaforma movimentabile in direzione verticale. Il liquido è una miscela di monomeri, oligomeri e un foto-iniziatore che fa partire la reazione quando viene esposto alle radiazioni laser. Il raggio laser reticola quella determinata porzione del fotopolimero, producendo un corpo solido. La piattaforma viene quindi abbassata di una quantità sufficiente a ricoprire il polimero reticolato con dell’altro fotopolimero liquido. La procedura viene ripetuta fino all’ottenimento della forma desiderata. [1]
Figura 2.4-Schema del processo di stereolitografia [6]
3.1.Processo Il processo polyjet è simile a una stampa a getto d’inchiostro, in cui otto testine da stampa depositano il fotopolimero sul vassoio da costruzione (figura 2.6). Il principio di funzionamanto è simile a quello appena visto per la SLA. Il compito di reticolazione e l’indurimento di ciascuno strato è compiuto da delle lampade ultraviolette, poste lateralmente, che irradiano la zona da reticolare. A differenza della SLA, in questa tecnologia ogni strato viene reticolato e indurito immediatamente dopo il passaggio del raggio delle lampade ultraviolette, eliminando così la necessità di di condurre successivamente l’operazione di reticolazione.
Figura 2.6-Schema del processo polyjet [8]
3.2.Materiali I fotopolimeri PolyJet offrono sorprendenti livelli di dettaglio e un realismo paragonabile ai prodotti finali che superano qualsiasi altra tecnologia di Additive Manufacturing. Le proprietà dei materiali spaziano da simil-gomma a consistenze rigide, da superfici opache a trasparenti, da colori neutri a brillanti e da plastiche standard a biocompatibili. Uno dei materiali più utilizzati è l’ABS2, simile all’ABS, il più diffuso fra le tecnologie di Additive Manufacturing, che verrà descritto in dettaglio più avanti.
3.3.Precisione, costo e diffusione I vantaggi principali sono costituiti dalla capacità di evitare le lunghe operazioni di pulizia e di reticolazione postprocesso, e lo spessore molto più sottile degli strati, che permette una migliore risoluzione. Ogni strato infatti, può essere sottile fino a 16 micron. Anche in questo caso abbiamo delle buone dimensioni massime ottenibili, che arrivano fino a 0,5 m x 0,4 m x 0,2 m.
Il processo polyjet è il più costoso fra le tecnologie di Additive Manufacturing. Il costo di una macchina può arrivare anche fino ai 600000 €. Questa tecnologia è più utilizzata della SLA, ma comunque limitata nell’utilizzo a causa dei costi elevati.
4.1.Processo La sinterizzazione laser selettiva (selective laser sintering, SLS) è un processo basato sulla sinterizzazione di una polvere polimerica per ottenere un oggetto finito. Nella figura 2.7 sono evidenziati i componenti importanti del processo. Vi sono due cilindri: uno di costruzione del pezzo, che viene abbassato incrementalmente, uno di alimentazione della polvere, che viene alzato incrementalmente per fornire la polvere all’altro cilindro. Uno strato sottile di polvere viene inizialmente posto nel cilindro di costruzione. Un raggio laser viene focalizzato su quello strato, tracciando una particolare sezione, che solidificherà rapida- mente. La polvere presente nella sezione non solidificata è inconsistente, ma riesce comunque a sostenere la porzione solida. Un altro strato di polvere viene depositato e il procedimento appena descritto si ripete. Le particelle non sinterizzate potranno essere recuperate. Un processo simile alla SLS è la fusione a fascio elettronico (electron-beam melting, EBM). La differenza con la tecnologia SLS è quella che in questo caso viene impiegato un fascio elet- tronico per fondere le polveri (soprattutto di titanio e cromo-cobalto). [5]
4.2.Materiali La SLS è una tecnologia usata non solo per i polimeri, ma anche per altri materiali, come ceramici e matalli. Infatti è anche possibile sinterizzare soltanto una miscela di legante polime- rico e polveri ceramiche o metalliche. I più comuni polimeri uti- lizzati sono ABS, PVC, nylon, PS (termoplastici) e resina epossidica (ter- moindurente).
4.3.Precisione, costo e diffusione La SLS è una delle tecno- logie più nuove nel mer- cato (finora utilizzata solo per prototipi) e quindi si sta
Figura 2.7-Processo di SLS [1]
estrudere un materiale di supporto aggiuntivo, in modo tale che il filamento possa essere posto anche in zone non sopra il pezzo già formato.
Figura 2.9-Realizzazione di supporti per processo di FDM [1]
5.2.Materiali La tecnologia FDM è sicuramente la più utilizzata fra le tecnologie di Additive Manufacturing, possono essere utilizzati gli stessi polimeri termoplastici usati per i processi tradizionali, come PV, PLA, ma il più utilizzato è l’ABS.
5.3.Precisione, costo e diffusione Nel processo FDM, lo spessore dello strato estruso è tipicamente compreso tra 0,12 e 0,3 mm. Nel piano xy possiamo ottenere addirittura una precisione di 0,025 mm. Un esame accurato di un pezzo prodotto mediante FDM ci può indicare l’esistenza di “gradini” sui piani esterni obliqui. Nel caso in cui la rugosità fosse inaccettabile, può essere impiegata una lucidatura a vapori chimici oppure può essere applicato un rivestimento. Le tolleranze dimensionali complessive possono essere compromesse se non si fanno questi accorgimenti. Questa tecnologia è la più diffusa, soprattutto per il suo basso costo, con dispostitivi che possono costare anche meno di 800 €. Oltre al costo, vi sono tuttavia ulteriori vantaggi: I tempi di produzione sono abbastanza rapidi (da 4-5 ore fino a qualche giornata, in base alla complessità del pezzo) I prodotti sono stabili dal punto di vista meccanico e ambientale Geometrie complesse e cavità che sarebbero altrimenti problematiche divengono semplici con la tecnologia FDM
I processi di Additive Manufacturing sono classificati in base alla tipologia di materiale di partenza utilizzato, che può presentarsi in forma di materiale in polvere, come per le tecnologie di Selective Laser Sintering, o materiale allo stato solido come per la Fused Deposition Modeling. In questo capitolo verranno analizzati soprattutto i materiali utilizzati per la tecnologia FDM, essendo essa la più utilizzata.
Nel caso di un materiale amorfo, la temperatura di formatura deve essere superiore alla temperatura di transizione vetrosa (Tg), ma minore di quella di fusione (Tm). Se invece abbiamo un materiale semi-cristallino, per lavorarlo bisogna andare sopra Tm. I polimeri termoplastici amorfi sono formati da catene, non legate le une alle altre, quindi non reticolate. Per questo, rispondono ad un aumento di temperatura con una diminuizione di viscosità e quindi con una maggiore propensione alla formatura. Entro certi limiti, il ciclo riscaldamento-flusso-raffreddamento può essere ripetuto più volte in quanto la transizione tra lo stato plastico e quello vetroso è di carattere fisico e non chimico, quindi reversibile. Questo aspetto è molto importante perchè ci fa capire che in realtà il polimero non deve essere lavorato allo stato fuso ma allo stato di transizione vetrosa, il che garantisce la permanenza delle proprietà meccaniche originarie del materiale, una volta indurito. Verranno ora descritti i principali polimeri termoplastici usati nell’AM, partendo dai meno importanti fino ai più utilizzati.
1.1.PP (Polipropilene) Il polipropilene è un polimero termoplastico, che può presentarsi in diverse forme. La più interessante dal punto di vista commerciale è la configurazione più regolare (PP isotattico). Le sue caratteristiche principali sono l’elevato carico di rottura, la bassa densità e la buona resistenza termica e all’abrasione. Come in tutti i polimeri, la densità dipende dalla cristallinità della sua struttura.
Figura 3.1-Unità ripetitiva del PP [10]
