Corso di Stampa 3D: 2 – Materiali per la Stampa 3D

2 – Materiali per la Stampa 3D

1. Introduzione ai materiali per la stampa 3D

Il materiale è uno dei fattori più importanti nella stampa 3D perché determina:

• Resistenza meccanica e flessibilità.

• Precisione e qualità superficiale.

• Facilità di stampa e post-produzione.

I materiali più diffusi si dividono in due grandi famiglie: filamenti termoplastici (FDM) e resine/composti (SLA, DLP, SLS).

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2. Filamenti plastici (FDM)

2.1 PLA – Acido Polilattico

Caratteristiche principali:

Proprietà	Valore tipico
Temperatura di estrusione	190–220 °C
Temperatura di piattaforma	0–60 °C
Modulo di Young $E$	3–4 GPa
Resistenza a trazione $\sigma_{tens}$	50–70 MPa
Allungamento a rottura $\epsilon_{r}$	3–6%

• Pro: facile da stampare, biodegradabile, finitura liscia.

• Contro: bassa resistenza termica (~60 °C), fragile agli urti.

Esempio pratico di calcolo resistenza:

Per una barra stampata PLA con sezione rettangolare 

$b = 10 \text{ mm}, h = 5 \text{ mm}$

, lunghezza 

$L = 100 \text{ mm}$

, sottoposta a carico di trazione 

$F = 100 \text{ N}$

:

$$\sigma = \frac{F}{A} = \frac{100}{10 \cdot 5} = 2 \text{ N/mm²} = 2 \text{ MPa} < \sigma_{tens}$$

→ La barra resiste senza deformazioni permanenti.

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2.2 ABS – Acrilonitrile Butadiene Stirene

Caratteristiche principali:

Proprietà	Valore tipico
Temperatura di estrusione	220–250 °C
Temperatura di piattaforma	90–110 °C
Modulo di Young $E$	2–2,5 GPa
Resistenza a trazione $\sigma_{tens}$	35–45 MPa
Allungamento a rottura $\epsilon_{r}$	10–30%

• Pro: più resistente agli urti rispetto al PLA, tollera meglio il calore.

• Contro: tende a deformarsi durante la stampa, richiede piano riscaldato, odore durante la stampa.

Esempio di deformazione per carico flessionale:

Consideriamo una trave ABS con lunghezza 

$L = 100 \text{ mm}$

, sezione 

$b = 10 \text{ mm}, h = 5 \text{ mm}$

, carico centrale 

$F = 50 \text{ N}$

. La flessione massima 

$y_{max}$

è calcolata con:

$$y_{max} = \frac{F L^3}{48 E I}$$

dove 

$I = \frac{b h^3}{12} = \frac{10 \cdot 5^3}{12} = 104,17 \text{ mm}^4$

$$y_{max} = \frac{50 \cdot 100^3}{48 \cdot 2{,}5 \cdot 10^3 \cdot 104,17} \approx 3,98 \text{ mm}$$

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2.3 PETG – Polietilene Tereftalato Glicole

Caratteristiche principali:

Proprietà	Valore tipico
Temperatura di estrusione	230–250 °C
Temperatura piattaforma	70–90 °C
Modulo di Young $E$	2,1–2,3 GPa
Resistenza a trazione $\sigma_{tens}$	50–60 MPa
Allungamento a rottura $\epsilon_{r}$	10–20%

• Pro: resistenza chimica e meccanica elevata, flessibile ma rigido, poca deformazione.

• Contro: leggermente più difficile da stampare del PLA.

Esempio pratico: stampare un ingranaggio funzionale in PETG: calcolo della tensione sul dente con forza tangenziale 

$F_t = 20 \text{ N}$

, sezione dente 

$A = 4 \text{ mm²}$

:

$$\sigma = \frac{F_t}{A} = \frac{20}{4} = 5 \text{ MPa} < \sigma_{tens} = 50 \text{ MPa}$$

→ Sicuro per uso funzionale.

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3. Resine e materiali compositi (SLA, DLP, SLS)

3.1 Resine standard (SLA/DLP)

• Pro: alta precisione, dettagli minuti (layer 0,025–0,1 mm).

• Contro: fragili, sensibili ai raggi UV.

Esempio di calcolo volume resina: stampare miniatura cubica 5x5x5 cm:

$$V = L^3 = 125 \text{ cm³} \approx 125 g \text{ (densità resina } \rho = 1 \text{ g/cm³)}$$

3.2 Materiali compositi (caricati fibra o polvere metallica)

• Pro: aumento resistenza meccanica, conduttività o proprietà termiche.

• Esempio: resina con fibre di carbonio → aumento modulo di Young da 3 GPa a ~6–8 GPa.

• Applicazioni: parti meccaniche leggere e resistenti, utensili personalizzati, componenti automobilistici.

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4. Proprietà fisiche e meccaniche dei materiali

Proprietà	Descrizione	Unità	Formula/Esempio
Modulo di Young $E$	Rigidezza materiale	GPa	$\sigma = E \cdot \epsilon$
Resistenza a trazione $\sigma_{tens}$	Massimo carico per unità area	MPa	$\sigma = F / A$
Allungamento a rottura $\epsilon_r$	Deformazione massima prima della rottura	%	$\epsilon_r = \Delta L / L_0 \cdot 100$
Densità $\rho$	Massa per unità volume	g/cm³	$m = V \cdot \rho$
Temperatura di deformazione $T_g$	Limite termico utile	°C	–

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5. Attività pratica

1. Analisi tattile e visiva: toccare PLA, ABS, PETG, resine e compositi.

2. Confronto proprietà meccaniche: flessibilità, fragilità, peso.

3. Esempio pratico: prendere un cubo 3x3x3 cm in PLA e calcolare:

$$V = 3^3 = 27 \text{ cm³}, \quad m = V \cdot \rho = 27 \cdot 1,25 \approx 33,75 \text{ g}$$

4. Discussione guidata: quale materiale scegliere in base a:

   • Applicazione funzionale vs estetica

   • Resistenza meccanica richiesta

   • Facilità di stampa