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Pubblicato il
24.1.2022

Stampa 3D di mandrini solubili per materiali compositi

La stampa 3D di mandrini solubili è una valida soluzione per produttori di parti in materiali compositi. 
Progettazione additiva

Perché scegliere la stampa 3D di mandrini solubili per oggetti in materiali compositi?

Se normalmente la realizzazione di componenti con caratteristiche cave è vista come un processo estremamente dispendioso in termini di tempo, materiali e capitale umano, oltre alla difficoltà di rimuovere il mandrino dai pezzi finiti, la stampa 3D di mandrini solubili ora permette di ovviare a tutti questi problemi, offrendo una valida alternativa conveniente e un vantaggio competitivo notevole ai produttori di parti in materiali compositi. 

In questo articolo vediamo quali sono le soluzioni possibili per la realizzazione di mandrini solubili con la stampa 3D FDM Stratasys. 

Indice dei contenuti:

  • Cosa sono gli utensili a perdere
  • Che cos'è un mandrino solubile
  • Stampare i mandrini in 3D con materiale solubile
  • Le applicazioni industriali dei mandrini solubili
  • Come funziona la stampa 3D FDM di mandrini solubili
  • I vantaggi di utilizzare un materiale di supporto solubile
  • Altri materiali FDM per mandrini
  • La stampa 3D di utensili a perdere necessita di finitura?
  • Utensili veloci, facili e sostenibili con la stampa 3D

Cosa sono gli utensili a perdere

La produzione di materiali compositi leggeri come la fibra di carbonio è molto richiesta per settori come quello aerospaziale, automobilistico e della difesa, dove risparmio di peso, resistenza e durata sono fattori cruciali per vincere una gara o completare una missione. 

Tuttavia, le strutture composite complesse con interni cavi necessitano strumenti interni di supporto (chiamati “anima” o “mandrino”) in fase di produzione, per definire le caratteristiche concave.

Tali supporti possono essere di tipo a perdere, ovvero rompibili o solubili, oppure complessi, in versione pieghevole o gonfiabile. Di solito questi strumenti richiedono un processo di produzione articolato in più fasi e possono essere costosi.

I materiali utilizzati per le anime nelle tecnologie tradizionali (sali eutettici, ceramica, uretani fusi, etc.) pongono diversi problemi: 

  • sono difficili da manipolare perché molto fragili; 
  • necessitano strumenti di produzione;
  • i metodi di produzione o rimozione limitano la libertà di progettazione.

Che cos'è un mandrino solubile

Un mandrino solubile è uno strumento che viene realizzato tramite stampante 3D e utilizzato nel processo di produzione di parti cave in fibra di carbonio con funzione di supporto. Successivamente, l'intera struttura di supporto viene eliminata tramite lavaggio.

Quasi tutti gli strumenti lavabili costruiti con materiali di supporto solubili possono essere disciolti in una soluzione liquida come nel caso del liquido Stratasys WaterWorks, che consente la rimozione del mandrino senza lavoro manuale.

In alcuni casi, per parti composite complesse sono necessari altri tipi di solventi.


Mandrino solubile realizzato con stampa 3D
Interno di mandrino solubile realizzato con stampa 3D

Stampare i mandrini in 3D con materiali solubili

Se la tua azienda non crea già parti composite cave con la stampa 3D, dovresti prenderla in considerazione. Ecco come può aiutarti la soluzione di Stratasys per la realizzazione di utensili a perdere .

L’utilizzo di materiali di supporto solubili nella tecnologia FDM a livello di produzione con stampanti come la Stratasys Fortus System è stata un’innovazione fenomenale, grazie alla maggiore libertà nella progettazione di parti cave e geometrie complesse.

Oltre ad essere utilizzati per aiutare nella creazione di modelli solidi, i materiali di supporto solubili sono stati utilizzati anche per creare nuovi utensili a perdere.

La procedura consiste nella stampa di una struttura in materiale esclusivamente solubile, che funge da supporto per la fabbricazione del materiale composito. Una volta completata la polimerizzazione della parte in fibra composita, il supporto viene sciolto o rotto, lasciando intatta la parte cava.

Le applicazioni industriali dei mandrini solubili

Tipicamente, gli utensili come i mandrini solubili vengono utilizzati per la laminazione di compositi o l'avvolgimento di filamenti per formare e supportare strutture cave durante la posa, il consolidamento e l'indurimento.

Questa applicazione si rivela dunque cruciale per le industrie come quella automobilistica di fascia alta e l’industria aerospaziale, grazie all’alta qualità del pezzo finale e alla possibilità di ottenere geometrie non raggiungibili con i metodi più tradizionali.

Come funziona la stampa 3D FDM di mandrini solubili

Per gli utensili a perdere stampati con la tecnologia 3D FDM Stratasys si utilizzano materiali di supporto quali SR-30, SR-100, Supporto ULTEM 9085 e Supporto ULTEM 1010. Sebbene questi materiali si siano dimostrati eccellenti per questa applicazione, non era questa la destinazione prevista. 

Infatti, lo sviluppo di questi materiali di stampa 3D era stato pensato solo per parti di supporto per la produzione additiva di design complessi. Successivamente, gli OEM e i fornitori dei settori automobilistico e aerospaziale hanno iniziato a sfruttare le loro particolari proprietà di dissoluzione per le attrezzature a perdere. 

Questi progressi consentono ai produttori di compositi di produrre rapidamente ed economicamente strutture composite complesse di piccolo volume senza incollaggio né macchine CNC necessarie per gli altri processi di produzione di anime a perdere.

Pezzo realizzato con ULTEM 1010
ULTEM 1010

I vantaggi di utilizzare un materiale di supporto solubile

I principali vantaggi dell'utilizzo del materiale solubile sono la sua stabilità termica e dimensionale per applicazioni ad alta pressione, come la lavorazione sotto vuoto e a temperatura elevata come l'autoclave. Ciò migliora la qualità delle parti, la ripetibilità e la resa complessiva.

Un ulteriore vantaggio è il miglioramento delle prestazioni del processo grazie al modello di riempimento triangolare permeabile. Il nuovo modello fornisce la migliore combinazione di velocità, tempo di scioglimento e forza. Il modello di riempimento tubolare permeabile è disponibile anche per pressioni di consolidamento più elevate, ma richiede un tempo di costruzione più lungo.

Nota, i materiali per stampa 3D Stratasys sopra citati sono disponibili solo per le stampanti 3D Fortus® 400/450mc e Fortus® 900mc.

Lavaggio di mandrino realizzato in SR-100
Lavaggio mandrino solubile

Altri materiali FDM per mandrini

ULTEM 1010 Support e ULTEM 9085 Support sono materiali per stampa 3D FDM sviluppati per creare mandrini per applicazioni di alto livello. Le loro proprietà gli permettono di raggiungere una temperatura di polimerizzazione di 177°C a +90 psi. 

La forma stampata viene poi infragilita con l’acetone e spezzata. Non trattandosi di una resina completamente lavabile o solubile, è necessario avere un buon accesso a tutte le cavità interne. 

La stampa 3D di utensili a perdere necessita di finitura?

Gli utensili FDM possono essere rifiniti attraverso una varietà di metodi per ottenere l'integrità del vuoto e la rugosità superficiale desiderata. 

I metodi di finitura comuni includono l'abrasione manuale o la sabbiatura con la successiva applicazione di un sigillante per stampi ad alta viscosità come resine epossidiche bicomponenti o una patina di rilascio.

Utensili veloci, facili e sostenibili con la stampa 3D

Scegliere tecnologia FDM per la stampa 3D di mandrini solubili abbatte costi, tempi di produzione e la quantità dei materiali di scarto, ottenendo prodotti altamente resistenti al calore e compatibili con la realizzazione di pezzi cavi in materiale composito come la fibra di carbonio. 

Consulta la nostra pagina sui materiali per stampa 3D FDM Stratasys per selezionare quello più adatto al tuo prossimo progetto.  

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