Volendo orientarsi verso un materiale polimerico, è opportuno ricercare il candidato ideale tra i vari datasheet online. I principali fornitori di polveri per Additive Manufacturing dispongono, sui propri cataloghi, una varietà enorme di polimeri, diversi per tipologia, applicazione, proprietà meccaniche.
Poiché si ricerca un materiale leggero, che sia di natura resistente agli impatti, la macro-famiglia di polimeri verso cui ci si potrebbe orientare è quella del nylon, in quanto caratterizzato da proprietà meccaniche simili al PLA, ma che al tempo stesso garantirebbe migliore resistenza agli urti. A tal proposito, i due fornitori certificati principali per questa lega sono EOS, oppure 3D Systems.
Figura 97: disponibilità polveri nylon 3D Systems
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Come emerge dalla Figura 97, che riporta l’elenco completo di tutti i nylon disponibili della seconda azienda, la scelta risulta essere assai vasta: vi sono polimeri resistenti al calore, ritardanti di fiamma, resistenti agli urti, rigidi, elastomerici, adatti al contatto con alimenti…
Confrontando tutte le varie possibilità dei due fornitori, le opzioni più idonee sono riportate nell’elenco seguente: [33] [34]
1. Duraform EX Plastic, 3D Systems;
2. Duraform Pro X AF+, (caricato alluminio), 3D Systems;
3. PA 2201 Natural, EOS;
4. PA 12 MD (caricato alluminio), EOS.
Per scegliere il polimero maggiormente adatto all’esigenza del porta tof anteriore, occorre necessariamente osservare i datasheet, confrontando i parametri fisici/meccanici più importanti, ovvero:
1. Densità;
2. Modulo di Young;
3. Tensione limite di snervamento;
4. Resistenza agli urti.
Ai fini della realizzazione del componente in questione, sono di importanza secondaria i parametri termici, in quanto la carrozzina non verrà mai sottoposta a temperature elevate, o sbalzi termici critici.
La Tabella 18 riassume tutte le grandezze elencate sopra, per le varie polveri plausibili, ma anche per il PLA e per la lega di alluminio ipotizzata per i componenti precedenti, in modo tale da poter fare un confronto: [35] [36] [37] [38] [39] [40]
MATERIALE ρ [g/cm3] E [MPa] Rp02 [MPa] Res. Urti [??]
Duraform EX Plastic
1.01 1517 37 74 J/m
Duraform Pro X AF+
1.31 4340 37 54 J/m
PA 2201 Natural
0.95 1700 45 4.8 kJ/m2 (C)
PA 12 MD 1.36 3800 48 4.6 kJ/m2 (C)
PLA 1.24 2500 40 2.7 kJ/m2 (I)
AlSi10Mg 2.7 65000 250 4 J
Tabella 18: proprietà meccaniche polimeri
5.3.2 Focus prove d’impatto
Osservando la tabella ci si rende conto immediatamente di due aspetti molto importanti. In primo luogo, è possibile notare che se si predilige la rigidezza, e quindi il modulo elastico, si ha una perdita in termini di resistenza all’impatto.
Si pensi infatti ai materiali ceramici: sono estremamente rigidi, ma al primo urto si innescano cricche che spesso portano a rottura fragile. Discorso diametralmente opposto vale, ad esempio, per materiali elastomerici, caratterizzati da un allungamento a rottura molto alto, ma moduli elastici ridotti.
Di conseguenza, occorre trovare un polimero che soddisfi entrambe le esigenze, identificando quale possa essere l’ottimo compromesso tra rigidezza e tenacità.
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Ed è proprio riguardo a questa proprietà che si introduce il secondo aspetto interessante, ovvero l’impossibilità di effettuare una comparazione delle resistenze agli impatti dei vari polimeri.
Questo a causa del fatto che ogni datasheet dei vari fornitori riporta unità di misura differenti, che di fatto rendono impossibile un confronto.
A seguito di una ricerca in merito a questa problematica, è emerso che tale distinzione dipende dalla tipologia di prova effettuata in fase di collaudo del materiale.
Nello specifico, esistono due test principali per la verifica della resistenza all’impatto: la prova IZOD e la prova CHARPY. I due test differiscono sostanzialmente a causa delle norme a cui devono fare riferimento. Come ulteriore complicazione, ognuna di queste norme, prevede l’utilizzo di campioni standard, aventi dimensioni specifiche differenti.
In particolare:
1. il test di Charpy rimanda alla norma ISO 179 [41] [42], la quale prevede di utilizzare provini di dimensioni pari a 55 x 10 x 10 mm3. L’unità di misura utilizzata in questo caso può essere il Joule [J], oppure kJ/m2.
2. la prova Izod invece non fa fede ad un’unica normativa, bensì varia in base al fatto che si tratti di normativa europea o americana. Nel primo caso la norma di riferimento è la ISO 180, la quale prevede campioni di dimensioni 80 x 10 x 4 mm3. In tal caso l’unità di riferimento è kJ/m2. In base alle norme americane invece, si rimanda alla ASTM D256, secondo la quale il provino debba avere misure pari a 64 x 12.7 x 3.2 mm3, e l’unità di misura relativa alla resistenza all’urto sia J/m. [43]
Si nota dunque, come in alcuni casi l’indicazione della tenacità sia rapportata in base all’unità di lunghezza, in altri rispetto alla sezione, mentre in altri ancora non sia depurata delle dimensioni del provino.
Ultima sostanziale differenza, è altresì la metodologia con cui viene condotto il test. Infatti, non è il solo il campione a variare, ma anche il suo fissaggio nelle apposite macchine.
Figura 98: prova di Charpy
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Osservando la Figura 98, si intuisce come nel test di Charpy, il provino venga disposto orizzontalmente, ancorato da entrambi i lati.
Figura 99: test Izod
Al contrario, nel test Izod (Figura 99), l’elemento sacrificale è ancorato solamente da un lato, e viene disposto verticalmente.
Comprese le differenze delle due tipologie di test, note le dimensioni dei campioni, occorre convertire i valori in modo tale da ottenere la medesima unità di misura per ogni materiale disponibile. A tal proposito, è preferibile effettuare le equivalenze prediligendo solo le grandezze specifiche (quindi metriche oppure superficiali), evitando dunque di utilizzare i soli Joule. Questo perché appare evidente che se un campione ha sezione e lunghezza maggiori di un altro, sicuramente avrà un limite di sopportazione all’impatto maggiore, se lo si esprime senza usare le unità specifiche.
Per fare un esempio, ipotizzando di prendere il provino Izod, per trasformare da J/m a kJ/m2 è opportuno moltiplicare per il valore dello spessore del campione, e successivamente dividere per la sezione.
Decidendo di riportare tutti i valori di tenacità in kJ/m2, i valori aggiornati sono riportati nella Tabella 19.
MATERIALE Tenacità [kJ/m2] (Charpy)
Duraform EX Plastic 5.8
Duraform Pro X AF+ 4.3
PLA 2.7
AlSi10Mg 40
Tabella 19: valori di tenacità normalizzati
Analizzando i risultati ottenuti, e ricordando il fatto che si ricerca un materiale che garantisca un buon compromesso tra resistenza all’urto e rigidezza (modulo di Young), la scelta definitiva per
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il materiale in cui si ipotizza di realizzare il porta tof anteriore è il DURAFORM EX PLASTIC AF+, ovvero polveri di nylon caricate con alluminio, il quale permette di incrementare il modulo elastico rispetto al nylon tradizionale.
5.4 Riprogettazione per AM