Tutto quello che c’è da sapere su PEI/ ULTEM ® per la stampa 3D

Fonte: 3dnatives.com

Negli ultimi anni, l’uso di materiali termoplastici ad alte prestazioni è diventato sempre più importante nel settore della stampa 3D, poiché la tecnologia si sta spostando dalla prototipazione rapida alla produzione di parti finite. Di conseguenza, i requisiti per i materiali di stampa 3D sono aumentati e le termoplastiche ad alte prestazioni stanno diventando sempre più comuni. Le loro proprietà li rendono un’alternativa economica ad alcuni metalli e sono apprezzati da molti settori come quello aerospaziale e medico. All’interno di questa famiglia troviamo il poliarileterchetone (PAEK), in grado di resistere alle alte temperature e che forse conoscete come PEEK o PEKK. Esiste un’alternativa molto più economica, la polietereimmide (PEI), un materiale amorfo meglio conosciuto con il nome commerciale di ULTEM®. Disponibile come filamento per stampanti 3D FDM, è compatibile con alcune macchine, tra cui quelle di Stratasys. Ripercorriamo quindi insieme le caratteristiche principali dell’ULTEM.

Il PEI è stato sviluppato negli anni ’80 da Joseph G. Wirth ed è stato commercializzato dalla Plastics Division di General Electric con il nome di ULTEM. Nel 2007, l’azienda ha venduto le sue attività nel settore delle materie plastiche alla Saudi Basic Industries Corporation (SABIC), che ha così recuperato il relativo brevetto. Sebbene l’ULTEM® sia stato accolto da molte industrie grazie alle sue proprietà meccaniche, è diventato adatto alla produzione di massa solo con lo sviluppo di stampanti FDM/FFF ad alte prestazioni: l’estrusore della macchina deve essere infatti riscaldato temperature molto elevate per fondere la termoplastica.

Produzione e caratteristiche di ULTEM/PEI

ULTEM® è una famiglia di materiali termoplastici amorfi a base di polieterimmide (PEI). Una delle sue caratteristiche principali sono le proprietà ignifughe: elevata resistenza alla fiamma, bassa generazione di fumo e bassa tossicità. Queste proprietà si riflettono in ottimi risultati nei test FST (Flame, Smoke, Toxicity). ULTEM® è altamente resistente alle alte temperature, con un Indice Termico Relativo (RTI) fino a 180°C. L’ULTEM è inoltre caratterizzato da elevata resistenza, rigidità e stabilità dimensionale, buona resistenza al creep ed elevata resistenza chimica. Le diverse varietà di ULTEM presentano anche un elevato rapporto resistenza/peso e possono persino sostituire alcuni metalli grazie alle loro proprietà meccaniche e all’elevato grado di lavorabilità. Questi materiali sono disponibili in una gamma di colori trasparenti e opachi. I materiali ULTEM mantengono la loro forza e resistono alla tensocorrosione se esposti a fluidi per autoveicoli e aerei, idrocarburi alifatici, alcoli, acidi e soluzioni acquose deboli. ULTEM® 1010 ha un’elevata resistenza alla trazione e durabilità. È biocompatibile e certificato NSF 51 per il contatto con gli alimenti. Può anche resistere alla sterilizzazione a vapore.

Esistono anche copolimeri ULTEM, in grado di resistere a temperature ancora più elevate e di adattarsi a diverse esigenze in termini di proprietà chimiche ed elasticità. SABIC ha lanciato anche una gamma rinnovabile certificata ISCC+. Queste varietà di ULTEM, ricavate da rifiuti e residui, offrono le stesse elevate prestazioni e lavorabilità di quelle ricavate da combustibili fossili. Entro la metà del 2023, i materiali ULTEM rinnovabili rappresenteranno più di un quarto dei materiali ULTEM offerti da SABIC.
SABIC offre attualmente 140 varietà di ULTEM®. Di particolare rilievo è l’ULTEM™ 9085 CG, utilizzato nel settore aerospaziale per gli interni delle cabine, ma anche nel settore ferroviario. ULTEM HU1010 è utilizzato per dispositivi medici e applicazioni farmaceutiche poiché è biocompatibile.

ULTEM/PEI nella stampa 3D

La gestione della temperatura è essenziale quando si stampa ULTEM®. La temperatura della camera deve essere sempre controllata, altrimenti possono comparire irregolarità e l’adesione degli strati può risentirne. La temperatura di transizione vetrosa, alla quale un polimero amorfo passa dallo stato duro/vetroso a quello morbido/gommoso e viceversa, è molto alta per l’ULTEM, raggiungendo i 217°C per l’ULTEM1010 (185°C per l’ULTEM9085). Per ottenere risultati ottimali, la temperatura della camera di stampa dovrebbe essere leggermente inferiore alla temperatura di transizione vetrosa. In questo modo si garantisce che i pezzi abbiano le dimensioni corrette e che le loro proprietà meccaniche siano mantenute. Una volta completata la stampa, la camera di stampa deve essere raffreddata lentamente e uniformemente, in modo che il pezzo si raffreddi gradualmente.

Una parte stampata in 3D utilizzata su un lanciatore spaziale (Crediti: Stratasys)

Rispetto al PEEK, il PEI è di solito più economico. È un materiale che ha il vantaggio di essere certificato per una serie di applicazioni aerospaziali, soddisfacendo requisiti altamente standardizzati. Tuttavia, il PEI presenta una minore resistenza agli urti e alle temperature.

Applicazioni di ULTEM/PEI

Come menzionato, PEI è ampiamente utilizzato nell’industria aerospaziale, in particolare l’ULTEM® 9085 per le caratteristiche citate. Il materiale è utilizzato anche nell’industria automobilistica, medica e alimentare, soprattutto nella progettazione di utensili da cucina, ma anche nell’utensileria in generale, per la progettazione di stampi, maschere o vari elementi di fissaggio. L’azienda Bombardier, ad esempio, utilizza questo materiale per la produzione di utensili personalizzati, per la personalizzazione dei componenti delle sue linee di produzione e per la produzione di parti finite dei suoi treni.

Produttori e prezzi

Infine, per quanto riguarda i produttori, SABIC è oggi l’unica a fornire la materia prima, sotto forma di resina o schiuma. L’azienda produce i propri filamenti per la produzione additiva: storicamente erano compatibili solo con la gamma di macchine Stratasys, ma negli ultimi anni SABIC ha stretto altre partnership, come quella con Roboze, che può stampare il filamento ULTEM™ AM9085F. Alcuni produttori offrono filamenti propri, come KIMYA, 3DXTech o 3D4Makers.

Inoltre, SABIC ha anche lanciato un filamento di supporto, l’AMS31F, più facile da rimuovere rispetto ad altri materiali di supporto che spesso devono essere riscaldati. In questo modo, il pezzo può mantenere tutte le sue proprietà meccaniche e permette  all’utente di risparmiare tempo prezioso.

SABIC ha sviluppato un supporto di stampa 3D per l’ULTEM.

Per quanto riguarda il prezzo il PEI è meno costoso del PEEK: costa intorno ai 150 euro al kg contro gli almeno 300 euro della stessa quantità di PEEK. È un materiale che ha il vantaggio di essere certificato per diverse applicazioni aerospaziali, rispondendo a requisiti altamente standardizzati. Tuttavia, è meno resistente agli urti e alle temperature del PEEK.