Come funziona una Stampante 3D?

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La stampante 3D, l’oggetto del desiderio di molte persone ormai… Ma come funziona una stampante 3D? Cosa si riesce a fare con questo strumento? La nostra guida vuole trattare a tutto campo la stampante 3D, dal funzionamento alla finitura dei materiali.

INTRODUZIONE:

La stampante 3D può essere considerata una naturale evoluzione di una stampante 2D, quindi laser o inkjet (le comuni stampanti da ufficio). La differenza sostanziale risiede nel tipo di “inchiostro” e dal supporto utilizzato. Ovviamente, mentre le stampanti tradizionali utilizzano come supporto materiale cartaceo e imprimono testi e immagini tramite la deposizione di strati di inchiostro liquido o polvere di toner (per i modelli a laser), la stampante 3D utilizza un filamento di materiale plastico che viene depositato strato su strato fino ad ottenere l’oggetto in 3 dimensioni. Come vedremo più avanti, ci sono vari metodi di stampa. Il caso appena preso in esame è l’FDM (fused deposition modeling), citato perché è il più semplice da spiegare a tutte quelle persone che si avvicinano a questo nuovo mondo.

Le stampanti 3D differiscono dalle macchine fresatrici CNC perché quest’ultime utilizzano la tecnica sottrattiva, mentre le prime utilizzano una tecnica additiva. Le moderne stampanti 3D stanno avendo un notevole successo sul mercato perché sono lo strumento più veloce ed efficace per la realizzazione di oggetti tridimensionali con la tecnica additiva.

Un’altra sostanziale differenza rispetto ad altri strumenti è che, a differenza delle stampanti inkjet o laser dove vi è una sorta di oligopolio del mercato, i produttori di stampanti 3D sono decine (se non centinaia ormai) e il loro numero è in crescita vertiginosa ogni mese. Questo numero di aziende produttrici nel mercato delle stampanti 3D può far solo che bene all’utente finale il quale, ormai riesce ad acquistare una stampante 3D (anche se di piccole dimensioni) ad un prezzo molto simile a quello una stampante 2D. Un altro fattore che ha segnato la discesa dei prezzi e l’invasione del mercato da numerose aziende risiede nel fatto che il brevetto per la tecnica FDM sviluppata da 3D SYSTEM è scaduto nel 2005.

FUNZIONAMENTO E METODI DI STAMPA:

Per realizzare un oggetto tramite stampa 3D esiste più di una tecnica. La tecnologia regina (dovuta appunto al basso costo) è sicuramente la stampa a deposizione fusa (fused deposition modeling – FDM). Altre tecniche di stampa sono la SLS – selective laser sintering, il Digital Light Processing – DLP, oltre che altre metodologie usate per la realizzazione di oggetti in leghe metalliche e altri materiali. Ora analizzeremo caso per caso in modo dettagliato:

- METODO A FUSIONE -

FDM – fused deposition modeling: una tecnologia sviluppata da Stratasys azienda leader del mercato che si adopera nella prototipazione rapida tradizionale. Grazie ad un filamento costituito da polimeri (ci sono diversi diametri i più utilizzati e reperibili in commercio sono il 3 mm e 1,7 mm) riscaldato da una resistenza (fino a temperature di 250°C) viene fatto passare attraverso un ugello, il quale strato dopo strato riesce a dar forma all’oggetto. Attualmente vi sono molti materiali che supportano questa tecnica, infatti è largamente utilizzata nel mercato consumer. I più comuni sono: PLA (di derivazione organica – mais), ABS, Laywood (PLA misto a segatura di legno), PVA, HIPS, materiali gommosi come il Ninja flex. Mese dopo mese sono inserite sul mercato stampanti 3D che utilizzano proprio questa tecnica perché è quella che consente di avere il prezzo di vendita più basso. Con la diffusione sempre maggiore di queste stampanti 3D economiche, vi è un fiorire sempre maggiore di nuovi materiali adatti agli scopi più disparati. Le stampanti 3D Makerbot, Ultimaker, Sharebot, Kentstrapper e Reprap utilizzano questa tecnica. Lo strato minimo stampabile con questa tecnica si aggira (dipende dai modelli) circa sui 100 micron (0,1 mm).

- METODI GRANULARI -

SLS – selective laser sintering: Tecnologia molto più raffinata del FDM, in quanto permette la fusione selettiva di un mezzo in un letto granulare. Vi è un laser che colpisce polimeri fondendoli in sottilissimi strati di polveri plastiche. Il mezzo non fuso serve a sostenere le sporgenze e le pareti sottili della parte che viene prodotta, riducendo il bisogno di supporti ausiliari temporanei per il pezzo da lavorare. Il livello di precisione di questa tecnica di stampa è quasi dieci volte inferiore alla tecnica FDM. Uno dei suoi limiti è il costo del materiale base, infatti si tratta di resina pura la quale di certo non costa come 1kg di ABS per la tecnica FDM. Con questa tecnica possono essere realizzati oggetti in materiali termoplastici, leghe metalliche e ceramica.

DMLS – direct metal laser sintering: praticamente uguale alla sopra citata SLS, cambia solamente il materiale di stampa, infatti si riescono a stampare metalli. Gli oggetti sono costruiti strato dopo strato tramite la fusione laser locale di polveri di metallo con una granulometria molto fine, tale da permettere la costruzione con layer fino a 20 micron. Con questa tecnica si possono realizzare oggetti in molte leghe metalliche tra cui: Acciaio (GP1 17-4), Acciaio inossidabile (PH1), Cromocobalto (MP1), Alluminio (AlSi10Mg) e leghe di Titanio (Ti64 Grado 5). La tecnologia DMLS risulta estremamente innovativa e offre l’opportunità di realizzare prototipi e parti direttamente in metallo, senza bisogno dello sviluppo di attrezzature e per essere testate e utilizzate in maniera funzionale. La possibilità di sviluppare componenti con un grado di precisione elevato e un livello di dettaglio accurato consentono di produrre parti anche per il settore orafo, favorendo post-lavorazioni sui materiali sviluppati, portando ad un risparmio di tempo e ad un annullamento dei costi dello sviluppo di attrezzature.

SLM – Selective Laser Melting: Questa tecnica non utilizza la sinterizzazione per la solidificazione dei granuli di polvere, ma fonde totalmente il materiale in modo selettivo, utilizzando un laser ad alta energia. Si possono realizzare oggetti con i seguenti materiali: leghe di titanio, leghe di cromo-cobalto, accaio inossidabile e alluminio. Una delle qualità migliori di questa tecnica di stampa è che le proprietà meccaniche e fisiche dell’oggetto sono praticamente identiche a quelle di un modello ottenuto per fusione tradizionale, senza le criticità (es. fragilità) tipiche dei materiali sinterizzati.

EBM - Electron beam melting: ovvero Fusione a Fascio di Elettroni, è una tecnologia mediante la quale una sorgente di elevata energia, composta da un fascio opportunamente concentrato e accelerato di elettroni, colpisce un materiale in forma “micro granulometrica” provocandone la fusione completa (nel nostro caso saranno i metalli come titanio o alluminio). Il processo di produzione è completamente sottovuoto e permette quindi la lavorazione anche su materiali che altrimenti reagirebbero immediatamente con l’ossigeno producendo composti indesiderati. Il processo di fusione dei materiali avviene a temperature comprese tra i 700 e i 1000°C così da ottenere parti sostanzialmente prive di tensioni residue, pertanto non necessitano di trattamenti post-produzione. Questa tecnica è stata sviluppata dall’azienda svedese Arcam ed è particolarmente apprezzata nei settori aeronautico, aerospaziale e biomedicale. La lega con cui si possono realizzare oggetti è il Titanio in lega Ti6 Al4V o puro.

- METODO LAMINATO -

LOM – Laminated Object Manufacturing: alcune stampanti 3D utilizzano come materiale dei laminati, che costituiscono lo strato che viene processato con sistemi di taglio tangenziale o laser per separare la sezione che interessa il modello dal materiale di scarto. Quest’ultimo a sua volta costituisce un valido materiale di supporto, che verrà rimosso a stampa finita. Apparse inizialmente attorno agli anni 90′, queste stampanti impiegavano meccaniche derivate da comuni stampanti laser in bianco e nero. Attualmente alcune aziende come Mcor Technologies Ltd impiegano una stampa laser a colori usando la deposizione selettiva di adesivo, mentre il taglio dello strato avviene con una lama in metallo duro, e questo consente di produrre modelli in full color con una resa cromatica migliore rispetto all’uso di polveri e collante, ed una maggiore robustezza meccanica. Altre aziende offrono stampanti che utilizzano sottili laminati plastici e metallici. Con questa tecnica possono essere realizzati oggetti in carta, metallo e materiale termoplastico.

- METODO DI POLIMERIZZAZIONE ATTRAVERSO LA LUCE -

DLP – digital light processing: A seconda del tipo di luce impiegata per solidificare selettivamente il materiale, si parla di SLA, che generalmente utilizza una sorgente laser, o di DLP, che impiega proiettori LED o LCD per polimerizzare, generalmente dal basso, uno strato in una vasca contenente il fotopolimero allo stato liquido. Questo polimero è esposto alla luce di un proiettore DLP in condizioni di luce inattinica, quindi il liquido esposto si indurisce, la piastra di costruzione si muove in alto di pochi decimi di millimetro e il polimero liquido è di nuovo esposto alla luce. Il processo si ripete finchè il modello non è finito. Questa tecnologia, all’origine impiegata per realizzare stampanti professionali e industriali dai costi particolarmente elevati, vive oggi un processo di democratizzazione e promette l’avvento nel mercato di stampanti ad alta risoluzione dai prezzi popolari. Si possono realizzare oggetti in fotopolimeri.

SLA – Stereolitografia: Brevettata da Chuck Hull nel 1986, la stereolitografia utilizza un processo di fotopolimerizzazione per solidificare una resina liquida. Come per la DLP, questa tecnica varia solo per il tipo di luce, in questo caso è un laser. I principali limiti sono determinati dalla scarsa reperibilità, potenziale tossicità e costo elevato delle resine fotosensibili, dalla scarsa resistenza meccanica dei prototipi e dalla tendenza di questi ultimi di deformarsi con relativa rapidità nel tempo a causa dell’azione della luce ambiente. Si possono realizzare oggetti in fotopolimeri.

- METODO CON LETTO DI POLVERE E TESTINE INKJET -

PP - Plaster-based 3D Printing: Un metodo di stampa 3D consiste nell’utilizzare una testina inkJet che stampa su un letto di polvere (gesso, amidi, resine) un legante, procedendo di strato in strato fino al completamento del modello. La stampante crea il modello uno strato alla volta, spargendo uno strato di polvere (gesso o resine) e stampando con il getto d’inchiostro un legante nella sezione trasversale della parte. Il processo viene ripetuto finché non è stampato ogni strato. Questo metodo permette anche di realizzare sporgenze, infatti la polvere non raggiunta dal legante fa da supporto al modello, e in questo modo è possibile creare praticamente qualsiasi sottosquadro. È inoltre riconosciuto come il metodo più veloce. Un grande vantaggio di questa tecnica è la possibilità di miscelare del colore al legante, creando oggetti con colori reali. La scarsa resistenza meccanica e l’aspetto poroso delle superfici dei modelli creati rappresentano purtroppo i limiti di questa tecnica. L’estetica e la funzionalità dei modelli può essere migliorata con trattamenti successivi con cere e polimeri tramite impregnazione.

RISOLUZIONE:

Cos’è? E’ migliore se è più bassa o più alta? Molte persone si fanno queste domande leggendo le caratteristiche di ogni stampante 3D. Sì perchè dopo il volume di stampa, che varia a seconda della stampante 3D, l’altra caratteristica che si guarda subito è la risoluzione. Per “risoluzione” di una stampante 3D si intende, non per convenzione ma ormai di fatto, lo spessore minimo di materiale cui una stampate 3D riesce a realizzare un oggetto. Di solito espressa in micron, può variare dai 100 ai 300 micron per una comune stampante 3D con tecnica a FDM, fino ad arrivare a livelli “stratosferici” di 10 micron per alcuni modelli in SLS o DLP. Quindi si evince che più è basso il valore di risoluzione, più lo strato di materiale è fino e quindi più definito (i layer sono talmente fini da far sembrare l’oggetto con superficie liscia ed uniforme). Però attenzione, perché più lo strato è fine più il i tempi per realizzare l’oggetto si allungheranno: come sempre bisogna trovare il giusto compromesso (almeno con le tecnologie attuali). In alcune schede tecniche viene data anche la possibilità di sapere la risoluzione X-Y (quindi sul piano XY che è bidimensionale, mentre la risoluzione citata prima è sull’asse Z) che però può essere misurata in dpi come per le comuni stampanti inkjet o laser.

PROBLEMATICHE ATTUALI

Come in tutte le cose ci sono i pro e i contro e la stampa 3D non fa eccezione. Allo stato attuale la stampa 3D presenta alcuni limiti per l’invasione nella grande industria, primo fra tutti? Il tempo. Se consideriamo che nel business l’uguaglianza tempo=denaro è di base, si capisce subito perché la grande industria attende i prossimi sviluppi sulla stampa 3D. Altro aspetto è il controllo della qualità: come abbiamo visto questi metodi prevedono la sovrapposizioni di strati, ciò rende più complicata una verifica dell’oggetto prodotto che potrebbe presentare anomalie tra uno strato l’altro. Un oggetto solido che viene tagliato e piegato, come avviene nella produzione classica, da maggiori garanzie.

Per quanto riguarda l’uso domestico, il primo grande problema sarà la violazione dei copyright. Qualsiasi possessore di una stampante 3D potrebbe riprodurre oggetti presenti sul mercato. A questo si aggiunge il rischio che la macchina venga utilizzata in modo errato come per la produzione di oggetti potenzialmente pericolosi (privi di qualsiasi controllo da parte di un’autorità predisposta) o armi.

PROSPETTIVE FUTURE

Le prospettive future della stampa 3D sono rosee… Ogni mese escono svariati nuovi modelli di stampanti 3D, sia economiche che super professionali, così come per i materiali consumabili e per la costante ricerca e sperimentazione sulle finiture. Il mercato della stampa 3D è in forte espansione con una crescita a doppia cifra per i prossimi anni. Se volete maggiori informazioni sulla crescita del mercato delle tecnologie 3D potete cliccare su questo link.

I settori interessati dall’utilizzo della stampa 3D sono molti, in pochi non ne sono toccati: si passa dal design del prodotto all’ingegneria, dal bio-medicale all’architettura, per non dimenticare i possibili risvolti nel settore moda e abbigliamento. La forza della stampa 3D sta nel fatto che si riescono a produrre oggetti con forme e personalizzazioni fino ad adesso impensabili da realizzare con le tecniche tradizionali. Un’altra ottima caratteristica è la duttilità di questo strumento: in Italia, come nel resto del mondo, il movimento dei Makers si sta facendo riconoscere e, insieme al continuo spuntare dei FabLab, sta tentando di ribaltare il concetto di produzione così come lo intendavamo fino a poco tempo fa.