La stampante 3D è 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 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 di una stampante 2D. Un altro fattore che ha segnato la discesa dei prezzi (e l’invasione del mercato da parte di numerose aziende) risiede nel fatto che il brevetto per la tecnica FDM, sviluppata da 3D SYSTEM, è scaduto nel 2005.

 

A COSA SERVONO?

L’ambito d’azione delle stampanti 3D è stato fin dall’inizio quello industriale. Questo tipo di macchinario può infatti essere impiegato per la realizzazione di prototipi in modo relativamente rapido e poco costoso. Ciò consente ad ingegneri e designer di toccare con mano le loro creazioni senza bisogno di avviare un vero e proprio processo produttivo. Si pensi ad esempio al settore meccanico, dove le componenti di un motore o di una qualsiasi altra apparecchiatura possono essere stampate per un’analisi approfondita, anziché essere osservate esclusivamente sul monitor durante la fase di progettazione.

Negli ultimi anni le cose sono un po’ cambiate. La stampa 3D non è più un’esclusiva delle grandi aziende, ma ha raggiunto anche l’ambito domestico. Per avere un’idea del trend, il popolare portale svedese The Pirate Bay ha aperto all’inizio del 2012 una sezione dedicata proprio alla condivisione dei file da dare in pasto a questa tipologia di stampanti, per realizzare modelli di qualsiasi tipo: dai giocattoli ai modellini, passando per loghi, rappresentazioni di quadri in tre dimensioni e molto altro ancora.

In altre parole, gli unici limiti sono dettati dalla fantasia e dalle dimensioni della stampante. Ha fatto discutere la vicenda “Liberator”, una vera e propria pistola funzionante fai-da-te, i cui file sono finiti lo scorso anno sui circuiti P2P per essere scaricati da migliaia di utenti in poche ore.

C’è invece chi ha scelto di ricorrere a questa tecnologia come mezzo espressivo per la propria arte: è il caso della stilista olandese Iris van Harpen, che ha vestito le modelle con una collezione di abiti da passerella interamente stampati in tre dimensioni.

Anche la medicina sta guardando con sempre maggiore interesse a queste tecnologie: si è già parlato più volte della possibilità di stampare protesi o addirittura interi organi, con ricerche già avviate anche sulla riproduzione di tessuti e vasi sanguigni da impiantare nei pazienti laddove le tecniche tradizionali non dovessero rivelarsi efficaci.

Per non parlare dei progetti spaziali si stanno, infatti, studiando nuove tecnologie per portare stampanti 3D su altri pianeti, ove potranno stampare autonomamente i componenti necessari per costruire basi spaziali, senza l’intervento diretto dell’uomo.

 

 

FUNZIONAMENTO E METODO 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 alcuni dei metodi più diffusi.

 

 

FDM – metodo a fusione – fused deposition modeling.  È una tecnologia sviluppata da Stratasys, azienda leader del mercato, che si adopera nella prototipazione rapida tradizionale. Questo processo prevede che un filamento costituito da polimeri (di diversi diametri i tra cui i più utilizzati e reperibili in commercio sono il 3 mm e 1,75 mm) riscaldato da una resistenza (fino a temperature di 250°C) venga fatto passare attraverso un ugello, il quale strato dopo strato lo deposita per dare 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 vengono inserite sul mercato nuove 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 di nuovi materiali adatti agli scopi più disparati. Le stampanti 3D della 4DOITaly funzionano così.

 

 





 

SLA – Stereolitografia: Brevettata da Chuck Hull nel 1986, la stereolitografia utilizza un processo di fotopolimerizzazione per solidificare una resina liquida. Simile alla DLP, questa tecnica varia solo per il tipo di luce, che 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 a deformarsi con relativa rapidità nel tempo a causa dell’azione della luce ambientale.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

PP –  metodo con letto in polvere e testine linkjet – Plaster-based 3D Printing: Questo metodo di stampa 3D consiste nell’utilizzare una testina inkJet la quale deposita un legante su un letto di polvere (gesso, amidi, resine), 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 lo spessore minimo di materiale con 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.

 

La domanda sorge spontanea: un oggetto bello/in alta risoluzione è automaticamente preciso? No! I due concetti sono slegati ed è infatti possibile avere oggetti con una risoluzione incredibile e bellissimi da vedere ma, quando andiamo a misurarli , risultano essere completamente fuori tolleranza rispetto alle misure impostate a CAD. Al contrario posso avere un oggetto “brutto” da vedersi ma assai preciso in termini dimensionali. Ci tengo a precisare che in queste ultime righe il termine preciso è stato utilizzato in maniera non idonea in quanto il termine corretto da utilizzare è accurato. Se la mia macchina stampa un cubo disegnato a CAD da 20 x 20 mm e rilevo una misura di 20.1X20.1 mm, posso definire la stampa accurata. Se poi decido di stampare diversi cubi disposti sul piatto di stampa, e le misure rilevate, a fine stampa, sono molto simili tra loro, allora posso dire che la mia macchina è precisa e quindi ha una buona ripetibilità. Sul singolo pezzo è semplice rimanere in tolleranze strette: discorso diverso quando la macchina deve lavorare su un piatto molto esteso (e magari riscaldato) dove le variazioni di inclinazione del piano o della temperatura di esso possono portare a differenze sostanziali tra i vari oggetti stampati su di esso.

 

Piccola precisazione sulla risoluzione XY: come per quella in Z, tale risoluzione planare ci consente di ottenere manufatti di ottima qualità ma non è detto che poi risultino accurati in termini dimensionali. In particolare la possiamo definire come la “capacità di riprodurre il minimo dettaglio” ovvero, tanto più piccoli saranno gli spostamenti della mia macchina e migliori/più definiti risulteranno i particolari di una stampa (i dettagli di un volto per esempio). Grazie al microstepping dei nuovi driver di stampa è possibile ottenere degli spostamenti veramente irrisori e quasi impercettibili all’occhio umano: dunque vi starete chiedendo come mai le stampanti 3D a filamento di tipo FDM non vengano utilizzate anche nel campo della gioielleria o ad esempio delle miniature da modellismo. La risposta è semplice: mentre in quelle utilizzate per il dentale e la gioielleria si utilizza un laser con uno spot di 50 micron o un proiettore DLP con proiezione del singolo pixel grande anche 49 micron (che si traduce in particolari minuscoli perfettamente riprodotti), nella stampa 3D FDM entra in gioco un componente che rimescola tutte le carte… il NOZZLE o UGELLO.

 

 

Possiamo dunque avere la macchina con movimentazioni perfette, microstepping elevati ecc ecc ma alla fine il minor particolare riproducibile è determinato dal DIAMETRO dell’ugello. Il filamento, in questo punto esatto, passa dal suo diametro nominale di 1.75 mm (o 3.00 mm) fino a 0.4/0.35 mm (400/350 micron) mediamente. Di conseguenza oggetti molto piccoli e con particolari al di sotto di queste dimensioni NON vengono riprodotti. Per rendere più chiara la differenza ecco una serie di immagini esplicative:

E’ evidente che utilizzare un ugello molto più fino porta ad avere una miglior definizione dell’oggetto. Ma questo beneficio porta anche un grosso svantaggio: i tempi di stampa possono anche raddoppiare se non addirittura triplicare. Inoltre con alcuni materiali, in abbinamento ad ugelli molto sottili, si potrebbero verificare anche delaminazioni da scarsa aderenza interlayer. Questi saranno comunque argomenti trattati in un articolo a parte.

Nella foto qui sopra è possibile notare che con l’ugello da 0.8 mm si perdono dettagli, o meglio, i particolari del volto risultano come smussati e poco definiti. In caso di particolari molto piccoli, questi potrebbero anche non venir riprodotti.

In sintesi:

  • Risoluzione in XY e Z mi determinano quanto un oggetto è bello,rifinito e tutti i suoi dettagli.
  • Accuratezza e ripetibilità/precisione ci aiutano a capire quanto il nostro oggetto stampato sarà fedele, in termini dimensionali, al modello disegnato al computer

 

Speriamo che con quest’articolo alcuni dubbi riguardo a questa tecnologia abbiamo trovato risposta, se così non fosse vi invitiamo a contattarci per ulteriori domande o anche solo per precisazioni, così da tenere in costante aggiornamento questo articolo.