La stampa 3D è un processo di produzione che consente di realizzare oggetti tridimensionali a partire da un modello digitale attraverso una stampante tridimensionale. È una tecnologia di tipo additivo, nella quale il componente viene costruito mediante la deposizione progressiva di materiale, strato dopo strato, utilizzando diversi metodi e materiali a seconda dell’applicazione.
La stampa 3D è utilizzata in una vasta gamma di settori e le sue applicazioni sono in continua espansione, di pari passo le tecnologie e i materiali impiegati si stanno evolvendo, consentendo la realizzazione di oggetti sempre più complessi e personalizzati.
Storia
La stampa 3D nasce nel 1986 con la pubblicazione del brevetto di Chuck Hull, inventore della stereolitografia, da lui stesso definita:
A partire dal 1986 la stampa 3D si è evoluta e diversificata grazie all'introduzione di nuove tecniche di produzione e all'impiego di materiali con proprietà meccaniche differenti, favorendone la diffusione in numerosi settori, da quello industriale e sanitario fino all'ambito domestico.
Nel 2006, Sébastien Dion, John Balistreri e altri ricercatori dell'Università statale di Bowling Green avviarono uno studio sull'applicazione delle macchine per la prototipazione rapida in 3D alla realizzazione di oggetti d'arte ceramica. Da questa ricerca derivarono lo sviluppo di polveri ceramiche e di sistemi di legatura che permisero per la prima volta di stampare materiali a base di argilla da un modello digitale e successivamente sottoporli a cottura.
A partire dal 2009, con la scadenza del brevetto relativo alla tecnologia di FDM, il costo delle stampanti 3D si è notevolmente ridotto, rendendole più accessibili alle piccole e medie imprese e favorendone la diffusione anche in ambito ufficio.
Sebbene la prototipazione rapida rappresenti l'impiego principale, le stampanti 3D trovano applicazione anche in numerosi altri settori, tra cui gioielleria, calzature, progettazione industriale, architettura, industria automobilistica, aerospaziale, medica e odontoiatrica.
Nel gennaio 2012 The Pirate Bay annunciò l'introduzione della categoria Physible, dedicata ai file contenenti la descrizione digitale di oggetti tridimensionali destinati alla stampa 3D.
Dal 2018 alcune aziende hanno iniziato a utilizzare la stampa 3D per la produzione in serie. Adidas realizza le suole di un modello di scarpe da corsa mediante la tecnologia CLIP (analoga alla stereolitografia), mentre General Electric produce iniettori metallici per motori aeronautici attraverso la tecnologia EBM (Electron Beam Melting).
Nel novembre 2023, per la prima volta è stata stampata in 3D una mano robotica che integra ossa, legamenti e tendini, combinando materiali rigidi, elastici e morbidi in un unico processo produttivo, grazie a una tecnologia di stampa dotata di scanner laser e sistema di feedback sviluppata dal Politecnico federale di Zurigo in collaborazione con una startup statunitense.
Caratteristiche
Le stampanti 3D, rispetto a tecniche tradizionali come lo stampaggio a iniezione o altri processi di produzione sottrattivaLa produzione sottrattiva è un metodo di produzione industriale in cui si parte da un blocco di materiale pieno (metallo, legno, plastica, ecc.) e si rimuove materiale fino a ottenere la forma desiderata. In altre parole, si “sottrae” materiale per creare l’oggetto finale., risultano in genere più rapide, affidabili e semplici da utilizzare. Consentono inoltre di stampare e assemblare in un unico processo parti costituite da materiali con differenti proprietà fisiche e meccaniche, oltre a permettere la realizzazione di strutture complesse in un solo pezzo, soluzione non sempre ottenibile con le tecnologie convenzionali, e che può risultare economicamente conveniente nelle produzioni di piccola scala.
Le stampanti 3D sono generalmente costituite da una struttura di base e da diversi moduli ed elementi, spesso intercambiabili. Tra questi rientrano gli attuatori lineari, che consentono il movimento della testina di stampa o del piatto lungo guide lineari a ricircolo di sfere o aste lineari (almeno due per asse), con l'ausilio di boccole oppure profilati dotati di scanalature a V o a T, in combinazione con ruote in poliossimetilene (POM) o policarbonato, talvolta montate su eccentrici per la regolazione. Per imprimere il movimento sono stati utilizzati vari tipi di motore, come motori a corrente continua (DC) con encoder, oppure servomotori industriali (Servo), lo standard attuale prevede l'uso di motori passo passo, ma ci sono degli esperimenti con motori passo passo a circuito chiuso (Closed-loop Stepper) oppure con i motori lineari. Nelle maggior parte dei casi i motori agiscono tramite cinghie dentate (non utilizzte in caso dei motori lineari) o barre filettate, le prime sono azionate, tenute in sede e tensionate tramite pulegge dentate, mentre le seconde sono vingolate al motore tramite giunti flessibili o meno e agiscono sull'asse tramite una flangia filettata o in alternativa tramite una flangia disassabile oldham (consente lo scostamento laterale) oppure articolata wobbleX (consente sia lo scostamento laterale che l'inclinazione). La gestione della macchina è affidata a un circuito elettronico (scheda madre) solitamente a 8 o 32 bit, sebbene esistano anche modelli a 64 bit, controllato da un firmware che governa le funzioni della stampante. I firmware più diffusi sono Marlin e Klipper, ma ne esistono numerosi altri. In alcuni casi è possibile passare da un sistema all'altro, ricompilando il firmware per attivare o disattivare specifiche funzioni, modificare parametri (ad esempio in seguito alla sostituzione di un modulo) o aggiornare le tarature.
Tali macchine possono essere reperite già pronte, oppure essere dispponibili in kit di costruzione, se non addirittura essere costruite da zero.
Tecnologia di stampa La stampa 3D, detta anche prototipazione rapida, è una tecnologia additiva che consente di realizzare oggetti tridimensionali strato dopo strato a partire da un modello digitale CAD. Esistono diverse tecnologie di stampa 3D, la cui principale differenza riguarda il metodo con cui vengono prodotti gli strati. Ogni metodo di stampa 3D presenta vantaggi e limiti specifici. Alcune aziende produttrici consentono di scegliere tra diversi materiali di stampa, come polveri o polimeri, che costituiscono la base dell'oggetto tridimensionale. Tra i principali fattori considerati nella scelta della tecnologia o della stampante 3D vi sono la velocità di stampa, il costo del prototipo, il prezzo della macchina, la disponibilità di materiali, le colorazioni e altre caratteristiche operative.
Lo standard ISO/ASTM52900:2021 definisce sette categorie di processi additivi: Binder Jetting (BJT): tecnica che applica strati di polvere, successivamente legati tra loro tramite un collante.Tale soluzione è ottimizzata per velocità, basso costo e facilità d'uso, risultando particolarmente adatta alla visualizzazione di modelli nelle fasi concettuali della progettazione ingegneristica e nei primi stadi del collaudo funzionale. Non richiede l'uso di sostanze chimiche tossiche come quelle impiegate nella stereolitografia, e la finitura post-stampa è minima: è sufficiente rimuovere la polvere circostante soffiando delicatamente. Gli oggetti prodotti con polvere legata possono essere ulteriormente rinforzati tramite impregnazione con cera o polimeri termoindurenti. Directed Energy Deposition (DED): processo in cui l’energia termica focalizzata fonde il materiale mentre viene depositato.
Material Extrusion (MEX), anche conosciuta come Modellazione a deposizione fusa (in inglese Fused Filament Fabrication – FFF o Fused Deposition Modeling – FDM); processa polimeri termoplastici fusi e depositati strato su strato tramite un ugello riscaldato.La modellazione a deposizione fusa (FDM) deriva da tecnologie storicamente impiegate, ad esempio, nella saldatura di fogli plastici, nell'incollaggio a caldo e nell'applicazione automatizzata di guarnizioni polimeriche. Nei primi anni '80, Hideo Kodama e successivamente S. Scott Crump adattarono questa tecnologia a una struttura cartesiana. Alla scadenza del brevetto, la tecnologia FDM divenne disponibile commercialmente grazie alla società Stratasys. Con questa tecnica è possibile rinforzare le parti inserendo materiali metallici all'interno dei pezzi sfruttando la creazioni di nicchie nel modello 3D e impostando una pausa programmata durante la fase di stampa.Queste stampanti possono avere varie strutture, ma si differenziano anche per il tipo di gestione dei materiali, che possono essere sotto forma di pellet/granuli o filamento, inoltre per i filamenti questi possono essere controllati con sistemi diretti (montati sulla testina di stampa) oppure bowden (l'azione di controllo, spinta e retrazione del filamento è dislocata sul telaio, quindi remota e indipendente rispetto alla testina di stampa), questo permette di aumentare le accelerazioni e ridurre i tempi di stampa, con il contro di una gestione del filamento più complessa e con limitazioni sui materiali elastici. Material Jetting (MJT), processo in cui goccioline di materiale vengono depositate selettivamente e poi solidificate. I materiali più comuni includono resine fotopolimeriche e cere, utilizzate per prototipi ad alta precisione e modelli dettagliati. Powder Bed Fusion (PBF), o sinterizzazione, processo in cui l’energia termica fonde selettivamente regioni di un letto di polvere granulare. Ne fanno parte tecniche come la sinterizzazione laser selettiva (SLS), la Direct Metal Laser Sintering (DMLS), la fusione a fascio di elettroni (EBM) e la fusione laser selettiva (SLM).In questa tecnologia, la polvere non fusa funge da supporto naturale per sporgenze e pareti sottili, riducendo la necessità di strutture ausiliarie temporanee. Le configurazioni ultrasottili possono essere realizzate mediante la tecnica di microfabbricazione 3D basata sulla fotopolimerizzazione a due fotoni. In questo approccio, l'oggetto tridimensionale desiderato viene definito all'interno di un blocco di gel tramite un laser focalizzato. Il gel si solidifica nei punti colpiti dal laser grazie alla natura non lineare della foto-eccitazione, mentre il materiale residuo viene successivamente rimosso. Questa tecnologia permette di produrre facilmente strutture con dimensioni inferiori ai 100 nm, comprese geometrie complesse come parti mobili e intrecciate. Sheet Lamination (SHL), nota anche come Laminated Object Manufacturing (LOM), processo che utilizza strati di materiale laminato (ad esempio carta o metalli) applicati successivamente sul piano di lavoro e tagliati per ottenere la forma desiderata, come nella Produzione di oggetti laminati. Vat Photopolymerization (VPP), o stereolitografia a vasca, processo in cui un fotopolimero liquido contenuto in una vasca viene polimerizzato selettivamente tramite una sorgente luminosa a luce inattinica (es. SLA, DLP). La piattaforma di costruzione si muove verticalmente in piccoli incrementi e il polimero liquido viene nuovamente esposto alla luce, ripetendo il processo strato dopo strato fino al completamento del modello. Successivamente il polimero residuo viene drenato dalla vasca, lasciando l'oggetto solido. Esistono anche altri processi di stampa 3D, come la tecnologia Rapid Liquid Print (RLP), classificata come una tecnica di stampa 3D in sospensione (o stampa a estrusione in gel). Sviluppata originariamente al MIT, caratterizzata dal fatto che non necessita di stampare strato su strato, ma inietta materiali liquidi (come silicone o poliuretano) direttamente all'interno di una vasca riempita di gel e che fa da supporto.
Struttura delle stampanti La struttura della stampante cambia sia in base alla tecnologia di stampa sia alla tecnica specifica Le strutture per le stampanti possono essere: