Corso formazione Materie Stem: Stampante 3D

Per stampa 3D si intende la realizzazione di oggetti tridimensionali mediante produzione additiva, partendo da un modello 3D digitale.

Il modello digitale viene prodotto con dei software dedicati e successivamente elaborato per essere poi realizzato con diverse tecnologie, tra cui quella che costruisce prototipi strato dopo strato, attraverso una stampante 3D.

Storia

La stampa 3D nasce nel 1986 con la pubblicazione del brevetto di Chuck Hull, che inventa la stereolitografia, che definisce:

"Un sistema per generare oggetti tridimensionali basato sulla creazione di un modello trasversale dell'oggetto da costituire, sulla superficie di un medium fluido capace di alterare il suo stato fisico in risposta a stimoli sinergici quali radiazione incidente, bombardamento di particelle o reazioni chimiche, in lamine adiacenti che rappresentano le sezioni trasversali adiacenti successive dell'oggetto che si integrano tra loro, provvedendo ad una progressiva crescita per apposizione dell'oggetto desiderato, per cui un oggetto è creato da una superficie sostanzialmente planare del medium fluido durante il processo di formazione."

Dal 1986 la stampa 3D si è evoluta e differenziata, con l'introduzione di nuove tecniche di stampa e di numerosi materiali con diverse caratteristiche meccaniche, stampabili sia da soli che in combinazione, permettendo la diffusione di questa tecnica di produzione in molti ambiti, che spaziano dall'industria all'ambito medico e domestico.

A partire dal 2009, con la scadenza del brevetto  sulla tecnologia FDM, il costo delle stampanti 3D si è considerevolmente ridotto, rendendole economicamente accessibili alle piccole e medie imprese e favorendone l'ingresso negli uffici.

Sebbene la prototipazione rapida domini gli usi attuali, le stampanti 3D offrono un grande potenziale per la produzione di applicazioni. La tecnologia trova anche uso nel settore della gioielleria, calzoleria, progettazione industriale, architettura, automobilistico, aerospaziale, medico e dentistico. Dal 2018 alcune aziende hanno iniziato a realizzare prodotti in serie attraverso tecnologie di stampa 3D: ad esempio, Adidas produce le suole di un suo modello di scarpe da corsa attraverso la tecnologia Clip (simile alla stereolitografia) e General Electric realizza gli iniettori in metallo di un motore aeronautico con tecnologia EBM (Electron Beam Melting).

Caratteristiche

Le stampanti 3D:

• Sono generalmente più veloci, più affidabili e più semplici da usare rispetto ad altre tecnologie per la produzione sottrattiva;
• Offrono la possibilità di stampare e assemblare parti composte da diversi materiali con diverse proprietà fisiche e meccaniche in un singolo processo di costruzione. Le tecnologie di stampa 3D avanzate creano modelli che emulano molto da vicino l'aspetto e le funzionalità dei prototipi.

Una stampante tridimensionale lavora prendendo un file 3D da un computer e utilizzandolo per fare una serie di porzioni in sezione trasversale. Ciascuna porzione è poi stampata l'una in cima all'altra per creare l'oggetto 3D.

Metodi utilizzati

La stampa 3D, detta anche prototipazione rapida, è una tecnologia additiva che permette di realizzare un oggetto strato dopo strato partendo direttamente da un modello CAD 3D. Esistono diverse tecnologie per la stampa 3D e le loro differenze principali riguardano il modo in cui sono stampati gli strati. Alcuni metodi usano materiali che si fondono, si sinterizzano, o si ammorbidiscono col calore (in genere prodotto per irraggiamento da una sorgente di radiazione elettromagnetica oppure da un fascio di elettroni) per produrre gli strati, ad es. il selective laser sintering (SLS) e la modellazione a deposizione fusa (fused deposition modeling, FDM), mentre altri depongono materiali liquidi che sono fatti indurire con tecnologie diverse. Nel caso dei sistemi di laminazione, si hanno strati sottili che vengono tagliati secondo la forma e uniti insieme.

Ogni metodo ha i suoi vantaggi e inconvenienti, e conseguentemente alcune società offrono una scelta tra polvere e polimero come materiale dal quale l'oggetto è ricavato. Generalmente, i fattori principali presi in considerazione sono la velocità, il costo del prototipo stampato, il costo della stampante 3D, la scelta dei materiali, le colorazioni disponibili, ecc.^[8]

Nel Digital Light Processing (DLP), una vasca di polimero liquido è esposto alla luce di un proiettore DLP in condizioni di luce inattinica. Il polimero liquido esposto si indurisce. La piastra di costruzione poi si muove in basso in piccoli incrementi e il polimero liquido è di nuovo esposto alla luce. Il processo si ripete finché il modello non è costruito. Il polimero liquido è poi drenato dalla vasca, lasciando il modello solido. Lo ZBuilder Ultra o la 3DL Printer sono esempi di sistema di prototipazione rapida DLP.

La modellazione a deposizione fusa (FDM), deriva da una tecnologia storicamente applicata ad esempio nella saldatura di fogli plastici, nell'incollaggio a caldo e nell'applicazione automatizzata di guarnizioni polimeriche. Nei primi anni 80 è stata poi adattata da Hideo Kodama e successivamente da S. Scott Crump a una struttura cartesiana.

Il metodo FDM è basato su un ugello che deposita un polimero fuso strato dopo strato per creare la geometria del pezzo. I polimeri più conosciuti che vengono utilizzati col metodo FDM sono il PLA (Acido poli lattico) e l'ABS (Acrilonitrile butadiene stirene). Il PLA viene estruso normalmente a una temperatura di fusione variabile fra i 180 °C e i 220 °C, mentre l'ABS fra i 220 °C e i 250 °C. Al contrario dell'ABS il PLA non emette fumi potenzialmente dannosi quando viene fuso ed estruso. Gli oggetti stampati in ABS sono meno fragili, maggiormente resistenti alle alte temperature e più flessibili degli oggetti stampati in PLA.

Un altro approccio chiamato SLS è la fusione selettiva di un mezzo stampato in un letto granulare. In questa variazione, il mezzo non fuso serve a sostenere le sporgenze e le pareti sottili nella parte che viene prodotta, riducendo il bisogno di supporti ausiliari temporanei per il pezzo da lavorare. Normalmente si usa un laser per sinterizzare il mezzo e formare il solido. Esempi di questa tecnica sono l'SLS e il DMLS (direct metal laser sintering), che usano metalli.

Infine, le configurazioni ultrasottili sono realizzate mediante la tecnica di microfabbricazione 3D della foto polimerizzazione a due fotoni. In questo approccio, l'oggetto 3D desiderato è evidenziato in un blocco di gel da un laser concentrato. Il gel è fatto indurire in un solido nei punti dov'era concentrato il laser, grazie alla natura non lineare della fotoeccitazione, ed il gel rimanente viene poi lavato via. Si producono facilmente configurazioni con dimensioni al di sotto dei 100 nm, così come strutture complesse quali parti mobili e intrecciate.

Diversamente dalla stereo litografia, la stampa 3D Binder Jetting è ottimizzata per velocità, costo contenuto e facilità d'uso, rendendola adatta per la visualizzazione dei modelli elaborati durante gli stadi concettuali della progettazione ingegneristica fino agli stadi iniziali del collaudo funzionale. Non sono richieste sostanze chimiche tossiche come quelle utilizzate nella stereo litografia, ed è necessario un lavoro minimo di finitura dopo la stampa; occorre soltanto usare la stessa stampante per soffiare via la polvere circostante dopo il processo di stampa. Le stampe con polvere legata possono essere ulteriormente rinforzate mediante l'impregnazione con cera o polimero termofissato. Nell'FDM le parti possono essere rinforzate inserendo un altro metallo nella parte mediante assorbimento per capillarità.

La risoluzione

La risoluzione è espressa in spessore degli strati e la risoluzione X-Y in dpi. Lo spessore degli strati tipicamente è intorno ai 100 micrometri (0,1 mm), mentre la risoluzione X-Y è paragonabile a quella delle stampanti laser. Le particelle (punti 3D) hanno un diametro all'incirca da 50 a 100 micrometri (0,05-0,1 mm). Nel metodo FDM la risoluzione media (e nella maggior parte dei casi usata) è di 0,2 mm. Tanto più lo spessore dello strato è minore, tanto più la risoluzione è alta, e anche più lungo il tempo di stampa. Sempre in FDM, ad esempio, 0,3mm-0,4mm sono risoluzione basse, mentre da 0,05 mm fino a 0,1 mm sono risoluzioni molto alte.

L'infill

Una caratteristica speciale e molto importante delle stampe 3D è l'infill (tradotto in "Riempimento"). Esso è un reticolato che viene stampato all'interno dell'oggetto strato dopo strato. Ci sono diversi reticolati tra cui scegliere, uno dei più comuni è il rectilinear, un insieme di tanti quadratini. Un altro ad esempio è l'honeycomb, o "Nido d'ape", formato da un insieme di esagoni, e che ricorda appunto un nido d'api. La caratteristica più importante dell'infill è però la percentuale d'infill. Un'alta percentuale (la più alta è 100%, oggetto completamente pieno, la più bassa 0%, oggetto completamente vuoto) è associata a una maggior robustezza del pezzo, e ad anche un maggior tempo di stampa. Una percentuale bassa consente di risparmiare una considerevole quantità di materiale e tempo di stampa. Normalmente nel metodo FDM un'infill sul 20-25% costituisce un buon rapporto robustezza-risparmio materiale/tempo. A stampa finita l'infill non è più visibile, perché la stampante stampa degli strati (sia inferiori che superiori) completamente pieni, che quindi rendono la superficie uniforme. Il numero di strati pieni superiori-inferiori è un altro parametro di stampa.

Il procedimento di stampa

Per poter stampare in 3D un oggetto bisogna avere un modello 3D il quale viene prodotto con dei software di modellazione 3D come Blender, AutoCAD e OpenSCAD. Quindi, o si hanno buone doti di modellazione oppure ci sono delle soluzioni con scanner 3D per poter replicare l'oggetto che si desidera stampare. Finito questo passaggio si salva il modello nel formato .STL e lo si carica in un software di Slicing. Ne esistono di diversi tipi, sia open source sia proprietari e tra i più famosi possiamo trovare CURA, Slic3R e Repetier host. In questi software si possono impostare tutti i dati della stampante 3D e molti parametri per la stampa, come lo spessore del layer, l'infill, la velocità di stampa. Inseriti tutti i parametri si può mandare in stampa l'oggetto salvando il file in un formato apposito che possa essere letto dalla stampante 3D, il G-Code.

Applicazioni ed utilizzo

La stampa 3D si usa comunemente nella visualizzazione dei modelli, nella prototipazione/CAD, nella colata dei metalli, nell'architettura, nell'educazione, nella tecnica geo spaziale, nella sanità e nell'intrattenimento/vendita al dettaglio. Altre applicazioni includerebbero la ricostruzione dei fossili in paleontologia, la replica di manufatti antichi e senza prezzo in archeologia, la ricostruzione di ossa e parti di corpo in medicina legale e la ricostruzione di prove gravemente danneggiate acquisite dalle indagini sulla scena del crimine. Utilizzando particolari processi di scansione e stampa 3D è anche possibile riprodurre i beni culturali.

Più recentemente, si è suggerito l'uso della tecnologia della stampa 3D per espressioni di tipo artistico. Gli artisti hanno usato le stampanti 3D in vari modi.

La tecnologia della stampa 3D viene attualmente studiata dalle aziende e dalle accademie di biotecnologia per il possibile uso nelle applicazioni d'ingegneria tissutale in cui sono costruiti organi e parti di corpo usando tecniche a getto d'inchiostro. Strati di cellule viventi sono depositati su un mezzo gelatinoso e accumulati lentamente per formare strutture tridimensionali. Per riferirsi a questo campo di ricerca si sono usati vari termini: tra gli altri, stampa organica, bio - stampa e ingegneria tissutale assistita da elaboratore.^[13] La stampa 3D può produrre una protesi personalizzata dell'anca in un unico passaggio, con la parte sferica dell'articolazione permanentemente nella cavità articolare, e anche con le attuali risoluzioni di stampa l'unità non richiederà la lucidatura.

Grazie alle stampanti 3D è stato possibile realizzare anche abitazioni ecologiche, come Villa Asserbo, in Danimarca, a 60 km a Nord da Copenaghen. Gli architetti danesi dell'eentileen (gli ideatori) hanno inserito i progetti digitali dell'abitazione in una stampante CNC - provvista di un trapano delle dimensioni di una stanza - che gli ha permesso di ultimare la costruzione in sole quattro settimane utilizzando 820 fogli di compensato ricavato dalle foreste certificate Finlandesi.

L'uso delle tecnologie di scansione 3D consente la replica di oggetti reali senza l'utilizzo delle tecniche di stampaggio, che in molti casi possono essere più costose, più difficili, o anche più invasive da eseguire; particolarmente con preziosi o delicati manufatti dei beni culturali dove il contatto diretto delle sostanze di stampaggio potrebbe danneggiare la superficie dell'oggetto originale.

Esistono anche stampanti 3D in grado di utilizzare materiali additivi. Questo tipo di stampanti contribuiscono favorevolmente all'ecologia del nostro pianeta, perché permettono di realizzare cibo in totale autonomia, eliminando le emissioni di carbonio che vengono generate durante il trasporto di beni alimentari.

Per quanto concerne invece il settore della farmacologia, anche in questo campo sono state implementate soluzioni che permettono di realizzare farmaci personalizzati. Un team di ricercatori di Preston (Gran Bretagna) ha creato infatti una stampante 3D che consente non solo di stampare compresse uguali ad altre già esistenti, ma anche di creare farmaci personalizzati per ogni paziente.

Utilizzo casalingo

Ci sono stampanti che soddisfano le più disparate esigenze, da quelle puramente didattiche o hobbistiche che si avvalgono dell'utilizzo di filamenti termoplastici sino a quelle delle sfere professionali (prototipazione, architettura, meccanica, medicale, orafa, etc) che si avvalgono di piani di stampa più ampi o di tecnologie raffinate come la Dlp e la Dls che permettono di raggiungere gradi di definizione elevatissimi.

In questo modo si ha la possibilità di mettere a disposizione delle piccole e medie imprese le tecnologie sino a ora utilizzate dalla produzione industriale.

Ci sono stati vari sforzi per sviluppare stampanti 3D adatte all'uso domestico, e per rendere questa tecnologia disponibile a prezzi accessibili a molti utenti finali individuali. Molto di questo lavoro è stato guidato da e focalizzato su comunità di utenti fai da te/entusiasti/precoci, con legami con il mondo accademico.

Utilizzo alimentare

La stampa 3D si è dimostrata sin dalla sua prima evoluzione molto interessata al settore alimentare tanto che negli Stati Uniti sono già stati aperti alcuni ristoranti dimostrativi che preparano cibo solo mediante l'utilizzo di stampanti 3D. Questi cibi vanno dal cioccolato allo zucchero, dalla pizza ai biscotti, dalla pasta alle verdure.

Uso edilizio

Al di fuori dell'Italia si notano notevoli sviluppi soprattutto nella messa a punto del materiale cementizio: in Cina sono riusciti a stampare dieci case in calcestruzzo in 24 ore; mentre in California del Sud, grazie al progetto Contour Crafting, è stata ideata una stampante in grado di costruire una casa di 100 m², con muri e solette. Sempre in Cina nel 2015 l'azienda WinSun ha realizzato una villa di 1.100 m^2 e un condominio di 6 piani.

Altro progetto molto interessante arriva dalla Spagna e si chiama Minibuilders: si tratta di piccoli robot che mentre si muovono su cingoli rilasciano materiale. Potenzialmente questi piccoli robot potrebbero stampare volumi di dimensioni infinite.

Utilizzo in medicina

Nel settore medico la stampa 3D sembra un fiorire di nuovi progetti, specialmente nel ramo della combinazione della stampa additiva con tecniche di imaging 3D: è infatti così possibile 'digitalizzare' il paziente tramite le tecnologie tradizionali (ad esempio TAC) e modellare al computer una protesi o un pezzo di organo perfettamente su misura con costi e tempi ridotti. In precedenza era invece necessario ricorrere alla produzione di stampi e/o costose opere di lavorazione meccanica per cui la 'personalizzazione' della protesi risultava molto costosa data la necessità di ammortizzare con un singolo intervento chirurgico la spesa di tutte le complesse lavorazioni impiegate per la realizzazione di una singola protesi.

L'uso di stampanti in 3D per ricreare gli organi dei pazienti potrebbe essere uno strumento fondamentale per studiare la riproduzione degli organi umani prima di agire chirurgicamente e in futuro anche per la creazione di organi completamente artificiali, a titolo di esempio si cita l'azienda statunitense Organovo sta testando la stampa 3D di materiali organici per la riproduzione di organi umani.