Stampa 3d – Tecniche di Additive Manufacturing

3 Ottobre 2020

In questo primo articolo della nostra rubrica ”Conosciamoli meglio” parleremo delle tecnologie che vanno sotto il nome di Stampa 3d, uno dei punti cardini della digital manufacturing, della rivoluzione in atto dell’industria 4.0 e del movimento maker e cercheremo di fare chiarezza su questo vasto, ma spesso abbastanza confuso, argomento.

Cos’è la stampa 3d?

Come detto sopra la stampa 3D non è una tecnica, bensì un nome comune dato alla Manifattura Additiva (o Additive Manufacturing in inglese), ovvero una categoria che racchiude al suo interno una serie sempre maggiore di metodologie di produzione, le principali delle quali andremo a analizzare di seguito.

Va anticipato che, anche se ultimamente ne sentiamo parlare tantissimo, il concetto di Stampa 3D non è nuovo e trova le sue origini negli anni ’80 quando il signor Charles “Chuck” Hull inventò la stereolitografia.
Successivamente i signori Carl Deckard, Joe Beaman e Paul Forderhase svilupparono a partire dagli stessi concetti esposti dal loro predecessore la selective laser sintering.
E’ appena il 1988 quando il signor Crump brevetta la Stampa 3D con materiale fuso ( Fused deposit modeling – FDM o FFF) una delle tecniche attualmente più diffuse nel mondo hobbystico.

L’attuale nuovo slancio dato a questo argomento è dovuto principalmente al fatto che i brevetti stanno man mano scadendo permettendo un accesso di massa alle tecniche inventate ormai 30 anni or sono, il che consente a chiunque di cimentarsi nella realizzazione di queste macchine, dando vita a un circolo vizioso che porta una continua domanda/offerta da parte del mercato, con conseguente diminuzione dei costi per l’acquisto dei macchinari e maggior diffusione degli stessi.
Uno degli esempi più lampanti di questo processo è la nascita del progetto open source RepRap, che permette di costruirsi un stampante 3D in autonomia in grado a sua volta di auto costruirsi, è così che nel 2007 viene rilasciato il modello Darwin, seguito nel 2009 dal suo successore Mendel.

La scelta di rilasciare questi modelli con licenza open source ha fatto fiorire una folta comunità interessata a sperimentare e apportare miglioramenti ai modelli di base, è così che nel 2010 viene presentata in Repubblica Ceca la prima stampante Prusa Mendel dando il via a una famiglia di stampanti tra le più apprezzate oggigiorno a livello amatoriale. Di pari passo negli stessi anni si è passati dal reperire i file per potersi stampare in autonomia una propria stampante, a poter acquistare dei kit completi da assemblare. Uno dei primi modelli in tal senso è stata la MakerBot Cupcake CNC (2019) superata circa un anno dopo da un altro modello della MakerBot, la MakerBot Thing-O-Matic (2010). Oggi giorno i kit sono passati da essere un “ammasso” di elementi meccanici ed elettronici da assemblare e calibrare, operazione non sempre banale a dire il vero, a dei modelli pre assemblati in cui è sufficiente avvitare poche vite e si è pronti a stampare, ed in tal senso la Creatily con la sua ormai famosa Ender 3, piuttosto che la Alfawise con la U30 et simila la fanno da padrona.

Come funziona l’additive manufacturing?

A differenza delle tecniche di manifattura sottrattiva (come ad esempio i pantografi, noti anche come CNC, o le laser cutter) in cui a partire da un blocco viene man mano eliminato del materiale per ottenere la lavorazione desiderata, nella stampa 3D, ed in generale nella manifattura additiva, il materiale viene depositato un po alla volta fino al completamento dell’oggetto permettendo delle lavorazioni anche complesse non facilmente ottenibili con altre tecniche di lavorazione.

Quali sono le principali tecnologie di stampa 3D?

Riuscire ad estrarre una tassonomia in un mondo cosi dinamico e fortemente in evoluzione come quello della stampa 3D non è semplice.

In base al processo utilizzato per la creazione dell’oggetto possiamo distinguere la seguente tassonomia:

Estrusione di materiale ( Material Extrusion )

Un materiale vine portato dallo stato solido a uno semi liquido e depositato strato su strato. Gli strati una volta depositati tendono a solidificarsi e a formare livello dopo livello l’oggetto finale.
In questa categoria rientrano le stampanti desktop al momento più diffuse, le FDM

Vasca di fotopolimerizzazione ( Vat Photopolymerization )

La fotopolimerizzazione è un processo che si verifica quanto una resina polimerica è esposta una una sorgente luminosa di una specifica lunghezza d’onda da tale esposizione scaturisce una reazione chimica che solidifica la resina.

In base alla sorgente di luce distinguiamo le stampanti DLP o le SLA

Fusione di un letto di polveri ( Powder Bed Fusion )

La tecnologia del Powder Bed Fusion (PBF) permette di realizzare degli oggetti solidi sfruttando una sorgente termica che induce una fusione tra le particelle di una polvere di sostanze plastiche o metalliche un livello dopo l’altro.

Nel seguito approfondiremo la tecnologia PBF derivante da una sorgente di energia laser: la SLS, utilizzata per la lavorazione delle polveri plastiche sintetizzate. Esistono inoltre la Direct Metal Laser Sintering ( DMLS ) e la Selective Laser Melting ( SLM ) adoperate per la lavorazione delle polveri metalliche che vengono rispettivamente sintetizzate o fuse tra loro .

A Getto di materiali o di leganti ( Material Jetting / Binder Jetting )

Le stampanti a getto di materiali sono quelle che più si avvicinano alle classiche stampanti ad inchiostro come principio di funzionamento. Il materiale ( fotopolimeri, metallo o cera ) vengono depositati da centinaia di sottili ugelli sul piano di stampa in modo da realizzare l’oggetto strato per strato. Una volta depositato il livello viene trattato con delle luci UV per permettere l’indurimento del materiale e si passa al livello successivo. Questo tipo di processo permette di realizzare con rapidità delle stampe multi-materiale.

Il getto di agenti leganti invece ha un principio di funzionamento analogo al precedente tranne per il fatto che vengono depositati degli agenti chimici che fungono da leganti nella vasca riempita da polveri a base ceramica (ad esempio il vestro) o metallica in modo da far aderire tra di loro le particelle livello per livello.

Deposito diretto di energia ( Direct Energy Deposition )

Questa tecnologia consiste nel creare oggetti fondendo del materiale polverizzato man mano che viene depositato. Il maggior utilizzo si ha nella realizzazione di oggetti metallici, in particolar modo, data la natura del processo, nella riparazione o la modifica di componenti già esistenti (ad esempio le turbine) piuttosto che nella realizzazione di oggetti ex novo. In base al tipo di sorgente utilizzata per la fusione del materiale depositato possiamo distinguere:
Laser Engineered Net Shape (LENS) il cui flusso di energia deriva da una sorgente laser
Electron Beam Additive Manufacture (EBAM) la cui sorgente di calore deriva da un flusso di elettroni.

Laminazione di fogli ( Sheet lamination )

Tecnica relativamente moderna ( i primi modelli commerciali sono stati rilasciati ad inizio anni 90 ) in cui dei rulli di materiale vengono tagliati da un laser per formare livello dopo livello l’oggetto finale permettendo di raggiungere spessori molto piccoli per ogni singolo livello aumentando quindi la risoluzione dell’oggetto finale.

Una trattazione completa e dettagliata su tutte le tecniche va oltre lo scopo di questo articolo, di seguito ci limiteremo a trattare quelle tecniche che sono più alla portata dell’utente hobbystico evidenziandone le caratteristiche, i materiali utilizzabili , i pro e i contro.

Fusione di filamento | FDM

Schema di funzionamendo della fused deposition modeling

Rientrante nella famiglia della manifattura additiva ad estrusione di materiale la stampa a fusione di filamento è attualmente quella maggiormente diffusa a livello hobbystico.

Il principio di funzionamento si basa sulla fusione di un materiale plastico ( filamento ) che viene portato ad uno stato semi liquido attraverso un estrusore con un blocco riscaldante. L’estrusore viene mosso su una base dove deposita strato su strato il materiale che, una volta fuoriuscito dall’estrusore, tende a solidificarsi nuovamente riuscendo ad assumere la forma finale desiderata.

L’altezza di ogni singolo strato varia da stampante a stampante, ma siamo nell’ordine di grandezza dei 100/200 micron (un micron è un milionesimo di un metro, per riferimento un capello è spesso circa 80 micron).

Materiali utilizzabili

I primi modelli di stampanti FDM usavano principalmente due tipologie di materiali termoplastici sotto forma di filamenti tipicamente delel dimensioni di 1,75 mm o 3 mm: l’ABS e il PLA.

L’ABS ( acrilonitrile butadiene stirene ) è un materiale termoplastico derivante dal petrolio che per essere fuso deve raggiungere circa i 230°, tipici oggetti realizzati in ABS sono i mattoncini LEGO.

Il PLA ( acido polilattico ) invece è un materiale plastico biodegradabile derivante da ricorse rinnovabili come l’amido di mais o la canna da zucchero, la cui temperatura di fusione è di circa 190°.

Nel tempo si sono sviluppati molti altri materiali tra cui il Nylon, TPU, PET, filamenti rinforzati a fibre di carbonio, materiali sintetici che hanno rese estetiche analoghe a legno o metallo o dalle elevata elasticità, oltre che materiali meno “classici” come ceramica o cioccolato.

Nel recente periodo stanno emergendo anche soluzioni multi materiale / multicolore per permettere di ottenere processi di stampa sempre più flessibili.

Pro

Costi di produzione molto bassi
Ampia scelta di materiali
Possibilità di stampe multicolore/multimateriale

Contro

Limitata accuratezza delle dimensioni
Tempi lenti di realizzazione
Impossibilità nel realizzare forme estremamente complesse senza utilizzo di supporti

Costo

I costi delle stampanti FDM variano molto in considerazione delle caratteristiche delal stampante, come dimensioni di stampa, capacità di stampare con svariati materiali, presenza o meno di un piatto di stampa riscaldato, nonché dal fatto che al stampante sia assemblata e pronta all’uso piuttosto che in un kit da montare e tarare. Il range di costo varia da un centinaio di euro per i modelli base al svariate migliaia di euro.

I filamenti invece partono da circa 20 € per una bobbina da 1Kg di materiali classici come PLA/ABS a salire.

Tra le più economiche

Monoprice Mini Delta

La Monoprice Mini Delta è una stampate 3D delta già assemblata con un volume di stampa minimo che la rendono una delle stampanti più economiche attualmente sul mercato. Le principali caratteristiche sono la calibrazione automatica e un’ampia scelta di opzioni di connettività.

Produttore: Monoprice
Nazionalità: USA
Anno di lancio: 2018
Dimensioni di stampa (mm): 110 D x 120 H
Materiali stampabili: PLA, PETG

Prezzo approssimativo: 150€

Il miglior rapporto qualità prezzo

Alfawise U30 Pro

La Alfawise U30 Pro è una stampante 3d in kit da montare prodotta direttamente da GearBest e basata sulla stampante Longer 3d LK2. Le principali caratteristiche sono una licenza open source, un piatto di stampa riscaldato e la capacità di riprendere la stampa anche a seguito di un’interruzione dell’alimentazione e uno schermo touch da 4.5 pollici.

Produttore: Alfawise
Nazionalità: Cina
Anno di lancio: 2019
Dimensioni di stampa (mm): 1220 x 220 x 250 mm
Materiali stampabili: ABS, PLA, PETG, PVA, TPU

Prezzo approssimativo: circa 200€ da magazzino Europeo da Gearbest

Tra le migliori

Ultimaker 3 Extended

La Ultimaker 3 Extended è una stampante 3d già assemblata con un volume di stampa imponente forte dei suoi 215 x 215 x 300 mm per stampa con un solo nozzle e 197 x 215 x 300 mm per stampe a doppio nozzle. Le caratteristiche principali sono la presenza del doppio estrusore, la possibilità di cambiare velocemente varie dimensioni dei nozzle, e le dimensioni di stampa molto generose.

Produttore: Ultimaker
Nazionalità: Olanda
Anno di lancio: 2016
Dimensioni di stampa (mm): 1215 x 215 x 300
Materiali stampabili: ABS, CPE, HIPS, PLA, PVA, PETG,

Prezzo approssimativo: 4000€

Esempi di lavorazioni

Stereolitografia | SLA e
Digital Light Processing | DLP

schema di funzionamento della stereplithography

Le stampati che usano la tecnica della stereolitografia adottano una sorgente luminosa laser ad ultravioletti il cui punto focale viene direzionato mediante degli specchi su una vaschetta piena di resina fotosensibile ai raggi UV permettendo l’indurimento di quello specifico punto. Una polimerizzato il livello in lavorazione la base su cui vine poggiato l’oggetto che si sta creando viene spostato verso il basso e si procede con il livello successivo.

Le stampanti 3D in resina hanno la capacità di creare oggetti molto più dettagliati rispetto alle stampanti a filamento essendo limitate dalla dimensione del punto generato dal raggio laser.

Possiamo definire le stampanti DLP come le sorelle minori delle stampanti SLA. La differenza sta nella sorgente luminosa che nel caso delle SLA è una sorgente laser, mentre nelle stampanti DLP è uno schermo.

Questo permette di realizzare un livello tutto insieme permettendo di ridurre lievemente i tempi rispetto alla SLA.

Di contro il fatto che la proiezione della luce derivi da uno schermo comporta che l’oggetto risultante sia composto da dei piccoli mattoncini quadrati, dovuti ai pixel da cui è formato lo schermo, chiamati voxel.

Una considerazione importante per questo processo di stampa è che necessita obbligatoriamente di una fase di post-produzione che consiste, almeno, nel lavaggio dell’oggetto con alcol isopropilico per rimuovere i residui di resina non polimerizzati.

Proprio per questo motivo si sconsiglia l’uso di queste stampanti in ambienti non ben attrezzati o quanto con una scarsa aerazione.