Stampa 3d – Tecniche di Additive Manufacturing

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

monoprice mini delta 3d printer

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

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

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.

Materiali utilizzabili

Le stampanti a resina usano una grande varietà di resine fotosensibili. La maggior parte hanno una lunghezza d’onda di polimerizzazione di 405 nm ( raggi UV, il che le rende utilizzabili anche in ambienti con luce senza paura che si induriscano, a meno di non essere esposti direttamente a raggi UV…tipo i raggi diretti del sole).

Al momento la maggior parte dei prodotti in vendita sono materiali proprietari ognuno con delle caratteristiche specifiche, come ad esempio la resistenza alle alte temperature, le resine specifiche per applicazioni dentali, resine in grado di essere usate come stampi per la realizzazione di gioielli e via dicendo.

Ovviamente in base alle caratteristiche (e per assurdo anche alle colororazioni) richieste variano i costi delle stesse. 

Una versione “base” di resina sensibile ai raggi UV da 1 litro si aggira introno ai 20€ a salire.

Pro

  • Eccelsa qualità di stampa
  • Costi in diminuzione

Contro

  • Necessità di elevata post produzione
  • Non adatto ad ambienti poco areati

Costo

Fino a pochi mesi fa i costi per questa tecnologia erano lievemente più alti rispetto a quelli della FDM e si attestavano intorno ai 3000€ per una delle stampanti di questa categoria diffusa in vari laboratori semi amatoriali (devi riquadro sotto). Ultimamente si stanno invece diffondendo delle stampanti a costi decisamente inferiori di questa famiglia che sfruttano una sorgente luminosa diversa, le DLP che spesso vengono indicate online come SLA a basso costo, ma una minima differenza c’è come spiegato sopra.

Tra le più economiche

Elegoo  Mars Pro

Stampante MSLA Elegoo Mars pro

L’Elegoo Mars Pro ( successore della Elegoo Mars) è una stampate 3D MSLA (masked SLA) che utilizza un array di LED come sorgente luminosa. Le dimensioni seppur contenuto, sono in linea con le dimensioni delle altre stampanti SLA hobbystiche.

Produttore: Elegoo
Nazionalità: Cina
Anno di lancio: 2018
Dimensioni di stampa (cm): 11,51 (L) x 6,5 (P) x 15 (H)
Materiali stampabili: Resine UV
Tecnologia: fotopolimerizzazione UV LCD
Risoluzione XY: 0,047 mm (2560 * 1440)
Precisione asse Z: 0,00125 mm
Spessore dello strato: 0,01-0,2 mm;
Velocità di stampa: 22,5 mm / h
Peso: 7,5 kg

Prezzo approssimativo: circa 250€ su Amazon

Il miglior rapporto qualità prezzo

Anycubic Photon S

Anycubic Photon S

L’Anycubic è stata una delle prime aziende a portare sul mercato delle stampanti MSLA in una fascia di prezzo accessibile a livello hobbystico. Come caratteristiche è molto simile alla Elegoo Mars sopra, con una dimensione di stampa lievemente maggiore ( 115mm *65mm *165mm ) e soprattutto una doppia guida lineare sull’asse  z con vite senza fine che permette di arrivare ad una precisione di 25 micron lungo l’asse verticale, uno schermo touch da 2,5 pollici e un software proprietario per lo slicing.

Produttore: Anycubic
Nazionalità: Cina
Anno di lancio: 2018
Dimensioni di stampa (cm): 115mm *65mm *165mm
Materiali stampabili: Resine UV
Tecnologia: fotopolimerizzazione UV LCD
Risoluzione XY: 0,047 mm (2560 * 1440)
Precisione asse Z: 0,00125 mm;
Spessore dello strato: 0,01-0,2 mm;
Velocità di stampa: 20 mm / h
Peso: 6 kg

Prezzo approssimativo: 450€ (Amazon) o 300€ (Banggood)

Tra le migliori a livello desktop

Formlab Form 3

formlabs-form-3

Produttore: Formlab
Nazionalità: USA
Anno di lancio: 2020
Dimensioni di stampa: 14.5 × 14.5 × 18.5cm
Materiali stampabili: Resine UV
Tecnologia: Low Force Stereolithography (LFS)™

Prezzo approssimativo: 3300€

Esempi di lavorazioni

Selective Laser Sintering | SLS

schema di funzionamento selective laser sintering

Una delle prime tecniche di manifattura additiva è la tecnica della sintesi laser selettiva (SLS).  Tipicamente consiste in una vaschetta di materiale finemente polverizzato che viene sparso su una superficie, e un laser viene utilizzato per sintetizzare le poveri insieme  Man mano che l’oggetto da stampare cresce le polveri vengono aggiunte. Questa tecnica permette di ottenere oggetti molto dettagliati e hanno il vantaggio di non aver bisogno di supporti in quanto il materiale in polvere che non viene catalizzato dal laser può poi essere rimosso e recuperato, anche se questo tipo di tecnica non è facile da gestire e ha dei costi molto alti rispetto alle altre tecniche.

Un processo simile ma che permette la stampa dei metalli e la Sintetizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) che è l’equivalente della SLS utilizzata per delle poveri metalliche. Per poter funzionare però questi macchinari hanno bisogno di essere completamente chiusi e riempiti di un gas inerte.

Sempre nell’ambito della stampa dei metalli vi sono inoltre altri due processi: la fusione a laser selettiva (selective laser melting , SLM) e la fusione a fascio di elettroni ( electron beam melting, EBM) che utilizzano l’alta potenza per poter fondere la polvere di metallo.

Materiali utilizzabili

Le polveri utilizzate per essere sintetizzate (o fusione nel caso della SLM) possono essere formate da polimeri plastici o metallici.

Pro

  • Possibilità di realizza oggetti molto complessi
  • Può realizzare oggetti in metallo

Contro

  • Cosati molto elevati
  • Necessitano di ambienti di utilizzo ad hoc
Esempi di lavorazioni
Esempio di sintetizzazione laser selettiva

Laminated Object Manufacturing | LOM

Schema di funzionamento della laminated object manufacturing

Un processo di manifattura additiva meno conosciuto rispetto a quelli citati finora è la LOM. Questo processo consiste nel tagliare un rotolo di materiale (il più comune è la carta) e mediante una resina che fa da collante sovrapporre strato su stato questi “fogli” di materiale tagliato (questa tecnica è detta anche Sheet Manufacturing proprio per la sua caratteristica di sovrapporre fogli di materiale tagliato uno sopra l’altro fino ad ottenere l’oggetto finale).

Il vantaggio di questa tecnica è sicuramente quello di utilizzare materiali più facilmente reperibili, inoltre in base al tipo di resina utilizzata come legante tra i fogli si possono ottenere caratteristiche di rigidità e tenuta alle sollecitazioni diverse.

Questo processo produttivo è generalmente meno costoso dei precedenti potendo utilizzare come materia prima della semplice carta, ma risente anche di una minore accuratezza e della necessità di trattare gli oggetti una volta terminati soprattutto se questi devono venire a contatto con liquidi o altre sostanza che potrebbero essere assorbite dalla carta.

Materiali utilizzabili

Il materiale più comunemente usato per questa tecnica di manifattura additiva è la carta, legata insieme mediante delle resine che fungono da collante.

Esistono anche versioni che usano plastiche, ceramiche o fogli di metallo come materie prime, ma sono molto rari.

Pro

  • costi delle materie prime ridotti
  • finitura dei pezzi simili al legno

Contro

  • Poca accuratezza nella produzione degli artefatti
  • Poca resistenza degli oggetti finali agli agenti esterni se non trattati
Esempi di lavorazioni
Oggetto stampato con la tecnica di manifattura additiva LOM

Vantaggi della Manifattura Addivita

La manifattura additiva è senza dubbio un campo della produzione da tenere ben in conto considerati i suoi rapidi sviluppi. I materiali da poter stampare aumentano sempre di più e le aziende che si affidano alla stampa 3d per la fase di prototipazione (ma ormai anche di produzione data l’ottima qualità degli artefatti prodotti) crescono di giorno in giorno riuscendo ad abbattere tempi e costi di produzione. 

É da considerare che grazie alla stampa 3d è possibile creare delle produzioni personalizzate poiché questa tecnica abbatte i costi di configurazione rispetto alle equivalenti produzioni per la realizzazione di oggetti di massa (ad esempio l’injection molding). Infatti a fronte di un tempo di produzione per singola unità più lungo e un costo per singolo prodotto maggiore, si ha un costo per pezzo pressoché identico se si produce 1 solo oggetto così come se se ne producono centinaia o migliaia.

Inoltre questa tecnica se ben utilizzata offre una flessibilità difficilmente paragonabile a qualsiasi altra tecnica di produzione.

Ecco i principali vantaggi della manifattura additiva:

  • Prototipazione rapida
  • Realizzazione di geometrie complesse (rispetto alla tecniche di manifattura sottrattive)
  • Realizzazione di oggetti con materiali diversi (sia per tipo che per caratteristiche)
  • Produzione personalizzata
  • Costi di produzione ridotti per tirature nell’ordine delle centinaia di unità rispetto alle attuali tecniche di realizzazione

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