Stampanti 3D: come funzionano

Stampanti 3D
Stampanti 3D:  FDM

Quasi tutti abbiamo sentito parlare delle Stampanti 3D, descritte a volte come dispositivi dalle potenzialità quasi illimitate, che sarebbero in grado di riprodurre pressochè qualsiasi oggetto in 3 dimensioni, da un’intera automobile, fino a ville con porticato e giardinetto.

Ma cosa sono realmente in grado di fare le Stampanti 3D disponibili sul mercato a prezzi abbordabili e dalle misure compatibili con un’abitazione o un ufficio?

 

Funzionamento delle Stampanti 3D

Le Stampanti 3D hanno una logica di funzionamento sostanzialmente analoga a quella delle tradizionali stampanti 2D, con la differenza che il materiale usato per la stampa e gli ugelli vengono gestiti nello spazio tridimensionale mediante un software che sposta la testina simultaneamente sui tre assi x-y-z. L’inchiostro 3D, normalmente un tipo di plastica, ha la proprietà di poter solidificare in tempi brevi, e viene introdotto all’interno della stampante sotto forma di fili disponibili in apposite matasse. Mediante il riscaldamento di questi fili si determina la fusione temporanea del materiale plastico, che consente di plasmarlo in diverse forme.

Stampanti 3D
Stampante 3D FDM

Il “filo”, che può essere più o meno sottile per aumentare la definzione della stampa, viene collocato dall’ugello esattamente nel punto prestabilito e, posizionando un gran numero di tali “fili” su strati sovrapposti, si crea l’oggetto in 3 dimensioni.

Stampanti 3D
Materiale di fusione per stampanti 3D FDM

Questo modo di stampare in 3D viene chiamato in inglese FDM (Fused deposition modeling), cioè modellazione a deposizione fusa. Il movimento degli ugelli viene controllato da un software CAM (Computer-aided manufacturing) simile a quello delle macchine utensili a controllo numerico.

 

Utilizzi delle Stampanti 3D

A differenza delle frese a controllo numerico, che sottraggono materiale da un pezzo di materiale grezzo, le Stampanti 3D utilizzano una tecnica additiva, cioè creano l’oggetto aggiungendo progressivamente materiale.

Stampanti 3D
Procedura di stampa 3D FDM in materiale plastico

Le stampanti 3D possono essere utilizzate per la creazione e l’invio a distanza di molteplici tipologie di oggetti, tra i quali ad esempio:

  • prototipi e modelli di componenti di macchinari
  • prototipi vari, ad esempio contenitori
  • in ambito medico, stampaggio di protesi, con la possibilità di invio anche a distanza
  • stampaggio in 3 dimensioni di scansioni per utilizzo medico
  • stampaggio di prodotti di utilizzo comune, utensili, contenitori, componenti meccanici, anche in metallo con le tecniche di stampa apposite

Vantaggi della stampa 3D:

  • possibilità di invio a distanza del file 3D e stampa dell’oggetto ovunque sia disponibile una stampante 3D idonea
  • possibilità di creazione immediata di prototipi partendo direttamente da un file elaborato da un computer
  • capacità di creare e modificare prototipi in tempi brevi
  • possibilità di personalizzare gli oggetti partendo da un prototipo di base
  • si può stampare in diversi materiali, plastica, metallo, leghe metalliche, ceramiche, materiali vetrosi, utilizzando la tecnica di stampa 3D idonea (la maggior parte delle stampanti 3D stampano in materiali plastico
  • con stampanti 3D appositamente progettate, possibilità di stampare oggetti di grandi dimensioni, comprese abitazioni, elementi di costruzioni edili, arredi da esterno
  • possibilità di stampare componenti complessi di macchinari in leghe metalliche, utilizzabili anche come prototipi

 

Altre tecniche di stampaggio in 3D:

SLS: (Selective laser sintering), che è un tipo di stampa dove il materiale polverizzato viene fuso e solidificato nella forma voluta da un fascio laser pulsato ad alta potenza. Il risultato è un oggetto in alta definizione che può essere realizzato in vari materiali, resina, ceramica, vetro. Queste stampanti sono disponibili per uso industriale e consentono di produrre pressochè qualsiasi oggetto, parti di motori, scocche di utensili, collettori di scarico, etc.

DMLS: (Direct metal laser sintering), utilizza un Laser ad anidride carbonica che determina la fusione di strati di metallo polverizzato. Simile alla SLS, ma può stampare in acciaio inossidabile, titanio, leghe ad alta resistenza.

SLM: (Selective Laser Melting): consente di realizzare oggetti in 3D con caratteristiche meccaniche analoghe a quelle delle tecniche di fusione più tradizionali. Si possono utilizzare materiali quali: acciaio inossidabile, acciai ad alta resistenza, titanio, leghe di alluminio.

Stampanti 3D
Stampa 3D di oggetti complessi

EBM (Electron beam melting): utilizza un fascio di elettroni ad alta energia per fondere un materiale metallico in polvere posto in una camera sottovuoto. Consente lavorazioni di metalli in assenza di ossigeno, evitando reazioni chimiche con ossigeno durante la lavorazione. Questa tecnica è utilizzata in campo aeronautico, aerospaziale e biomedico. In particolare nella fusione di leghe di Titanio (Ti6-Al4V, oppure titanio puro) per la creazione di protesi articolari biomediche per l’impianto stabile nell’uomo o nell’animale.

 

Tecniche di stampa per prototipi

LOM (Laminated Object Manufacturing): è un sistema di stampaggio 3D utilizzato per creare prototipi sviluppato da Helisys Inc. Con questa tecnica strati di carta adesiva, plastica o laminati metallici vengono successivamente incollati insieme e tagliati nella forma voluta cutter laser. Gli oggetti stampati con questa tecnica possono essere ulteriormente modificati mediante lavorazione o perforazione dopo la stampa.

Stampanti 3D
Scansione e stampa 3D

DLP (Digital light processing): una vasca riempita di polimero liquido viene esposta alla luce di un proiettore DLP in condizioni di luce inattinica. Il polimero liquido esposto si indurisce. La piastra di costruzione poi si muove verso il basso con piccoli incrementi e il polimero liquido viene di nuovo esposto alla luce. Il processo si ripete finché il modello non è completamente costruito. Il polimero liquido è poi drenato dalla vasca, lasciando il modello solido.

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Inserimento del materiale di stampa

SLA (Stereolithography): la Stereolitografia (SLA o SL), conosciuta anche come stampa a fabbricazione ottica, foto-solidificazione, solid imaging e stampa a resina, è una fabbricazione additiva o tecnologia di stampa 3D utilizzata per la produzione di modelli, prototipi, modelli e parti di produzione uno strato alla volta utilizzando metodi litografici. Con questa tecnica ad esempio colpendo una resina foto-reattiva con un laser UV.

PP  Plaster based 3D printing: con questo metodo le Stampanti 3D utilizzano una speciale testina inkJet che agisce su un letto di polvere di gesso, amidi o resine e un materiale legante. La stampa 3D avviene uno strato alla volta fino al completamento dell’oggetto. La stampa avviene molto velocemente ed è inoltre possibile miscelare un colore al legante creando oggetti colorati in maniera molto realistica. Tuttavia l’impasto solidificato di polvere e legante ha una resistenza molto scarsa e non può essere utilizzato per costruire parti soggette a sollecitazioni.

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