Tra le domande più comuni c’è “come funziona una stampante 3D?”
La risposta è in realtà piuttosto complicata.
La complessità è perché in realtà esistono molti tipi di stampanti 3D e alcune sono molto diverse l’una dall’altra. Ma tutti i processi di stampa 3D hanno almeno una cosa in comune: sono additivi.
Per “additivo”, intendiamo l’opposto di “sottrattivo”, che è il metodo di fabbricazione con cui le persone hanno più familiarità: iniziare con un pezzo di materiale e intagliare, perforare, segare, bruciare o altrimenti rimuovere (sottrarre) il materiale per “rivelare” l’oggetto desiderato.
D’altra parte, “additivo” è un processo in cui si inizia senza nulla e si aggiunge materiale fino a completare l’oggetto desiderato. I due approcci sono completamente diversi. Le tecnologie sottrattive in genere lasciano un bel po’ di spreco, mentre l’additivo tende a utilizzare solo il materiale necessario per l’oggetto stesso.
Con una notevole eccezione (ne parleremo più avanti), i processi di stampa 3D operano strato per strato. Viene prodotto un singolo strato, poi un altro sopra di esso. Questo processo si ripete fino al completamento dell’oggetto. Le differenze tra i processi di stampa 3D sono nel modo in cui questi strati si formano, poiché ci sono molti modi unici per farlo.
Qualcuno potrebbe dire che esistono due tipi di stampa 3D: filamento e resina, ma questo è molto lontano dalla verità. Questi potrebbero essere i due materiali più popolari, ma in realtà ci sono dozzine di processi di stampa 3D.
Grafico dei materiali e dei processi additivi standard [Fonte: ASTM / ISO]
Sebbene quel numero sia alto – e in continua crescita – praticamente tutti rientrano in una delle sette definizioni ISO dei processi di stampa 3D:
Getto di materiale
Fusione a letto di polvere
Getto di legante
Deposizione di energia diretta
Estrusione di materiale
Laminazione a foglio
Polimerizzazione in vasca
Potresti leggere di diversi processi di stampa 3D di fornitori commerciali, ma i nomi dei marchi di tali processi rientrano quasi sempre in una delle sette categorie sopra. “MSLA”, ad esempio, è un metodo comune utilizzato dalle stampanti 3D in resina economiche, ma è in realtà una variazione della polimerizzazione in vasca. Allo stesso modo, “FDM” è il marchio Stratasys per la loro forma di estrusione di materiale.
Ma cosa sono esattamente questi sette metodi? Diamo una rapida occhiata.
Getto di materiale
Stampe 3D a spettro 3D a colori realizzate da PolyJet
Questo processo prevede il deposito di minuscole goccioline di materiale su una superficie di costruzione per formare strati. In genere viene eseguita utilizzando testine di stampa a getto d’inchiostro ad alta risoluzione che possono depositare materiale liquido che può solidificarsi, di solito con l’esposizione alla luce UV.
Materiali tipici: polimeri
Provider di esempio: Stratasys PolyJet
Fusione del letto di polvere
Processo SLS a letto di polvere in corso, stampa di oggetti a colori
Esistono molte forme di questo processo, in cui uno strato sottile e piatto di polvere sciolta viene adagiato con cura. Quindi una fonte di energia, di solito un laser, traccia la superficie della polvere, fondendo insieme le particelle ovunque colpisca. Gli strati successivi di polvere vengono applicati e solidificati fino a quando l’oggetto non è completo e sepolto in polvere sciolta.
Materiali Tipici: Polimeri, Metalli, Ceramica
Provider di esempio: soluzioni SLM, GE Additive, EOS, 3D Systems SLS e molti altri
Getto di legante
Stampa 3D in rame realizzata con getto di legante
Il getto del legante è un po’ una combinazione di fusione del letto di polvere e getto di materiale. Il materiale è davvero la polvere e ciò che viene spruzzato è “colla” che fa fondere insieme porzioni di ogni strato. Ancora una volta, questo si ripete con successivi strati di polvere e legante per completare l’oggetto. Si noti che molti di questi sistemi richiedono una post-elaborazione per finalizzare l’oggetto, magari attraverso un trattamento termico o una sinterizzazione.
Materiali Tipici: Polimeri, Metalli, Ceramica
Provider di esempio: HP MJF, Digital Metal, XJET, molti altri
Deposizione di energia diretta
Dettaglio di una stampa DED 3D realizzata da MX3D
“DED” è un processo in cui il materiale viene presentato a una testa portautensile e l’energia, solitamente un potente laser o arco elettrico, fonde istantaneamente il materiale, che si fonde sulle strutture vicine. Spesso il materiale è un filo di ingresso solido, ma a volte è una polvere. Spostando la testa dello strumento nello spazio 3D, è possibile costruire un oggetto, e ancora una volta questo viene fatto spesso in livelli orizzontali.
Materiali tipici: metalli
Provider di esempio: MX3D, AML3D, MELTIO, altri
Estrusione di materiale
Stampa 3D FFF
La stampa 3D a filamento, o FFF, è questo tipo, in cui un materiale termoplastico viene ammorbidito dal calore. Viene quindi spinto attraverso un ugello da una testa portautensili mobile che traccia la struttura dell’oggetto. Strato dopo strato, l’oggetto viene gradualmente costruito.
Materiali tipici: polimeri, alcuni metalli se la sinterizzazione viene eseguita dopo la stampa
Provider di esempio: Stratasys, Prusa Research, Creality, Anycubic, molti altri
Laminazione a foglio
Stampa 3D su carta realizzata da MCOR
Questa è ora una forma molto rara di stampa 3D e non sono sicuro che sia particolarmente additiva, poiché richiede passaggi sottrattivi. Fondamentalmente, viene posato un foglio di materiale – polimero, carta o altra sostanza – e una lama taglia il contorno dello strato. Poiché questi fogli sono incollati selettivamente, l’oggetto è costruito. Al termine, le porzioni al di fuori del perimetro dell’oggetto vengono semplicemente sollevate via, poiché i tagli si allineano verticalmente.
Materiali tipici: polimeri, carta
Polimerizzazione in vasca
Stampa in resina realizzata con un dispositivo MSLA
Questo è il secondo approccio più popolare e si basa sulle proprietà chimiche dei fotopolimeri. Si tratta di molecole speciali che si legano (o “polimerizzano”) quando vengono esposte a determinate frequenze di luce. Il processo prevede una vasca di resina fotopolimerica che viene esposta selettivamente a questo tipo di luce, solitamente mediante un laser, un proiettore DLP o una sorgente di luce mascherata. Quando ogni strato si indurisce, la resina fresca si riversa per prepararsi allo strato successivo.
Materiali tipici: resine polimeriche e ceramiche
Provider di esempio: 3D Systems SLA, Stratasys RPS, Anycubic, Phrozen, Creality e molti altri
Quale processo di stampa 3D?
Ogni approccio ha vantaggi e svantaggi, a volte in modo abbastanza drammatico. Anche l’elenco dei possibili materiali da utilizzare in ciascun processo è piuttosto limitato. Ad esempio, è quasi impossibile realizzare una pratica resina fotopolimerica metallica, quindi la produzione di metallo è per lo più limitata alla fusione a letto di polvere, al getto di legante e ai sistemi di estrusione del materiale.
Il risultato è che abbiamo una serie di possibili soluzioni di stampa 3D e di solito ce n’è una che è la migliore per ogni dato lavoro. È fondamentale selezionare il processo e il materiale corretti, altrimenti l’applicazione potrebbe non riuscire.
A differenza di quanto molti potrebbero supporre, avere “una stampante 3D” non significa che puoi stampare qualsiasi cosa. I laboratori di solito hanno diversi tipi di stampanti 3D per coprire il maggior numero possibile di basi.
Ciò che tutte le stampanti 3D hanno in comune è che possono affrontare oggetti incredibilmente complessi. Ci sono molte geometrie che sono letteralmente impossibili da realizzare con qualsiasi altra tecnologia.
Prendi in considerazione lo stampaggio a iniezione: non puoi realizzare un oggetto con “parti dentro”, perché nessuno stampo potrebbe farlo. Ma con qualsiasi processo di stampa 3D questo è un approccio semplice.
Solo strato per strato?
Come accennato in precedenza, la maggior parte dei processi di stampa 3D sono affari strato per strato, che possono effettivamente produrre quasi tutte le geometrie che puoi immaginare.
Tuttavia, tale capacità ha un costo. Mentre uno stampo a iniezione può produrre “tutti gli strati” contemporaneamente, i processi di stampa 3D devono procedere attraverso ogni singolo strato per completare l’oggetto. Questo di solito significa che i processi di stampa 3D sono molto più lenti rispetto alla maggior parte dei metodi di produzione tradizionali.
A causa di quella bassa velocità, la stampa 3D viene lentamente adottata dall’industria, che di solito richiede una rapida inversione di tendenza. Tuttavia, i produttori e i ricercatori di stampanti 3D continuano a identificare modi per accelerare i sette processi di stampa 3D di base sopra elencati.
Il futuro — e oltre
Costruire oggetti strato dopo strato può richiedere molto tempo e i ricercatori hanno ora identificato un metodo di stampa 3D che potrebbe essere fino a 100 volte più veloce. Il nuovo approccio è noto come stampa 3D “volumetrica” ed è una variazione della polimerizzazione in vasca.
La stampa 3D volumetrica funziona grazie a una grande vasca rotante di resina fotopolimerica e un proiettore. Il proiettore emette schemi di luce in profondità nella resina e, mentre la vasca ruota, gli schemi cambiano. Questi modelli sono essenzialmente “raggi X” dell’oggetto previsto. Quando l’energia si accumula in alcune aree frequentemente esposte ai modelli di luce, la resina si solidifica. Questo essenzialmente costruisce l’oggetto “tutto in una volta” invece di strato dopo strato.
Al momento non ci sono stampanti 3D volumetriche commerciali sul mercato, ma almeno una è in fase di sviluppo. Può darsi che nel prossimo futuro vedremo emergere nuovi dispositivi in grado di produrre letteralmente nuovi oggetti in pochi minuti o secondi.
Fino ad allora, dovrai accontentarti dei numerosi processi di stampa 3D di oggi.
