Tecnologie per la stampa 3D: Parte 1

Negli ultimi anni, grazie al ridotto costo, si sono diffuse in tantissimi ambiti le tecnologie di stampa 3D per la realizzazione di oggetti dalle forme e dimensioni più variegate, nonché con materiali differenti tra di loro. In linea generale, le stampanti 3D funzionano con processi di costruzione cosiddetti additivi in quanto aggiungono materiale per andare a formare l’oggetto desiderato. Tuttavia, le tecnologie di stampa 3D sono innumerevoli e differiscono per processo, tipo di materiale e risultato finale. In questo articolo andremo ad osservare le caratteristiche tecniche dei processi di stampa 3D più diffusi in ambito industriale e makers.

Introduzione

La stampa 3D non è un’invenzione recentissima ma solo nell’ultimo decennio si è diffusa in maniera significativa grazie alla realizzazione di stampanti a basso costo. Le stampanti 3D “tradizionali” hanno guadagnato un ruolo fondamentale tra i makers e le piccole aziende nel processo di realizzazione prototipale e di piccole serie. Tuttavia, la stampa 3D è un termine generico che indica innumerevoli tecnologie di stampa e di possibili materiali da utilizzare per il prodotto finito. Solo attraverso la corretta scelta della combinazione più adatta di tecnologia e materiale di stampa possiamo andare a realizzare oggetti con caratteristiche e finiture adatte al nostro progetto. Grazie alla tipologia di processo costruttivo, che ricordiamo essere un processo di tipo additivo, riusciamo ad avere anche un impatto positivo sul costo complessivo di realizzazione dell’oggetto con la riduzione dello scarto della lavorazione.

Materiali per la stampa 3D

Abbiamo detto che la scelta del materiale di stampa per la realizzazione dei nostri oggetti 3D è fondamentale in quanto determina sia le caratteristiche meccaniche e visive dell’oggetto che si andrà a realizzare sia la tipologia di processo da applicare, e dunque avrà impatto sulla complessità e costo di realizzazione dell’oggetto. Ci sono diversi materiali che possono essere utilizzati per la stampa 3D, ognuno con le proprie caratteristiche e proprietà. Ecco alcuni esempi di materiali di stampa 3D:

PLA: è uno dei materiali di stampa 3D più comuni. Si tratta di un polimero biodegradabile e derivato da fonti rinnovabili come l'amido di mais o la canna da zucchero.
ABS (acrilonitrile butadiene stirene): è un polimero termoplastico che si fonde a una temperatura relativamente bassa e che è molto resistente agli urti e alle sollecitazioni meccaniche.
Nylon: è un polimero termoplastico resistente all'abrasione e molto elastico, che può essere utilizzato per la produzione di parti funzionali e di alta qualità.
PETG (glicole polietilenico): è un materiale termoplastico molto resistente all'urto e ai raggi UV, che viene spesso utilizzato per la produzione di bottiglie e contenitori per alimenti.
Policarbonato: è un materiale termoplastico trasparente e resistente alle sollecitazioni meccaniche, che viene spesso utilizzato per la produzione di parti per applicazioni automotive e aeronautiche.
TPU (poliuretano termoplastico): è un materiale elastico e resistente alla deformazione, che può essere utilizzato per la produzione di parti flessibili come guarnizioni e soffietti.
Metallo: la stampa 3D in metallo viene spesso utilizzata per la produzione di parti per applicazioni aerospaziali e mediche, ed è possibile utilizzare diversi metalli come l'acciaio inossidabile, il titanio e l'alluminio.
Ceramica: la stampa 3D in ceramica realizzata con apposite stampanti e con processi successivi di cottura consente di produrre oggetti con una grande precisione e dettaglio, ed è spesso utilizzata per la produzione di prototipi di manufatti in ceramica come le stoviglie.
Legno: la stampa 3D con questo materiale permette di produrre parti con una texture simile al legno, utilizzando materiali come il lignaggio, l'amido di patate o anche il legno vero e proprio.

Tra tutti questi materiali, i metalli sono quelli più interessanti per il risultato finale del processo. In realtà, come vedremo anche nei paragrafi successivi, gli oggetti con materiali metallici vengono realizzati a partire da polveri di metalli e leghe. Queste sono particelle finissime che possono variare in termini di composizione chimica, dimensione delle particelle e forma. La scelta della polvere appropriata dipende dalle specifiche del processo di stampa 3D e dalle proprietà meccaniche richieste dalla parte finale. Queste polveri di metalli possono essere prodotte mediante diversi metodi, tra cui l'atomizzazione, il trattamento termico di sferoidizzazione e macinazione. La tecnica di atomizzazione è la più utilizzata ed è basata sulla produzione di una pioggia di gocce di metallo fuso che vengono raffreddate rapidamente fino a formare le particelle di polvere. Queste particelle possono essere sferoidali, con una forma a goccia, o angolari, con una forma più irregolare. Le leghe metalliche utilizzate nella stampa 3D sono costituite da una combinazione di metalli e altri elementi. La composizione della lega può essere ottimizzata per migliorare le proprietà meccaniche, la resistenza alla corrosione e la lavorabilità. Le polveri di leghe metalliche possono essere prodotte mediante gli stessi metodi di produzione delle polveri di metalli. Le polveri di metalli e leghe utilizzate nella stampa 3D devono essere di alta qualità e con un alto grado di purezza. La presenza di impurità può causare difetti nella parte finale e ridurre la sua resistenza e durata.

Tecnologie di stampa più diffuse

Come già anticipato, esistono differenti tecnologie di stampa 3D che presentano caratteristiche peculiari sia in termini di processo di realizzazione che in termini di materiali adoperati, da cui le caratteristiche fisiche e meccaniche degli oggetti realizzati. Queste possono essere sintetizzate nelle seguenti 10 tipologie:

Fused Deposition Modeling (FDM)
Stereolithography (SLA)
Selective Laser Melting (SLM)
Selective Laser Sintering (SLS)
Multi Jet Fusion (MJF)
Digital Light Processing (DLP)
Electronic Beam Melting (EBM)
Laminated Object Manufacturing (LOM)
Binder Jetting (BJ)
Material Jetting (MJ)

Di seguito, andremo ad osservare nel dettaglio le prime 4 tecnologie di stampa 3D in quanto risultano tra le tecnologie maggiormente diffuse nei processi di prototipazione rapida grazie alla tipologia di materiali adoperati, al costo del processo e al costo dell'oggetto finale.

1. Fused Deposition Modeling

Il processo Fused Deposition Modeling (FDM), in italiano modellazione a deposizione fusa o anche a filamento fuso, è il più comune processo di stampa 3D che tutti conosciamo grazie alla caratteristiche quali la semplicità della struttura di stampa e il basso costo dell'oggetto prodotto. Il principio di funzionamento è molto simile alle stampanti a getto di inchiostro ma, anziché le testine, abbiamo a disposizione un estrusore che scioglie un filamento utilizzato per la stampa.

Figura 1

Dato il modello 3D dell'oggetto che si vuole realizzare, allora il processo di stampa FDM può essere descritto in dettaglio nei seguenti passaggi:

[...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2005 parole ed è riservato agli ABBONATI. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici che potrai leggere in formato PDF per un anno. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.