Come funziona la stampa 3D?

Un metodo di produzione additiva è la stampa 3D. È "additiva" in quanto si limita a sovrapporre e fondere strati di materiale per creare oggetti reali, senza bisogno di un blocco di materiale o di uno stampo. Può realizzare geometrie più complesse rispetto alle tecnologie "convenzionali", è spesso rapida, ha costi di installazione fissi contenuti e funziona con una gamma di materiali in continua crescita. Il settore ingegneristico ne fa un uso considerevole, soprattutto nella prototipazione e nello sviluppo di geometrie leggere.

Produzione additiva e stampa 3D

Il termine "stampa 3D" è spesso associato alla cultura dei maker, agli amatori e agli appassionati, alle stampanti desktop, a tecniche di stampa accessibili come la FDM e a materiali economici come ABS e PLA. Ciò è in parte dovuto alle stampanti desktop economiche emerse dal movimento RepRap, come le originali MakerBot e Ultimaker, che hanno contribuito alla democratizzazione della stampa 3D e al boom della stampa 3D del 2009.

Tecnologia di stampa 3D: il futuro della produzione innovativa

3D stampa storia

I prodotti concettuali per la stampa 3D hanno avuto inizio negli anni '70. Nel 1981, lo scienziato giapponese Dr. Kodama, che fu il primo a descrivere il metodo di produzione a stampa strato per strato, provò la stampa 3D e creò personalmente la tecnologia di stampa 3D SLA (stereolitografia), una resina fotosensibile polimerizzata tramite luce ultravioletta.

Qualche anno dopo, anche lo scienziato americano Charles Hull condusse ricerche approfondite sulla tecnologia SLA e presentò il primo brevetto SLA nel 1986. Fondò la 3D Systems e lanciò il suo primo prodotto commerciale, l'SLA-1, nel 1988. (immagine sotto)

Si può dire che SLA sia stata la prima tecnologia di stampa 3D sviluppata, quindi quando sono state introdotte successivamente SLS (Selective Laser Sintering) e FDM (Fused Deposition Modeling)?

Nel 1988, l'americano Carl Deckard brevettò la tecnologia SLS presso l'Università del Texas, un'altra tecnica di stampa 3D in cui un laser fonde localmente particelle di polvere per stampare. Nello stesso anno, Scott Crump, uno dei fondatori di Stratasys, presentò domanda di brevetto per la modellazione a deposizione fusa (FDM). Dal 1980 al 1990, le tre principali tecnologie di stampa 3D furono tutte brevettate, segnando l'inizio di un periodo di rapido sviluppo in questo settore.

In Europa, EOS GmbH ha creato un sistema di progettazione per la stampa 3D: il sistema "Stereos". Oggi, i suoi modelli stampati in 3D nel settore industriale sono utilizzati in tutto il mondo per la tecnologia di stampa 3D SLS (Selective Laser Sintering) per materie plastiche e metalli riconosciuta.

Nel 1992, il brevetto della tecnologia di stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) è stato autorizzato da Stratasys, che ha sviluppato stampanti 3D per soddisfare le diverse esigenze di molti professionisti e privati.

Dal 1993 al 1999, diverse tecnologie si sono affermate nel settore della stampa 3D. Contemporaneamente, sono stati sviluppati sempre più nuovi software CAD e di modellazione 3D, ad esempio Sanders Prototype (ora Solidscape), uno dei primi a essere creato.

Applicazioni multi-campo della stampa 3D

Nel 2008 è stata presentata la prima protesi stampata in 3D, che ha ulteriormente aumentato la quota di stampa 3D nei media. Si è scoperto che la stampa 3D non solo può stampare componenti tradizionali, ma può anche essere applicata alla riparazione del corpo umano. Questo straordinario progetto di stampa 3D medica combina tutte le parti di un arto biologico e può essere stampato "così com'è" senza alcun assemblaggio successivo. Oggi, grazie alla scansione 3D, protesi mediche e ortesi stampate in 3D stanno diventando sempre più economiche e veloci per soddisfare le esigenze dei pazienti. Inoltre, queste protesi sono sempre più ottimizzate e adattate alla morfologia del paziente. La stampa 3D offre nuove opportunità per la personalizzazione di massa. (aggiungere immagine)

Il 2009 è stato l'anno in cui i brevetti FDM sono entrati nel mercato di consumo di massa, aprendo una nuova strada all'innovazione su larga scala delle stampanti 3D FDM. Con il calo dei prezzi delle stampanti 3D desktop, sempre più persone hanno potuto seguire lo sviluppo del settore della stampa 3D.

Nel 2013, il presidente degli Stati Uniti Barack Obama ha menzionato la stampa 3D nel suo discorso sullo stato dell'Unione come principale modalità di produzione del futuro, rendendola una parola d'ordine assoluta. Ora, il suo posto nell'immaginario collettivo è molto importante. Sempre più piccole e medie imprese stanno sfruttando la prototipazione a basso costo offerta dalla stampa 3D, integrandola pienamente nei loro processi di iterazione, innovazione e produzione.

Concept car stampata in 3D

Per quanto riguarda le applicazioni edilizie, le case stampate in 3D sono ormai una realtà. Le persone hanno abitato per la prima volta in case stampate in 3D nel 2018. La casa ha una superficie di 97 metri quadrati, molto vivibile. La stampa ha richiesto due giorni in totale.

Il sistema di classificazione della stampa 3D sulle somiglianze e le differenze tra produzione e stampa 3D

Prendiamo come esempio la sfera scavata. Ci sono più di una dozzina di fiori sulla superficie. Se viene lavorata con la lavorazione tradizionale, sarà molto problematica e i motivi dovranno essere modificati uno per uno. E se si sceglie la stampa 3D, non c'è spreco di materiale, quindi ha anche un nome: produzione additiva, il che significa che il metodo di accumulo graduale di materiali viene utilizzato per produrre parti fisiche. Il metodo tradizionale consiste nel creare prima l'embrione, quindi rimuovere il materiale in eccesso e il materiale rimanente assume la forma richiesta. Se viene rilevato un problema, è necessario aprire uno stampo e modificarlo; mentre la stampa 3D utilizza l'accumulo graduale di materiale, è possibile vedere rapidamente il prodotto finito.

Realizzazione della tecnologia di stampa 3D

La tecnologia di stampa 3D viene applicata alla produzione industriale. Ciò di cui la stampa 3D ha bisogno non è l'oggetto fisico, ma il modello digitale. Se si desidera stampare in 3D l'oggetto reale che si ha di fronte, è necessario utilizzare un computer per modellarlo, oppure uno scanner 3D per digitalizzare l'oggetto reale, ovvero un modello 3D, e si può stampare in soli quindici minuti. Attualmente, la tecnologia di stampa 3D si divide in quattro categorie principali: FDM, DLP/SLA e SLS.

SLS: processo di stampaggio tramite sinterizzazione laser

La SLS è una polvere relativamente avanzata che fonde in condizioni di elevata temperatura sotto irradiazione laser. Si stende uno strato sottile di polvere sul banco di lavoro e si scansiona la sezione trasversale dello strato con il raggio laser per aumentare la temperatura fino al punto di fusione, in modo da realizzare la sinterizzazione e l'incollaggio. Si ripetono le operazioni di spalmatura della polvere, sinterizzazione, macinazione e asciugatura fino alla formazione del modello. In effetti, la stampa 3D è come stampare 2D ripetutamente. Se si taglia un oggetto molto sottile, si scopre che ogni pezzo ha una forma. Se si uniscono tutte le forme, si ottiene un oggetto con una struttura tridimensionale. Per questo motivo, utilizziamo i laser per disegnare elementi grafici. La resistenza dei pezzi stampati con SLS all'ambiente (temperatura, umidità e corrosione chimica) è simile a quella dei materiali termoplastici; mentre la resistenza dei pezzi stampati con SLA è relativamente scarsa, ad esempio i pezzi SLA stampati con resina epossidica sono sensibili all'umidità e alle sostanze chimiche. Corrosione: si ammorbidisce e si deforma in un ambiente con temperatura superiore a 38°C, ma la precisione di formatura è elevata.

SLA - processo di stampaggio stereolitografico

La stereolitografia (SLA) è una tecnologia di fotopolimerizzazione, attualmente relativamente sviluppata in Cina. La "stereolitografia" si ottiene quando il raggio laser delinea la forma del primo strato dell'oggetto sulla superficie della resina liquida, quindi la piattaforma di produzione viene abbassata di una certa altezza (tra 0,05 e 0,025 mm) e lo strato solidificato viene immerso nella resina liquida, e così via. La resina utilizzata è una resina fotosensibile, che si solidifica dopo essere stata irradiata dal raggio laser, e il modello di formatura è rapido e preciso.

DLP - processo di stampaggio stereolitografico

Elaborazione digitale della luce DLP, nota come tecnologia di modellazione laser. La tecnologia di stampa 3D DLP presenta molte somiglianze con la tecnologia di stampa 3D SLA. Se paragoniamo la produzione al disegno di un cerchio con una matita, la tecnologia SLA equivale a disegnare strato per strato, mentre la DLP equivale a stampare direttamente. La produzione di massa che stiamo perseguendo ha due punti molto importanti: uno è l'efficienza e l'altro è il costo dei materiali. Esiste una stampante 3D in grado di stampare centinaia di volte più velocemente della produzione tradizionale, ovvero la tecnologia face-to-face, sviluppata da un'azienda di Shenzhen, Light Prism Technology. Ci vogliono dalle 2 alle 5 ore per stampare una sfera cava con la tradizionale stampa 3D FDM, e un'ora al massimo, ma bastano solo circa 10 minuti per stampare con la più recente tecnologia face-to-face. La velocità di stampa è sorprendente. Una volta che questa stampa 3D sarà sul mercato, l'impatto sull'artigianato tradizionale sarà ancora notevole.

FDM - Processo di stampaggio a deposizione fusa

Rispetto alle tecnologie DLP e SLS, la tecnologia FDM è relativamente semplice, quindi ha un pubblico più vasto ed è più facile da integrare nella famiglia. Il prototipo viene costruito direttamente a partire dai dati CAD 3D utilizzando il materiale termoplastico da estrudere in un filamento semifuso, che viene depositato strato per strato. I vantaggi della tecnologia FDM sono la struttura meccanica semplice, la facilità di progettazione, i bassi costi di produzione, manutenzione e materiali, e l'assenza di inquinamento ambientale. Pertanto, la FDM è anche la tecnologia più utilizzata nelle stampanti 3D desktop domestiche. Si tratta di un metodo di stampa relativamente tradizionale, che non utilizza il laser ed è economico, ma la precisione non è elevata e la velocità di stampa è molto lenta. Questo è il metodo più accessibile a tutti ed è generalmente utilizzato nel mercato dell'istruzione.

L'impatto della stampa 3D sulla produzione e sull'artigianato tradizionale

Vantaggi della stampa 3D

(1) Personalizzazione

Prendendo ad esempio l'odontoiatria, i denti di ognuno sono diversi, ma la stampa 3D può risolvere la contraddizione tra produzione personalizzata e produzione di massa, producendo in serie impianti, apparecchi ortodontici, ecc. personalizzati.

(2) campione in tempo reale

Grazie all'elevata velocità della stampa 3D, il progettista progetta una versione del prodotto al mattino e il responsabile può vedere il prodotto finito a mezzogiorno, per poi progettare un'altra versione alle 18:00 e vedere il prodotto finito la mattina successiva, il che accelera notevolmente lo sviluppo di nuovi prodotti. Se non è particolarmente complicato, la stampa 3D può produrre prodotti finiti in 3 ore, mentre la stampa tradizionale richiede dalle 4 alle 6 settimane ogni volta, migliorando così anche la velocità complessiva della progettazione industriale.

(3) Nessun inquinamento

 Poiché le materie prime prodotte sono tutte ecocompatibili, l'intero processo produttivo è privo di inquinamento. Non vi è inquinamento da gas di scarico e acque reflue, né spreco di materiali di scarto.

(4) Dataizzazione

Con lo sviluppo dell'odontoiatria digitale, i requisiti tecnici per i medici saranno notevolmente ridotti. I pazienti dovranno solo utilizzare lo strumento per una scansione di due minuti in ospedale e potranno conoscere le cause e le soluzioni di tutti i problemi dentali.

Inoltre, la stampa 3D può essere utilizzata anche in ortodonzia, realizzando apparecchi trasparenti personalizzati e su misura. Durante la chirurgia plastica, i denti devono spostarsi verso sinistra o in avanti? Di quanti millimetri? In passato, la chirurgia odontoiatrica si basava esclusivamente sull'esperienza personale del medico, ma l'odontoiatria digitale ha aumentato la stabilità dell'intervento e abbassato la soglia tecnica per i medici.

(5) Veloce

 Rispetto ai processi industriali tradizionali, la stampa 3D non richiede preparativi preliminari come manodopera e trasporto. Richiede solo macchinari e materie prime e può essere messa in produzione rapidamente.

(6) Automazione

 Si può affermare che esista una sola stampante 3D tra l'immaginazione virtuale e la realtà. La produzione con un solo tasto della stampa 3D consente di risparmiare notevolmente sui costi di manodopera e sugli errori umani.