Cos’è una stampante 3D e come si può usare

Stampante 3D
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La stampa 3D è un processo che trasforma un modello 3D digitale in un oggetto fisico.

Esistono oggi molte tecnologie di stampa 3D:

  • La stereolitografia (SLA)
  • Fused Deposition Modeling (FDM)
  • Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
  • Selective Laser Melting (SLM)
  • Fascio elettronico di fusione (EBM)
  • Produzione oggetti in laminato (LOM)

La stereolitografia (SLA)

Stereolitografia è un metodo di stampa 3D che può essere utilizzato per implementare i progetti che coinvolgono stampa 3D di oggetti. Anche se questo metodo è il più antico della storia della stampa 3D è ancora in uso al giorno d’oggi. L’idea e l’applicazione di questo metodo è sorprendente. Che tu sia un ingegnere meccanico con la necessità di verificare il tuo disegno, o una persona creativa che vuole fare un prototipo di plastica di un nuovo progetto, la stereolitografia può aiutare a trasformare i tuoi modelli in un oggetto reale.

Questo metodo è stato brevettato da Charles Hull, co-fondatore di 3D Systems Inc. nel 1986. Il processo di stampa comporta una macchina da stampa 3D dal design unico chiamato un apparato stereolithograph (SLA), che converte plastica liquida in oggetti 3D solidi.

La maggior parte delle tecniche di stampa richiedono il file di disegno (CAD).Questo file contiene informazioni sulla rappresentazione tridimensionale di un oggetto. File CAD deve essere convertito in un formato che una macchina da stampa può comprendere. C’è un formato standard (STL) che viene comunemente utilizzato per stereolitografia, nonché per altri processi di fabbricazione. L’intero processo si compone di conseguente stampa di strato su strato, quindi il file dovrebbe avere le informazioni per ogni strato. Le macchine per la stampa SLA non funzionano come normali stampanti desktop che spargono una certa quantità di inchiostro sulla superficie. Funzionano con strati di plastica liquida che dopo poco indurisce e forma un oggetto solido. Le parti costruite con le stampanti 3D di questo tipo sono solitamente lisce, ma la sua qualità dipende molto dalla qualità della macchina con sistema SLA usata.

 Il processo di stampa include diversi passaggi. Si parte dalla creazione di modelli 3D nel programma CAD, un software elabora il modello CAD e genera il file STL che contiene le informazioni per ogni strato. Ci potrebbero essere fino a dieci livelli per ogni millimetro. Poi, la macchina SLA estrude la plastica liquida e inizia a formare lo strato sul piatto riscaldato. Dopo, la plastica si indurisce dando l’input alla stampante di  formare lo strato successivo finché la stampa è completata. Una volta che tutti gli strati sono stampati l’oggetto deve essere risciacquato con un solvente e poi messo in un forno a raggi ultravioletti per completare l’elaborazione. Il tempo necessario per stampare un oggetto dipende dalla dimensione della SLA stampante 3D utilizzata. Piccoli oggetti possono essere stampati entro 6-8 ore con una piccola macchina da stampa, articoli di grandi dimensioni possono richiedere fino a diversi giorni.

La stereolitografia è ampiamente utilizzato nella prototipazione in quanto non richiede troppo tempo per produrre un oggetto ed il costo è relativamente economico in confronto ad altri mezzi di prototipazione. Questo metodo di stampa 3d è raramente utilizzato, invece, per la stampa del prodotto finale.

Anche se la stereolitografia è considerata la più antica tecnologia di stampa 3D molte aziende ancora la utilizzano per creare prototipi dei loro progetti. 3D Systems Inc., l’azienda che ha introdotto questo metodo per la prototipazione, produce e vende macchine SLA per le imprese. L’utilizzo domestico di solito non prevede la stereolitografia per produrre oggetti 3D. Ma chiunque sia interessato a questa tecnologia può acquistare macchina SLA home e provare questo processo per conto proprio.

Fused Deposition Modeling (FDM)

La tecnologia della Fused Deposition Modeling (FDM) è stata sviluppata e implementata la prima volta da Scott Crump, fondatore della Stratasys Ltd, nel 1980.  Altre aziende di stampa 3D hanno adottato tecnologie simili ma con nomi diversi. Una nota azienda ha coniato una tecnologia quasi identica, nota come Fused Filament Fabrication (FFF).

Con l’aiuto di FDM è possibile stampare non solo prototipi funzionali, ma anche modelli concettuali e prodotti finiti. Il vantaggio di questa tecnologia è che tutte le parti stampate con FDM possono essere adatte ad alte prestazioni per la qualità termoplastica. L’FDM è l’unica tecnologia di stampa 3D che costruisce parti con materiali termoplastici di produzione di prima scelta, quindi le cose stampate sono di ottime qualità meccaniche, termiche e chimiche.

 Le macchine per la stampa 3D che utilizzano la tecnologia FDM costruiscono oggetti, strato dopo strato, dal basso verso l’alto, riscaldando e estrudendo i filamenti termoplastici. L’intero processo è un po’ simile alla stereolitografia. In primo luogo, uno speciale software “taglia” il modello CAD in strati e calcola il modo in cui l’estrusore della stampante deve costruire ogni strato. Poi la stampante riscalda il materiale termoplastico fino al suo punto di fusione ed estrude l’ugello sulla base/piatto, lungo il percorso calcolato. Un computer di una stampante 3d traduce le dimensioni di un oggetto nelle coordinate X, Y e Z  e controlla che l’ugello e la base seguano, durante la stampa, le tracce calcolate.  Quando lo strato sottile di plastica lega al livello sottostante, si raffredda e si indurisce. Una volta che uno strato è terminato, la base si abbassa per iniziare la stratificazione successiva. Il tempo di stampa dipende dalla dimensione e la complessità di un oggetto. Piccoli oggetti possono essere realizzati in tempi relativamente brevi, mentre pezzi complessi e più grandi richiedono più tempo. Confrontandola con la stereolitografia, questa tecnica è più lenta nella lavorazione. Quando la stampa è completata, i materiali di supporto possono essere facilmente rimossi, sia ponendo l’oggetto in una soluzione di acqua o detergente, sia staccando il materiale di supporto a mano. Successivamente gli oggetti possono anche essere fresati, verniciati o placcati.

La tecnologia FDM è molto diffusa al giorno d’oggi, in una varietà di settori, come le aziende automobilistiche Hyundai e BMW o aziende alimentari come la Nestlè e Dial. Il sistema FDM viene utilizzato per lo sviluppo di nuovi prodotti, modelli di concetto, prototipi e anche nello sviluppo di produzione. Questa tecnologia è considerata essere semplice da usare e rispettosa dell’ambiente. Con l’uso di questo metodo di stampa 3d diviene possibile costruire oggetti con geometrie complesse e cavità.

Diversi tipi di materiale termoplastico possono essere utilizzati per stampare le parti. I più comuni di questi sono ABS (acrilonitrile butadiene stirene) e filamenti di PC (policarbonato). Ci sono anche diversi tipi di materiali di supporto, tra cui la cera idrosolubile o il PPSF (polifenilsulfone).

I pezzi stampati usando questa tecnologia hanno già una buona qualità di resistenza termica e meccanica che permette di utilizzarli per testare altri prototipi. L’FDM è ampiamente utile per la produzione di prodotti di uso finale, in particolare le piccole parti dettagliate e gli strumenti di produzione specialistici (di nicchia). Alcuni materiali termoplastici possono anche essere utilizzati nei prodotti alimentari.

Il prezzo per le stampanti 3D dipende dalla dimensione e modello. Quelli professionali di solito costano oltre 10.000 euro. Stampanti 3D progettate per uso domestico non sono così costose. Ci sono diversi modelli, come la Replicator di MakerBot, Mojo di Stratasys e Cube di 3D Systems. Il prezzo di questi modelli varia da 1.000 a 10.000 euro. Tuttavia, le nuove start-up offrono versioni sempre più abbordabili di stampanti 3D FDM, il cui prezzo può essere solo di circa 300-400 euro.

Inoltre ci sono molti fan di stampa 3D o sviluppatori che preferiscono creare i propri stampanti 3D fin zero. Ci sono siti web che offrono grande varietà di kit fai da te e parti per le stampanti RepRap.

Sinterizzazione laser selettiva (SLS)

Selective Laser Sintering (SLS) è una tecnica che utilizza il laser come sorgente di alimentazione per formare oggetti 3D solidi. Questa tecnica è stata sviluppata da Carl Deckard, uno studente della Texas University e il suo professore Joe Beaman nel 1980. Più tardi hanno creato la Desk Top Manufacturing (DTM) Corp., che è stata venduta al suo grande concorrente 3D Systems nel 2001. Come è stato detto in precedenza, 3D Systems Inc. ha sviluppato stereolitografia, che in qualche modo è molto simile alla sinterizzazione laser selettiva. La differenza principale tra SLS e SLA è che la prima utilizza materiale in polvere nella vasca invece di resina liquida. A differenza di altri processi di produzione di additivi, come la stereolitografia (SLA) e la Fused Deposition Modeling (FDM), la SLS non ha bisogno di utilizzare strutture di sostegno per l’oggetto, la cui stampa è costantemente circondata da polveri non sinterizzato.

Come tutti gli altri metodi elencati sopra il processo inizia con la creazione di un file CAD, che deve poi essere convertito in formato STL da un software speciale. Il materiale per la stampa potrebbe essere di qualsiasi tipo: nylon, ceramica, vetro, alluminio, acciaio, argento. Grazie alla grande varietà di materiali che possono essere utilizzati con questo tipo di stampante 3D la tecnologia è molto popolare nel mondo del 3D.

SLS è il più diffuso tra i produttori, mentre per i dilettanti domestici questa tecnologia richiede l’utilizzo di laser ad alta potenza, che rendono la stampante troppo costosa, anche se ci sono diverse start-up il lavoro sullo sviluppo di macchine da stampa SLS a basso costo (Andreas Bastian ha condiviso dettagli sulla sua sviluppata stampante SLS che utilizza carbonio e cera per la stampa).

Selective Laser Melting (SLM)

La Fusione Laser Selettiva (SLM) è una tecnica che utilizza anch’essa dati CAD 3D come fonte, e forma l’oggetto 3D per mezzo di un raggio laser ad alta potenza che fonde e scioglie polveri metalliche insieme. La SLM, a differenza del sinterizzazione laser selettivo, fonde completamente il materiale metallico in parte solida 3D-dimensionale. La storia della SLM inizia nel 1995 con il progetto di ricerca tedesco detenuto dal gruppo di Fraunhofer ILT.

Analogamente ad altri file di metodi di stampa 3D, il CAD deve essere elaborato da un software speciale e trasformato in un file .stl standard. Subito dopo il caricamento del file, il software della macchina da stampa assegna i parametri e i valori per la costruzione del percorso.

La polvere di metallo è distribuita in modo uniforme su un piatto, e l’energia del laser è così intensa che la polvere metallica si scioglie completamente e forma un oggetto solido. Dopo che lo strato è completato il processo ricomincia per lo strato successivo. In pratica, nella camera di lavoro si ricrea un’atmosfera inerte. Metalli che possono essere utilizzati per l’SLM includono l’acciaio inossidabile, il titanio, il cobalto, il cromo e l’alluminio.

Questo metodo di stampa è ampiamente applicato a parti con geometrie complesse e strutture con pareti sottili e vuote. Un sacco di progetti pionieristici SLM sono stati dedicati alla applicazione aerospaziale per le diverse parti leggere. La tecnologia non è ampiamente diffusa tra utenti  domestici, ma soprattutto tra produttori del settore aerospaziale e di ortopedia medica.

Fascio elettronico di fusione (EBM)

L’EBM è un altro tipo di additivo di fabbricazione per parti metalliche. E’ stato originariamente coniato da Arcam AB Inc. nei primi anni 2000. Questo metodo di stampa 3d  utilizza fascio laser ad alta potenza come fonte di energia, l’EBM utilizza un fascio elettronico, invece, che è la principale differenza tra questi due metodi. Il resto dei processi è piuttosto simile.

Il materiale utilizzato è in EBM polvere di metallo che si scioglie e forma gli strati. Contrariamente alla SLS, l’EBM fonde il metallo in polvere. Il processo è generalmente condotto ad alta temperatura fino a 1000 ° C.

Confrontandolo con l’SLM, il processo di EBM è piuttosto lento e costoso, anche la disponibilità di materiali è limitata. Quindi il metodo non è così popolare anche se è ancora utilizzato in alcuni processi produttivi. Attualmente i materiali più utilizzati per l’EBM sono il titanio puro, l’Inconel 718 e l’Inconel 625. L’applicazione di EBM è focalizzata principalmente su impianti medici e nel settore aerospaziale.

Laminated Object Manufacturing (LOM)

Laminated Object Manufacturing (LOM) è un altro sistema di prototipazione rapida che è stato sviluppato dalla società Helisys Inc., con sede in California.

 Durante il processo di LOM, strati di laminati di carta, plastica o metallo sono fusi insieme mediante calore e pressione e poi tagliati nella forma voluta con un laser o una lama controllati da un computer. La post produzione include passi come la lavorazione e foratura. Quando il materiale in eccesso è stato tagliato, la parte può essere levigata o sigillata con una vernice. Se sono stati utilizzati materiali di carta durante la stampa, l’oggetto assume le proprietà del legno, necessitando anche di essere protetto dall’umidità. Quindi, solitamente, si copre il tutto con lacca o vernice.

Probabilmente LOM non è il più popolare metodo di stampa 3D, ma è, senz’altro, uno dei più convenienti e più veloci. Il costo di stampa è basso a causa di materie prime a basso costo. Gli oggetti stampati con LOM possono essere relativamente grandi.

Attualmente Cubic Technologies, il successore di Helisys Inc., è il principale produttore di stampanti LOM. Non ci sono troppe aziende in questi giorni che funzionano con la tecnologia LOM. Ma vale la pena ricordare la compagnia irlandese Mcor Technologies Ltd. che vende stampanti LOM 3D. I loro dispositivi sono ampiamente utilizzati da artisti, architetti e sviluppatori di prodotti per creare progetti a prezzi accessibili, attraverso comune carta da lettera.

Abbiamo incluso in questo post solo le più diffuse stampanti 3D. Se avete qualcosa da aggiungere, non esitate a lasciare i vostri commenti. Saremo lieti di aggiungere le vostre indicazioni.

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