Che cos'è una stampante 3D, come funziona e a cosa serve.

La stampa 3D, chiamata anche produzione additiva, è un processo per creare oggetti solidi tridimensionali partendo da un da un file digitale. La creazione di un oggetto stampato in 3D è ottenuta mediante processi additivi in quanto l'oggetto viene creato disponendo strati di materiale fino alla creazione dell'oggetto. Ognuno di questi strati può essere visto come una sezione trasversale orizzontale dell'oggetto finale. La stampa 3D consente di produrre forme complesse utilizzando meno materiale rispetto ai metodi di produzione tradizionali.

In questo articolo affronteremo questi aspetti:

Il principio di funzionamento

Il principio di funzionamento di una stampante 3D è simile a quello di una stampante a getto d'inchiostro.
Crea un modello 3D uno strato alla volta, dal basso verso l'alto, stampando ripetutamente sulla stessa area con un metodo noto come modellazione a deposizione fusa. In lingua inglese questa tecnica viene detta FFD, Fused deposition modeling o FFF, Fused Filament Fabrication.

Funzionando in modo completamente automatico, la stampante crea un modello trasformando un disegno CAD 3D in molti strati bidimensionali e trasversali depositando strati di plastica fusa. Negli ultimi anni sono state realizzate anche stampanti 3D per il metallo, ma solitamente il materiale maggiormente impiegato è la plastica.

Il materiale utilizzato nella stampa 3D

Il materiale utilizzato per la stampa dell'oggetto 3D è comunemente definito plastica, ma esistono moltissime tipologie di materie plastiche. Le stampanti 3D, nello specifico, utilizzano materiali termoplastici, ovvero materiali plastici che si sciolgono quando vengono scaldati e diventano solidi quando si raffreddano.

In genere viene utilizzato un materiale plastico chiamato ABS (acrilonitrile butadiene stirene), il medesimo materiale con cui sono realizzati i mattoncini LEGO® o anche ampiamente utilizzato negli interni delle auto.

Questo materiale viene utilizzato grazie alle sue caratteristiche di durezza e resistenza. È perfetto per la stampa 3D perché è solido a temperatura ambiente e si scioglie a poco più di 100 °C. Questa temperatura è sufficientemente bassa per essere raggiunta dalla stampante 3D e anche per far resistere gli oggetti stampati se esposti per lunghi periodi al al sole.

Questo composto plastico è anche si presta ad una lavorazione meccanica del prodotto formato. Per le stampanti 3D viene fornito sotto forma di filamenti avvolti su di una bobina. Come anticipato, oltre ai materiali plastici, vengono utilizzati per la stampa 3D anche polveri metalliche o soluzioni leganti.

Come funziona una stampante 3D

La tecnologia di produzione additiva è disponibile in molte forme e dimensioni, ma indipendentemente dal tipo di stampante 3D o materiale che stai utilizzando, il processo di stampa 3D segue gli stessi passaggi di base. Inizia con la creazione di un progetto 3D utilizzando il software di progettazione assistita da computer (comunemente chiamato CAD , Computer Aided Design ).

Una volta creato il progetto 3D, è necessario preparare la stampante. Ciò include il riempimento delle materie prime e la preparazione della piattaforma di costruzione. Avviata la stampa, la stampante 3D crea automaticamente l'oggetto desiderato mediante l'estrusione del materiale che include una serie di diversi tipi di processi a seconda del materiale impiegato.

L'estrusione di materiale funziona come una pistola per colla a caldo. Il materiale di stampa, in genere un filamento di plastica, viene riscaldato fino a quando non si liquefà ed estrude attraverso l'ugello di stampa.

Le informazioni del file digitale è suddiviso in sottili sezioni trasversali bidimensionali in modo che la stampante sappia esattamente dove posizionare il materiale. L'ugello deposita il polimero in strati sottili, spesso 0,1 mm di spessore. Il polimero si solidifica rapidamente, legandosi allo strato sottostante prima che la piattaforma di costruzione si abbassi e la testina di stampa aggiunga un altro strato.

A seconda delle dimensioni e della complessità dell'oggetto, l'intero processo può richiedere da pochi minuti a giorni.

Tipologie di stampanti 3D

Nel corso degli anni, l'industria della stampa 3D è cresciuta notevolmente, creando nuove tecnologie e un linguaggio specifico per descrivere i diversi processi di produzione additiva. Vediamo quindi le diverse tipologie di stampa 3D. Ovviamente non è possibile descrivere in poche righe il funzionamento di ogni tipologia di stampante 3D, per ulteriori approfondimenti consigliamo la guida Stampalo3d.it .

Materiale a getto

Proprio come una normale stampante, il materiale a getto deposita materiale attraverso una testina di stampa a getto. Il processo in genere utilizza una plastica che richiede la luce per indurire, chiamata fotopolimero ma può anche stampare cere e altri materiali.

La stampa a getto di materiale può produrre parti precise e incorporare più materiali mediante l'uso di ugelli per stampanti a getto aggiuntivi. Questa tipologia di stampanti 3D sono relativamente costose e i tempi di costruzione possono essere lenti.

Getto di materiali leganti

Nella stampa 3D a getto di legante un sottile strato di polvere, che può essere di plastica, vetro, metalli o sabbia, viene fatto rotolare attraverso la piattaforma di costruzione.
La testina di stampa spruzza una soluzione legante simile a una colla per fondere la polvere insieme solo nei punti specificati nel file digitale.

Il processo si ripete fino al termine della stampa dell'oggetto e la polvere in eccesso che ha supportato l'oggetto durante la stampa viene rimossa e salvata per un uso successivo. Il getto di legante può essere utilizzato per creare parti relativamente grandi ma può essere costoso soprattutto per i sistemi di grandi dimensioni.

Fusione a letto di polvere

La fusione del letto di polvere è simile al getto di legante ma si differenzia per il fatto che gli strati di polvere vengono fusi insieme tramite sinterizzazione. La sinterizzazione è un processo che utilizza il calore o la pressione per formare una massa solida di materiale senza fonderlo utilizzando una fonte di calore, come un raggio laser o elettronico.

Mentre i processi a letto di polvere possono produrre parti in polimero e metallo solido di alta qualità, le scelte di materie prime per questo tipo di produzione additiva sono limitate.

Deposizione a energia diretta

Nella stampa a deposizione a energia diretta il materiale metallico o in polvere viene depositato in strati sottili e fuso mediante una fonte ad alta energia come ad esempio un laser. I sistemi di deposizione di energia diretta sono comunemente usati per riparare parti esistenti e costruire parti molto grandi, ma con questa tecnologia, queste parti richiedono spesso un post elaborazione più ampio.

Laminazione di fogli

I sistemi di laminazione di fogli legano insieme sottili fogli di materiale (tipicamente carta o metalli) usando adesivi, fonti di calore a bassa temperatura o altre forme di energia per produrre un oggetto 3D. 

I sistemi di laminazione a foglio consentono ai produttori di stampare con materiali sensibili al calore, come carta ed elettronica, offrendo costi di materiale più bassi rispetto ai processi additivi. Questo processo però può risultare meno accurato rispetto ad altri tipi di sistemi di produzione additiva.

Fotopolimerizzazione

La fotopolimerizzazione è la metodologia più vecchia di stampante 3D. Utilizza una resina liquida che viene polimerizzata con luci speciali per creare un oggetto 3D. A seconda del tipo di stampante, utilizza un laser o un proiettore per innescare una reazione chimica e indurire strati sottili di resina. Questi processi possono costruire parti molto precise con dettagli precisi, ma le scelte dei materiali sono limitate e le macchine possono essere costose.