Stampa 3d e produzione additiva

La stampa 3D è una tecnologia di ultima generazione che permette di creare un oggetto a tre dimensioni, partendo da un file digitale. È nota anche come produzioneSi definisce "produzione" (in economia) la trasformazione di materie prime o componenti in prodotti finiti, attraverso l'impiego d leggi tutto... additiva o additive manifacturing perché utilizza un particolare processo di stampa che costruisce tanti strati che si vanno ad aggiungere uno sull’altro, in opposizione alla produzione sottrattiva che, invece, parte da un blocco di materiale che viene man mano rimosso (ad esempio tramite un processo di smerigliatura).

La stampa 3D fa parte delle tecnologie abilitanti che rientrano nel Piano Industria 4.0 che portano alla riduzione di costiSi definisce "costo" qualsiasi onere che un’impresa deve sostenere per procurarsi le merci, i servizi e i fattori produttivi nec leggi tutto... e tempi di produzione, grazie all’utilizzo di meno materiale e al contenimento degli sprechi.

In questo articolo cerchiamo di capire cos’è e come funziona la produzione additiva.

 

Cos’è la stampa 3D

La stampa 3D è il processo di creazione di un oggetto tridimensionale da un file digitale.

Nota anche con il nome di produzione additiva, è un metodo che crea un oggetto 3D strato dopo strato utilizzando una particolare stampante 3D e partendo da un modello digitale che può essere un oggetto fisico scansionato 3D, un modello realizzato al computer con un programma di modellazione (ad esempio nell’industria si usa molto CAD 3D) oppure un file scaricato da internet.

Consente di produrre forme complesse con una quantità di materia prima decisamente inferiore rispetto ai metodi di produzione tradizionali. Permette di creare qualsiasi oggetto di qualsiasi dimensione in base alle dimensioni della stampante 3D.

La tecnologia di stampa 3D rappresenta un punto di svolta per qualsiasi settore: può essere utilizzata sia per creare prodotti finiti sia per quella che viene chiamata prototipazione rapida. Grazie alla stampa 3d, infatti, le aziende possono realizza un prototipo anche in poche ore (in base alla complessità dell’oggetto), risparmiando in tempo e costi per i normali processi di ricerca e sviluppo.

 

Come funziona la stampa 3D

La stampa 3D è un processo additivo che consiste nel disporre numerosi strati di materiale fino a quando l’oggetto non viene creato.

Per stampare un prodotto tridimensionale si parte da un file digitale che rappresenta l’oggetto in 3D da stampare, Questo modello tridimensionale viene poi suddiviso in strati, in modo tale che il disegno venga convertito in un file leggibile dalla stampante 3D.

Nella fase di stampa vera e propria vengono accumulati strati di materiale, dove ciascuno di questi strati è una sezione trasversale in 2D finemente tagliata dell’articolo da stampare: l’oggetto reale in 3D viene creato tramite un processo additivo, in cui la stampante posiziona uno strato di materiale dopo l’altro. Ognuno di questi strati può essere visto come una sezione trasversale sottile dell’oggetto.

In questo video: una stampante 3d in azione

 

Cos’è una stampante 3D

La stampante 3D è una macchina a controllo numerico in grado di materializzare un oggetto 3D partendo da un file digitale.

Il file digitale rappresenta il disegno dell’oggetto da produrre: sulla base di questo, la stampante ricostruisce il modello in 3D uno strato alla volta, dal basso verso l’alto, stampando ripetutamente sulla stessa area. Anziché usare l’inchiostro (che non ha un volume solido) la stampante 3D deposita strati di materiale a seconda della tecnologia utilizzata, che poi vengono fusi tra loro con adesivo o luce ultravioletta.

Le stampanti 3D possono avere forme e dimensioni diverse: si va da stampanti che possono stare su una scrivania fino a grandi modelli di costruzione utilizzati nella realizzazione di case stampate in 3D. Il processo di stampa 3D richiede da poche ore per oggetti semplici (come una scatola o una palla) a giorni o settimane per progetti dettagliati molto più grandi (come una casa a grandezza naturale).

 

 

Fondamentalmente ci sono 4 tipi principali di stampanti 3D ognuna delle quali utilizza un metodo di stampa diverso:

• stampanti stereolitografiche o SLA: sono dotate di un laser che trasforma la resina liquida in plastica;
• stampanti SLS o sinterizzazione laser selettiva: hanno un laser che sinterizza particelle di polvere polimerica in una struttura già solida;
• modellazione a deposizione fusa o stampanti FDM (Fused Deposition Modeling): sono le più diffuse. Queste stampanti rilasciano filamenti termoplastici che vengono fusi attraverso un ugello caldo per formare un oggetto strato dopo strato;
• getto di materiale (Material Jetting – MJ) o getto di legante (Binder Jetting – BJ): piccolissime gocce di materiale (polveri, resina, cera, metalli) vengono depositate su un letto di polvere o un legante.

 

 

File 3D per la stampa tridimensionale

Il file di stampa 3D è il modello digitale dell’oggetto da produrre: può essere un oggetto fisico scansionato 3D, un modello realizzato al computer oppure un file scaricato da internet in formato apposito.

Per realizzare il file di stampa 3D ci sono tanti softwareIl termine "software" (da soft = leggero e ware = componente) indica un programma informatico in grado di eseguire una sequenza di leggi tutto... 3D in commercio che producono vari formati di file. Alcuni sono specifici solo per alcune stampe particolari, altri invece sono standard:

• STL: è l’acronimo di stereolitografia ed è un formato semplice utilizzato dai sistemi di progettazione assistita da computer (CAD) per definire la geometria solida per le parti stampabili in 3D. Un file STL fornisce le informazioni di input per la stampa 3D, modellando le superfici dell’oggetto come triangoli che condividono bordi e vertici con altri triangoli vicini per la piattaforma di costruzione. La risoluzione del file STL influisce sulla qualità delle parti stampate tridimensionalmente: se la risoluzione del file è troppo alta il triangolo potrebbe sovrapporsi, se è troppo bassa il modello presenterà degli spazi vuoti, rendendolo non stampabile.
• OBJ (object come oggetti): è il formato più utilizzato dopo l’STL e ne rappresenta un’evoluzione. Codifica le superfici più lisce con meno tessere, utilizzando non solo i triangoli, ma anche altri poligoni (come quadrilateri o esagoni). Può anche utilizzare modelli matematici aggiuntivi per migliorare ulteriormente la definizione della forma. Inoltre è in grado di descrivere informazioni su colore, materiale e trama, anche se per trarne il massimo vantaggio, è necessario associare separatamente ad esso file di elenco di materiali aggiuntivi (MTL) e immagini (PNG).
• AMF (Additive Manufacturing File):  questo tipo di file può contenere informazioni su uno o più oggetti definiti come mesh triangolari. Rispetto al file STL, riesce a memorizzare forma, colore e materiale e quindi è in grado di fornire maggiori dettagli sulle caratteristiche di un oggetto. Questa tipologia di file è ideale per stampe 3D multicolore e multi-materiale. I file AMF contengono anche metadati che identificano l’autore, il nome e il copyright, nonché la costellazione (disposizione nello spazio) di numerosi oggetti. Un file AMF è un formato basato su XMLL'acronimo XML sta per Extensible Markup Language e identifica un linguaggio particolare che permette di creare documenti e dati leggi tutto... creato per essere più rapido e meno soggetto a errori.
• 3MF (3D Manufacturing Format): è un formato molto più recente del STL. Sono file di archivio (simili a .zip) contenenti sia il modello 3D (come mesh) sia le informazioni relative alla fabbricazione del modello, come metodi di fabbricazione, materiali o assemblaggio. È in grado di memorizzare grandi quantità di dati del modello in un piccolo file, come ad esempio colori e texture completi, materiali, nome del progettista, descrizione della parte, copyright e dati di licenza, crittografia dei dati, ecc.

 

Materiali per la Produzione Additiva

I materiali disponibili per la stampa 3D hanno visto una grande evoluzione. Oggi esistono diversi tipi di materiali, forniti in stati diversi (polvere, filamenti, pellet, granuli, resina ecc.). Le tipologie generiche che vengono impiegate per stampare oggetti tridimensionali sono:

• Acrilonitrile Butadiene Stirene (ABS): è un materiale plastico facile da modellare e resistente alla rottura. Lo stesso materiale di cui sono fatti i LEGO.
• Filamenti in fibra di carbonio: la fibra di carbonio viene utilizzata per creare oggetti che devono essere resistenti, ma anche estremamente leggeri.
• Filamenti conduttivi: questi materiali stampabili sono ancora in fase sperimentale e possono essere utilizzati per stampare circuiti elettrici senza bisogno di fili. Questo è un materiale utile per la tecnologia indossabile (ad esempio lo smartwatch).
• Filamenti flessibili: producono stampe pieghevoli, ma resistenti. Questi materiali possono essere utilizzati per stampare qualsiasi cosa, dagli orologi da polso alle cover dei telefoni.
• Filamenti metallici: sono realizzati con metalli finemente macinati e colla polimerica. Possono essere in acciaio, ottone, bronzo e rame per ottenere il vero aspetto e la sensazione di un oggetto metallico.
• Filamenti di legno: questi filamenti contengono polvere di legno finemente macinata mescolata con colla polimerica. Questi sono ovviamente usati per stampare oggetti dall’aspetto legnoso e possono essere realizzati in un legno più chiaro o più scuro a seconda della temperatura della stampante.

Oltre a questi materiali, ci sono in sperimentazione altri materiali. Ad esempio, sono in corso ricerche per la stampa 3D di biomateriali principalmente per applicazioni mediche (persino la stampa di organi umani o di parti del corpo sostitutive). Anche gli alimenti sono in fase di sperimentazione, come ad esempio il cioccolato e lo zucchero.

Lo standard sulla terminologia di produzione additiva, ISO/ASTM 52900, ha classificato in sette gruppi i processi di stampa 3D o Produzione Additiva (Additive Manufacturing). Pertanto tutte le forme di stampa 3D rientrano in uno dei seguenti tipi:

1. Legante a getto o Binder Jetting: deposita un sottile strato di materiale, ad esempio metallo, sabbia polimerica o ceramica, sulla piattaforma di stampa, dopodiché gocce di adesivo vengono depositate da una testina di stampa per legare insieme le particelle. Può essere utilizzato per una varietà di applicazioni, tra cui la stampa 3D di metalli, prototipi a colori e stampi per ceramica su larga scala.
2. Deposizione diretta di energia: utilizza energia termica focalizzata come un arco elettrico, un laser o un raggio di elettroni per fondere il filo o la materia prima in polvere mentre viene depositata. Il processo viene attraversato orizzontalmente per creare uno strato e gli strati vengono impilati verticalmente per creare una parte. Questo processo può essere utilizzato con una varietà di materiali, inclusi metalli, ceramiche e polimeri.
3. Estrusione materiale o modellazione a deposizione fusa (FDM): deposita un filamento continuo di materiale composito o termoplastico. Questo filamento viene alimentato da una bobina tramite un ugello di estrusione caldo, che riscalda, ammorbidisce e deposita il materiale su una piattaforma di costruzione. Questo processo è conveniente e ha tempi di consegna brevi, ma ha anche una bassa precisione dimensionale e spesso richiede una post-elaborazione per creare una finitura liscia.
4. Getto di materiale o Material Jetting: funziona in modo simile alla stampa a getto d’inchiostro, tranne per il fatto che, invece di depositare l’inchiostro su una pagina, questo processo deposita strati di materiale liquido da una o più testine di stampa. Gli strati vengono quindi polimerizzati prima che il processo ricominci per lo strato successivo. Il getto di materiale richiede l’uso di strutture di supporto, ma queste possono essere realizzate con un materiale idrosolubile che può essere lavato via una volta completata la costruzione. È uno dei metodi di stampa 3D più costosi e le parti tendono a essere fragili e si degradano nel tempo. Tuttavia, questo processo consente la creazione di parti a colori in una varietà di materiali.
5. Fusione del letto di polvere Powder Bed Fusion – PBF: è un processo in cui l’energia termica (come un laser o fascio di elettroni) fonde selettivamente le aree di un letto di polvere per formare uno strato e gli strati vengono costruiti uno sull’altro per creare una parte. Con questa tecnica si producono parti con eccellenti proprietà fisiche, spesso più resistenti del metallo convenzionale stesso, e buone finiture superficiali. Possono essere utilizzati con superleghe metalliche e talvolta ceramiche difficili da lavorare con altri mezzi. Tuttavia, questi processi possono essere costosi e la dimensione delle parti prodotte è limitata dal volume del sistema di stampa 3D utilizzato.
6. Laminazione fogli: può essere suddivisa in due diverse tecnologie, la produzione di oggetti laminati (LOM) e la produzione additiva ad ultrasuoni (UAM). LOM utilizza strati alternati di materiale e adesivo per creare oggetti con un appeal visivo ed estetico, mentre UAM unisce sottili fogli di metallo tramite saldatura a ultrasuoni. Quest’ultimo è un processo a bassa temperatura e bassa energia che può essere utilizzato con alluminio, acciaio inossidabile e titanio.
7. Fotopolimerizzazione IVAL'IVA (acronimo di Imposta sul Valore Aggiunto) è un'imposta indiretta sui consumi che grava sul consumatore finale. Viene applic leggi tutto...: crea oggetti strato per strato attraverso l’uso di una luce per polimerizzare selettivamente la resina liquida in una vasca. Ideale per parti con un alto livello di precisione dimensionale, questo processo può creare dettagli con una finitura liscia, rendendoli perfetti per la produzione di prototipi. Tuttavia, poiché le parti sono più fragili rispetto alla modellazione a deposizione fusa (FDM), sono meno adatte ai prototipi funzionali. Inoltre, queste parti non sono adatte per l’uso all’aperto poiché il colore e le proprietà meccaniche possono degradarsi se esposte ai raggi UV del sole.

 

Settori industriali di Additive Manifacturing

La stampa 3D o produzione additiva ormai trova applicazioni in diversi settori. Quelli più frequenti sono i seguenti:

• Aerospaziale: la stampa 3D viene utilizzata in tutto il settore aerospaziale (e astro spaziale ) grazie alla capacità di creare parti leggere, ma geometricamente complesse, come i blisk. Piuttosto che costruire un oggetto con l’assemblaggio di più componenti, la stampa 3D consente di creare un articolo come un unico componente, riducendo i tempi di consegna e lo spreco di materiale.
• Settore automobilistico: l’industria automobilistica ha abbracciato la stampa 3D grazie alla riduzione dei costi. Inoltre consente la prototipazione rapida di parti nuove o su misura per test o produzione su piccola scala. Quindi, ad esempio, se una particolare parte non è più disponibile, può essere prodotta come parte di un piccolo ciclo su misura, compresa la produzione di parti di ricambio. In alternativa, gli articoli o le attrezzature possono essere stampati durante la notte e sono pronti per essere testati prima di una produzione più ampia.
• Medicina: nel settore medico la stampa 3D ha trovato impiego nella creazione di impianti e dispositivi su misura. Ad esempio, gli apparecchi acustici possono essere creati rapidamente da un file digitale abbinato a una scansione del corpo del paziente. La stampa 3D può anche ridurre drasticamente i costi e i tempi di produzione.
• Settore ferroviario: numerose sono le applicazioni in questo settore della stampa 3D, inclusa la creazione di parti personalizzate, come i braccioli per i conducenti e le coperture degli alloggiamenti per gli accoppiamenti dei treni. Le parti su misura sono solo un’applicazione per l’industria ferroviaria, che ha anche utilizzato il processo per riparare le rotaie usurate.
• Robotica: la velocità di produzione, la libertà di progettazione e la facilità di personalizzazione del design rendono la stampa 3D perfettamente adatta all’industria della robotica. Ciò include il lavoro per creare esoscheletri su misura e robot agili con agilità ed efficienza migliorate.

 

Stampa 3D online

La stampa in 3D è diventata ormai una tecnologia utilizzabile anche come servizio online. In rete ci sono numerosi siti e aziende che offrono la possibilità di avere un oggetto stampato tridimensionalmente a partire da un file digitale. Il processo è sempre lo stesso:

1. Si carica il file 3D sulla piattaforma scelta
2. Si selezionano materiale, colore e finitura
3. Si ottiene un preventivo con il prezzo finale
4. Si procede all’ordine
5. L’aziendaSi definisce "azienda" l'istituto nel quale si sviluppa l'attività economica, ovvero un istituto economico con una propria cultur leggi tutto... stampa l’articolo e lo recapita all’indirizzo del cliente

 

 

Vuoi saperne di più?

Vuoi ricevere maggiori informazioni?
Contattaci subito: siamo a tua completa disposizione!