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03/07/2014

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Tutti i colori della Stampa 3D

Le tecnologie e le materie prime utilizzate nei processi di stampa 3D sono numerose e non è facile orientarsi in questo nuovo e vasto mondo in rapidissima espansione

 

Come i computer e internet hanno permesso la ‘dematerializzazione’ dei documenti e di tutti gli altri contenuti multimediali (dagli atomi ai bit), le stampanti 2D, i plotter e le stampanti 3D consentono la ‘materializzazione’ (dai bit agli atomi) dei contenuti digitali. In particolare, le stampanti 3D permettono di realizzare oggetti fisici partendo da modelli matematici prodotti dai computer. Mentre nel caso della stampa 2D la scelta delle tecnologie di stampa (inkjet, laser, trasferimento termico, aghi), delle sostanze stampanti (toner e inchiostri) e dei supporti (carta, plastica, tessuti), ha un’ampia offerta commerciale ma è abbastanza limitata dal punto di vista dei materiali di base, nel caso della stampa 3D, che permette virtualmente di produrre qualsiasi oggetto, la scelta di tecnologie e di materie prime è molto più ampia e quindi non è facile orientarsi in questo nuovo e vasto mondo in rapidissima espansione.

Il termine ‘stampa 3D’ è semplice e suggestivo ma tecnicamente non è preciso.
Infatti, un qualsiasi processo di stampa (digitale o tradizionale) consiste nel trasferire uno o più inchiostri su un supporto, mentre le stampanti 3D generalmente fabbricano un oggetto depositando una serie successiva di strati (layer), pertanto è più corretto parlare di produzione (o fabbricazione) additiva e di materiali di produzione. Le analogie tra le varie tecnologie di produzione additiva però finiscono qui, poiché i materiali utilizzati, i trattamenti che subiscono per giungere al prodotto finito e le operazioni di finitura variano sensibilmente tra le varie tecnologie, che sono riportate nella tabella riassuntiva.
Le tecnologie di produzione additiva appartengono al settore della Fabbricazione Digitale (Digital Fabbrication o Fabbing) a cui appartengono anche tecniche di produzione sottrattiva come il taglio laser e la fresatura/tornitura con macchine utensili a controllo numerico CNC (Computer Numerical Control). Cominciano ad apparire sul mercato anche macchine ibride in grado di utilizzare sia le tecniche additive sia quelle sottrattive.

 

I principali materiali per la produzione additiva


Ogni giorno vengono resi disponibili nuovi materiali con caratteristiche esclusive sviluppati appositamente per le stampanti 3D, quindi non è possibile fornire un elenco completo di quanto è disponibile in questo mercato in rapidissima evoluzione.
 La sola Amazon attualmente offre quasi 1.000 articoli catalogati come ‘materiali di stampa 3D’, corrispondenti per la maggior parte a resine plastiche di acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) o acido polilattico (PLA) in vari colori e formati. Nel seguito sono elencati alcuni dei principali materiali utilizzati per la produzione additiva.
Gli ‘inchiostri’ delle stampanti 3D a basso costo che utilizzano la tecnologia FDM (Fused Deposition Modelling), come le stampanti RepRap, sono numerosi materiali termoplastici, come PLA, ABS, PA, HIPS, PVA, PET, TPU e ultimamente anche la fibra di carbonio, confezionati in rotoli di polimero in filo. I materiali più utilizzati sono principalmente PLA (Poly Lactic Acid o Polylactide), ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene).


PLA è una plastica vegetale derivata dall’amido di mais, biodegradabile, utilizzata anche in applicazioni biomedicali. Disponibile in colori pieni e brillanti, permette di realizzare pezzi finiti senza necessità di verniciatura finale, comunque sempre possibile con vernici acriliche e con qualsiasi altra finitura, previa preparazione del supporto con un primer. Il PLA, avendo colori molto più lucidi dell’ABS, permette di stampare oggetti con un aspetto molto gradevole e accattivante. Per oggetti di uso meccanico è preferibile invece l’ABS, la cui proprietà fisica più importante è la resistenza, che consente di ottenere pezzi robusti e verniciabili.
I poliuretani termoplastici sono sostanze gommose che hanno la caratteristica di restare flessibili anche a temperatura ambiente.
Gli oggetti realizzati in fibra di carbonio possono avere una durezza fino a 20 volte superiore e una resistenza cinque volte maggiore rispetto alle plastiche tradizionali (come ABS), superando nel rapporto forza-peso anche l’alluminio prodotto con macchine a controllo numerico.
Ultem è un tecnopolimero ad alte prestazioni con un’eccellente resistenza meccanica, chimica e termica (da -30°C a 165°C). Richiede stampanti FDM di fascia alta, che costano fino a 500.000 euro.


Il Peek è un polimero con altissime prestazioni meccaniche, chimiche e termiche simili a quelle dei migliori metalli (adatto per l’industria automobilistica e aerospaziale), altamente biocompatibile (e quindi ottimo per le protesi). Richiede macchine HTLS (High Temperature Laser Sintering) che possono costare oltre 1 milione di euro.


Nylon. Questo materiale consiste in una polvere di poliammide (nylon) sinterizzata al laser. È un materiale estremamente versatile, che può avere una resistenza tale da renderlo ideale per la stampa 3D di parti con struttura resistente. Una volta stampati in poliammide bianca, gli oggetti possono essere immersi in un bagno colorante. Possono essere stampati elementi con uno spessore minimo di 0,8mm: in questo caso le parti risultano flessibili e possono essere curvate. Sopra i 2mm di spessore, gli elementi diventano rigidi. Il nylon stampato in 3D si presta come materiale per creare oggetti dagli usi differenti, da case o cover per dispositivi elettronici fino ai gioielli.


Alumide è una miscela di polveri di nylon e alluminio. È un materiale resistente, leggermente flessibile e che può supportare alcune pressioni quando viene curvato. Adatto per macchine SLS, (Selective Laser Sintering). Questo materiale è più rigido e più friabile rispetto al nylon. L’aspetto è granuloso, poroso, ma la polvere di alluminio dona brillantezza alla superficie. È ideale per stampare oggetti con parti mobili come giunti o cerniere e per oggetti complessi. Resiste al calore fino a 172°C.


Resina bianca. Rigida, opaca, con una superficie liscia, questa resina è ideale per la realizzazione di oggetti molto dettagliati. Gli oggetti ottenuti con questo materiale sono molto simili a quelli prodotti con le tecniche tradizionali. L’oggetto viene creato con tecnologia SLA a partire da un composto liquido fotopolimerico, solidificato strato per strato da una sorgente UV. La risoluzione di questo materiale è pari a 28 micron (0,028mm). Si possono stampare parti mobili, come giunti o articolazioni. È possibile rifinire l’oggetto una volta stampato verniciandolo, carteggiandolo o lucidandolo. Resiste al calore fino a 48°C.
Ceramica smaltata. Disponibile in vari colori, come la normale ceramica, è adatta all’uso alimentare, resistente all’acqua e al calore fino a 500° C è riciclabile e ha una superficie liscia e brillante. La stampa viene realizzata con una polvere ceramica specifica, poi smaltata con un procedimento atossico a una temperatura superiore ai 1000°C. La superficie è completamente liscia. Gli usi più comuni per questo materiale sono tazze, bicchieri, piattini, ma anche statuine e piccole sculture.


Cere per fusioni e microfusione. Si utilizzano soprattutto con la tecnologia Multi-Jet-Modelling (MJM) e permettono di realizzare molte applicazioni di fonderia, per produrre modelli in cera accurati e ad alta definizione per microfusioni a cera persa per il mercato orafo, dell’energia, dei prodotti di consumo, del tempo libero, del medicale, dell’educazione e altri mercati verticali.


La stampa 3D di metalli ha avuto un grande impatto sul settore industriale, dove viene utilizzata per costruire prototipi o prodotti finiti di progetti complessi. A differenza del tradizionale processo sottrattivo, la stampa 3D di metalli richiede poca materia prima per creare un oggetto, quindi questa opzione riduce notevolmente il costo della produzione. Il processo di stampa 3D di metalli può utilizzare varie tecnologie. In tutti i casi, la materia prima è una polvere metallica di acciaio, titanio, cromo cobalto, alluminio, argento, ottone, inconel (lega di nichel e cromo), allumiuro di titanio o altre leghe. Per esempio, per l’acciaio inox si utilizzaprevalentemente il processo SLS (Selective Laser Sintering) in cui la stampante deposita alternativamente un sottile strato di polvere di acciaio e un legante, e asciuga il legante fino al raggiungimento della forma completa. Il modello ottenuto, fragile e poroso, è posto in un forno per alcune ore per consolidarsi. Un processo più sofisticato utilizza il laser o un fascio di elettroni al posto del legante per unire gli strati di polvere di metallo. Il titanio stampato in 3D, per esempio, è ottenuto utilizzando il processo di Dmls (Direct Metal Laser Sinthering) o EBM (Electron Beam Melting). I prodotti ottenuti in questo modo hanno un alto grado di precisione (tolleranze di poche decine di micron) e proprietà meccaniche comparabili con prodotti ottenuti con processo sottrattivo classico.


Ottone e argento. Il modello digitale 3D è stampato in cera usando una stampante ad alta risoluzione. Poi il modello di cera viene immerso in gesso liquido che poi solidifica. Il modello di cera viene fuso in forno e quindi rimane lo stampo. L’argento o l’ottone fuso viene versato nello stampo e quando si è solidificato, lo stampo viene rotto. Di seguito può esserci un processo elettrolitico per aggiungere nikel e/o una placcatura in oro o altri metalli. Questi materiali sono perfetti per gioielli lucenti e dettagliati.
Esistono anche stampanti 3D in grado di produrre oggetti multi-colore o multi-materiale. Il principio alla base del funzionamento è simile a quello di una stampante 2D a getto di inchiostro, poiché consiste in un triplo getto che combina tre diversi materiali colorati ciano, magenta e giallo. Ciò permette di ottenere migliaia di combinazioni di colori e, grazie alla possibilità di scegliere il tipo di materiale, di ricreare svariate proprietà e finiture della superficie.


Cosa si può fare con le stampanti 3D
I campi di utilizzo delle stampanti 3D sono estremamente variegati: architettura, edilizia, design industriale, industria meccanica, automobilistica e aerospaziale (anche per applicazioni in orbita), ingegnerie varie, industria biomedicale e biologica, farmaceutica, chimica, moda, calzature, gioielleria, occhiali, strumenti musicali, alimentare, arte e restauro e persino armi.
In campo medico, la stampa 3D viene già utilizzata per la produzione di protesi e apparecchi acustici e dentali personalizzati, ma lo sviluppo ulteriore di questa tecnologia è destinato a rivoluzionare il mondo della medicina tradizionale, poiché esistono già i primi esemplari di ‘bio-stampanti’, in grado di riprodurre tessuti e organi umani.
Oggi le stampanti 3D vengono utilizzate soprattutto per la creazione di modelli e prototipi di nuovi prodotti, che poi vengono realizzati tramite i processi produttivi classici. Tuttavia l’evoluzione della tecnologia permette di creare anche prodotti finiti sempre più solidi e raffinati.
Nel settore aerospaziale, alcune parti fabbricate con i processi di produzione classici sono state sostituite con quelle ottenute con la stampa 3D. Per esempio, con queste tecnologie si ottengono pale per turboreattori che pesano la metà di quelle tradizionali, resistono a temperature più elevate, e permettono di realizzazione motori d’aereo più leggeri e affidabili e che consumano meno. Attualmente molti sviluppatori di varie università e centri di ricerca stanno lavorando su progetti open source per creare stampanti 3D per metalli a basso costo, non solo per la produzione industriale, ma anche per la fabbricazione di piccole produzioni. Esistono già a livello mondiale migliaia di centri di produzione additiva (centri servizi e FabLab) accessibili a chiunque, che stanno crescendo a una velocità sorprendente.
Un esempio di piccole produzioni è offerto dai servizi di stampa 3D dedicati a designer e artisti. Shapeways, imaterialise, Ponoko, offrono fra i servizi anche la stampa 3D di plastica, resine e metalli. Gioielli, miniature, sculture, possono essere facilmente create e messe in vendita direttamente aprendo un negozio e-commerce sul loro portale web.
Molti analisti prevedono che, nel medio periodo, i costi di produzione tra Oriente e Occidente saranno equiparabili a causa delle nuove tecnologie produttive (stampanti 3D e robot) e dell’aumento del costo del lavoro nei paesi emergenti. Le nuove tecnologie riporteranno molte attività produttive/ manifatturiere a una dimensione locale e non più globale, invertendo la tendenza alla delocalizzazione (re-shoring), in quanto i costi di spedizione e distribuzione incideranno più di quelli di produzione.

 

 


 

 

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