Come funzionano le stampanti 3D

Riccardo Ferrari7 Febbraio 2024
stampanti 3D -

Seppur non sono nate recentemente le stampanti 3D si stanno pian piano evolvendo, diventando fondamentali nella vita di tutti i giorni

Forse uno dei sogni più antichi di un futuro di fantascienza è la capacità di creare qualcosa dove una volta non c’era nulla. Se potessimo creare oggetti solidi e stabili dal nulla, l’idea di scarsità sarebbe un ricordo del passato. Sfortunatamente, non abbiamo raggiunto il livello dei dispositivi Replicator di “Star Trek”, ma ciò non significa che i moderni dispositivi di produzione siano seduti sui loro proverbiali allori.

Anche se non è esattamente fare oggetti dal nulla, la pratica della stampa 3D ha permesso non solo una maggiore flessibilità nella produzione di oggetti di varie forme e dimensioni, ma anche nella scala su cui sono fatti quegli oggetti. Chiunque può possedere una stampante 3D per creare i propri costrutti, dove crea piccoli oggetti autonomi o componenti di qualcosa di più grande. Sembra una super-scienza complicata, ma in realtà è un processo abbastanza semplice una volta capito come funzionano i vari tipi di stampanti 3D.



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Stampa 3D in generale

La pratica della stampa 3D è conosciuta come “produzione additiva“. Per darti un quadro di riferimento, la maggior parte dei processi di produzione rientra in una produzione sottrattiva o formativa. La produzione sottrattiva è quando inizi con un blocco grande e solido di qualche materiale e lo riduci accuratamente in quello che vuoi con qualche attrezzo, come una fresatrice usata per tagliare il metallo. La produzione formativa è quando il materiale viene modellato direttamente e scolpito in ciò che si desidera, come versare plastica fusa in uno stampo per fare una bambola.

Allora, cos’è la produzione additiva? Come suggerisce il nome, la produzione additiva è l’opposto della produzione sottrattiva; piuttosto che rimuovere parti del materiale, si aggiunge o si altera il materiale a strati per creare l’oggetto desiderato. Il modo esatto in cui aggiungi il materiale e, in alcuni casi, il materiale che stai effettivamente utilizzando, dipende dal tipo di dispositivo di stampa 3D che usi.

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Modellazione della deposizione fusa

Il modello di deposizione fusa, o “FDM”, è uno dei tipi di stampanti 3D più comuni per i dispositivi commerciali. Questo tipo di tecnologia è abbastanza semplice da poter essere miniaturizzata e venduta come elettrodomestico. Il segreto della stampa FDM è il filamento termoplastico, un sottile filo di plastica appositamente realizzata ed altamente ricettivo alla scultura basata sulla temperatura.

Un filo di filamento viene inserito nella stampante, dove viene riscaldato in uno stato semi-solido. Mentre entra in questo stato, passa attraverso una testa di estrusione a temperatura controllata, che sputa con cura la plastica su una superficie di stampa. Utilizzando le tue specifiche di progettazione, la plastica viene accuratamente distribuita e stratificata, fermandosi e iniziando a creare lacune nel modello. È un po’ come spremere la glassa su una torta a forma di rosa, anche se su una scala molto più piccola e precisa.

I modelli creati da questo tipo di stampante possono essere un po’ ruvidi, con linee visibili tra gli strati. Anche se la plastica è semi-solida, i singoli fili possono ancora avere piccole lacune. Questo è il motivo per cui le stampanti FDM sono buone per creare prototipi fisici e prove di concept.

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Stereolitografia

La stereolitografia, o “SLA“, è stata in realtà il primo tipo di stampa 3D sviluppato, risalente agli anni 1860 con il “metodo della fotoscultura” prima di essere realizzata come una tecnologia adeguata negli anni ’80. Le stampanti 3D SLA utilizzano una sorta di plastica prototipica chiamata resina, che viene selettivamente indurita in una forma di plastica solida.

La resina liquida utilizzata in questo processo è altamente ricettiva ai raggi ultravioletti; basta una breve esposizione a un raggio UV, che lo solidifica. Una stampante SLA utilizza un tale raggio UV, sparando raffiche controllate in una piscina di resina a formare gli oggetti che si desidera realizzare. Mentre il raggio si accende, la resina si solidifica e lo stampo di plastica viene sollevato fuori dalla piscina. Basta lavare via l’ eccesso dopo, ed il tuo modello è pronto.

A seconda della complessità del modello che stai realizzando e delle specifiche della stampante SLA che stai utilizzando, strutture di supporto speciali possono essere automaticamente indurite nella resina insieme allo stampo stesso per sostenere il tutto. Dopo il processo di polimerizzazione, è possibile strappare subito le strutture di supporto. Grazie alla precisione del fascio UV, questo processo può essere utilizzato per creare forme molto geometricamente complicate, come un modello di un cuore umano o un’impronta dei denti di qualcuno per fare ausili odontoiatrici.

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Sinterizzazione laser selettiva

Mentre la maggior parte delle forme di stampa 3D utilizza plastica semplice in una forma o nell’altra, non tutte lo fanno. Per esempio, il processo di sinterizzazione laser selettiva, o SLS, fa uso di polimeri in polvere. Potresti non pensare che una polvere sarebbe molto favorevole per la creazione di oggetti solidi, ma è a questo che serve il laser.

Una grande scatola di polvere polimerica viene fatta passare attraverso una camera, dove viene esposta selettivamente con un laser ad alta potenza. Le macchie sulla polvere che il laser colpisce sono istantaneamente legate insieme, strato per strato, creando una struttura solida sepolta nel resto della polvere. Poiché è tutto lo stesso materiale, la struttura è autosufficiente mentre è ancora sepolta, il che è utile per creare forme complicate. In seguito, basta soffiare via la polvere in eccesso ed il gioco è fatto.

La cosa particolarmente interessante della stampa SLS è che puoi usare materiali più resistenti della plastica normale. La polvere di nylon, ad esempio, è una delle scelte più popolari, poiché i suoi modelli sono leggeri, robusti e flessibili. Piuttosto che prototipi, puoi effettivamente creare parti meccaniche già finite con questo metodo.


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Stampanti 3D industriali

Come abbiamo detto prima, uno degli elementi più all’avanguardia della stampa 3D non è solo fare oggetti da apparentemente nient’altro che la scala con cui puoi farlo. Se hai una stampante di dimensioni adatte e abbastanza materiali, puoi usare qualsiasi metodo di stampa 3D per creare oggetti di qualsiasi dimensione tu possa pensare.

Le stampanti 3D di dimensioni industriali sono già utilizzate per creare componenti meccanici su larga scala, come le varie parti di un aereo per passeggeri. Non solo la stampa 3D consente di creare questi componenti molto più velocemente dei metodi di produzione tradizionali, ma possono essere più facilmente realizzati con materiali più leggeri (ma non meno resistenti). Materiali più leggeri su un piano significano meno carico sui motori, e meno carico sui motori significa meno consumo di carburante. La stampa 3D potrebbe non avere la capacità di evocare la materia dal nulla, ma è uno dei tanti modi in cui stiamo rendendo l’artigianato più accessibile e più economico.



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