Funzionamento delle stampanti e delle penne 3D

Siamo abituati a disegnare usando la tecnica della prospettiva e a stampare su fogli di carta, sui quali le immagini di oggetti reali sono riprodotte in forma bidimensionale. Sebbene le stampanti e le penne 3D siano già pienamente diffuse nel mercato moderno e a prezzi accessibili a tutti, risulta ancora incredibile pensare di poter stampare un oggetto in modo coerente alla realtà o di poter disegnare l’altezza e la profondità delle cose.

La stampante 3D

Rispetto alla classica stampante bidimensionale ad inchiostro, la stampante 3D è molto meno diffusa come macchina per uso personale. Piuttosto, essa sta riscuotendo sempre più successo nelle aziende specializzate in settori industriali e in ambito di ricerca, grazie alla riduzione dei tempi e dei costi che questa tecnica offre rispetto alla prototipazione rapida. Si pensi, ad esempio, alla fase di progettazione grafica che precede la fase di produzione di un oggetto: una volta disegnato il modello tramite software, con la stampante 3D si può osservare rapidamente il prototipo nella realtà, sebbene con materiali e, spesso, con scala diversi dal prodotto finale. Attraverso la scelta del materiale di stampaggio più adeguato al caso, si può riprodurre un modello in grado di emulare la funzionalità dei futuri oggetti di produzione, oltre che il loro aspetto reale. Inoltre, c’è anche la possibilità di stampare e assemblare parti composte da diversi materiali con diverse proprietà fisiche e meccaniche in un singolo processo di costruzione. Una tecnologia davvero promettente se si pensa alla sua applicazione in campo biomedico, meccanico, aerospaziale, ecc.

Immagini 3D e software CAD come supporto agli odontotecnici nella progettazione di protesi dentarie (fonte: mavedds.com)

Grazie a queste macchine, è possibile produrre protesi ad elevatissima risoluzione: orecchi bionici, placche per trapianti facciali, incubatrici neonatali, organi, tessuti, ossa e protesi. Quello biomedico risulta tra le più interessanti branche d’applicazione della tecnologia 3D.

Principio di funzionamento delle stampanti 3D

Le quattro fasi di funzionamento di una stampante 3D sono:

1.Progettazione dell’oggetto:

Il modello virtuale dell’oggetto desiderato dev’essere progettato al meglio se ci si aspetta un buon funzionamento del prodotto stampato. Ciò vuol dire essere precisi anche nei dettagli del disegno. In questa fase si utilizzano software di modellazione grafica come AutoCAD o Blender. Se non si hanno buone doti di modellazione, esistono scanner 3D per acquisire l’immagine dell’oggetto, oppure si possono acquistare e scaricare modelli pre-confezionati nelle librerie online di modelli 3D.

2.Formato del modello 3D:

Finita la fase progettuale, il modello CAD dev’essere salvato in formato .STL (Standard Triangulation Language To Layer): la superficie dell’oggetto viene convertita in una serie di triangoli adiacenti, in modo da ricreare l’oggetto 3D di partenza, come una sorta di mesh. Le coordinate dei vertici di questi triangoli, raccolte e salvate, creano il file STL . Questo formato, una volta trasformato in linguaggio macchina, permette alla stampante di seguire un “percorso mappato” per muoversi durante il processo di stampa delle forme. Infine, il file STL si carica in un software di slicing.

Geometria di file STL a partire da un modello CAD

La fase di slicing prevede la conversione del modello tridimensionale in una serie di strati (layers) piani e orizzontali. Essi vengono stampati uno sopra l’altro, per deposizione di materiale fuso, dall’estrusore della stampante. La tipica rigatura orizzontale che spesso si nota sugli oggetti stampati, è dovuta proprio alla successiva sovrapposizione degli strati elementari.

Nei software di slicing si impostano i parametri di stampa, come lo spessore dei layer, l’infill (riempimento) e la velocità di stampa. Inseriti tutti i parametri si può mandare in stampa l’oggetto salvando il file in un formato apposito, cioè “leggibile” dalla stampante 3D: il G-code.

3.Scelta dei materiali: l’ “inchiostro” della stampante 3D

I materiali utilizzati per stampare sono termoplastici, cioè composti plastici che si sciolgono quando si scaldano, e diventano solidi quando si raffreddano. Ad oggi, quelli più usati nelle stampanti comuni sono disponibili in forma di polvere, filamenti, pallet, granuli, resine, ecc. La scelta varia a seconda dell’oggetto da realizzare. Esistono anche materiali più ricercati come ceramiche e paste dentarie, destinati a modelli di settori industriali particolari.

I più diffusi materiali plastici usati per lo stampaggio, sono:

  • ABS (acrilonitrile butadiene stirene), fuso a 250°C e utilizzato per la realizzazione di oggetti resistenti come i famosi mattoncini LEGO®
  • PLA (acido polilattico) scelto per la varietà di colori disponibili e perchè è biodegradabile
  • nylon, apprezzato per la sua resistenza, flessibilità e anche perché di colore bianco (quindi adatto alla colorazione prima o dopo la stampa)
  • metalli (acciaio, oro, argento, titanio) utilizzato soprattutto per la creazione di oggetti artigianali (ad es. gioielleria)

4.L’estrusione: la stampante 3D in azione

L’estrusore riscalda i materiali da usare per la stampa, fonde i filamenti e li fa uscire dalla testina, come una pistola per colla a caldo. Quindi si muove disponendo i filamenti di materiale e costruisce il modello 3D uno strato alla volta, dal basso verso l’alto, stampando ripetutamente sulla stessa area. Tale metodo è noto come modellazione a deposizione fusa:

schema di funzionamento dell’estrusore di una stampante 3D
processo di stampaggio 3D – particolare estrusore (video)

Altre tecniche di stampaggio tridimensionale:

  • Stampa a getto di materiale (fotopolimeri e cere)
  • Stampa a getto di materiale legante (soluzione legante, simile a una colla, che aggrega polveri di plastica, di vetro, metalliche o sabbia)
  • Fusione a letto di polvere (strati di polvere di materiale fusi insieme tramite un raggio laser, che realizza la sinterizzazione)
  • Stampa a laminazione di fogli (sottili fogli di materiale, tipicamente carta o metalli, legati insieme tramite adesivi o fonti di calore)
  • Deposizione diretta dell’energia (una fonte ad alta energia fonde il materiale quando viene depositato sulla piattaforma)

La penna 3D

E’ un oggetto piccolo e maneggevole, molto simile ad una classica penna a inchiostro, che permette di disegnare figure tridimensionali. Gli oggetti realizzati non sono paragonabili a quelli ottenibili tramite stampanti 3D. Al massimo, può risultare utile per riparare o perfezionare punti di oggetti già stampati dalla stampante. La penna è uno strumento con cui ci si puo’ divertire. Molto usata, ad esempio, per decorare oggetti o per creare piccoli gioielli.

penna 3D per la creazione di piccoli oggetti

Funzionamento della penna 3D

Il funzionamento di una penna 3D è molto semplice: si inserisce il filamento di materiale nella parte posteriore della penna. La temperatura da impostare varia a seconda del tipo di materiale scelto. Una volta arrivata a tale temperatura (tipicamente 270°C), un pulsante attiva il motorino dell’estrusore, che spinge fuori dal pennino la plastica fusa. Oltre la temperatura, le penne 3D di seconda generazione permettono di modificare anche la velocità di estrusione. Infine, la plastica fuoriuscita si raffredda subito e si indurisce, prendendo la forma desiderata.

Materiali del filamento usati

I materiali adatti alla penna sono gli stessi delle stampanti 3D:

Materiali utilizzati nelle penne 3D (fonte: www.italia3dprint.it)

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