Stampa 3D

Il mondo della stampa ha fatto un passo da gigante con lo sviluppo della stampa 3D. Il processo di stampa 3D è una pietra miliare di grande importanza per una vasta gamma di aziende. Tutti i fornitori o produttori di pezzi di ricambio possono produrre più velocemente e facilmente piccole serie o anche prototipi, velocizzando e semplificando i processi aziendali grazie alla stampa 3D. Su print24 puoi scoprire esattamente cosa si intende per stampa 3D, da dove ha origine, quali diversi processi sono disponibili e quali sono i vantaggi!

Definizione di stampa 3D

La stampa 3D è anche chiamata produzione additiva o generativa. L'idea alla base di questo processo di produzione è quella di convertire un modello numerico in un modello tridimensionale. Il corpo solido ottenuto ha una forma geometricamente definita. Quindi, riassumendo, la stampa 3D è la creazione di oggetti fisici da file digitali. I dati digitali vengono generati dalla modellazione CAD, dati da scanner 3D o modellazione 3D, ma la stampante 3D non può leggerli direttamente. Ciò a sua volta richiede un software che traduca la forma geometrica nel linguaggio macchina della stampante attraverso il codice G". Il software è chiamato "slicer", che divide l'oggetto 3D in singoli strati. L'oggetto viene quindi costruito/stampato strato per strato, da qui il nome produzione additiva. Questo contrasta con la produzione sottrattiva, in cui il materiale viene rimosso da oggetti esistenti. La stampa di una stampante 3D è tridimensionale, cioè l'oggetto ha una larghezza, lunghezza e altezza predefinite. Di conseguenza, la stampante 3D funziona con un asse verticale (asse Z) oltre ai due soliti assi orizzontali (asse X e Y).

La struttura e la funzione di una stampante 3D

Nel mondo delle stampanti 3D si può fare una distinzione tra stampanti aperte e chiuse, dispositivi completi e kit. Mentre la maggior parte viene consegnata completa, i kit devono prima essere assemblati dall'utente. I dispositivi completi sono generalmente più costosi dei kit, ma si risparmia l'assemblaggio. Nel caso di una stampante 3D chiusa, lo spazio di installazione è chiuso. A seconda di dove verrà utilizzata la stampante, è possibile scegliere una versione aperta o chiusa. Fondamentalmente, una stampante 3D è costituita da un piano di stampa/riscaldamento, supporto struttura, oggetto di stampa, ugello, materiale di supporto e materiale di stampa. Tuttavia, la costruzione può differire leggermente all'interno della stessa tecnologia. Secondo la costruzione sopra menzionata, una stampante 3D funziona come segue: Innanzitutto, il piano riscaldante e l'ugello si riscaldano. Quindi il piano riscaldante si sposta verso la testina di stampa. Il filamento fuso (plastica speciale, metalli o altri materiali) viene quindi applicato al piano riscaldante fino al completamento del primo strato. Una volta completato il primo strato, il piano riscaldante percorre una distanza di uno strato in altezza, misurata qui in micron. Il secondo strato di filamento viene applicato sopra il precedente e fuso con esso. Se sono presenti zone di sporgenza è possibile utilizzare una struttura di sostegno realizzata con lo stesso materiale oppure con un materiale alternativo solubile in acqua o in un'altra soluzione. L'ultimo passaggio viene ripetuto fino al completamento dell'oggetto 3D.

Tipi di processi di stampa 3D

Di seguito verranno presentati i processi di stampa 3D più comuni. Oltre a quelle citate, esistono molte altre varianti. Fondamentalmente si possono distinguere i seguenti processi di stampa 3D:

• Fusione laser selettiva (SLM)/Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
• Fusione a fascio di elettroni (EBM)
• Modellazione a deposizione fusa/Fabbricazione di filamenti fusi (FDM/FFF)
• Stereolitografia (STL/SLA)
• Saldatura laser per accumulo
• Film Transfer Imaging (FTI)
• Elaborazione digitale della luce (DLP)
• Modellazione Multi Jet / Modellazione Poly Jet

Nel processo di fusione laser selettiva, un metallo in polvere viene applicato e fuso dal laser. L'oggetto di stampa desiderato viene quindi abbassato dello spessore dello strato, la polvere viene applicata nuovamente e fusa. La stampa 3D avviene all'interno di un'atmosfera protetta; possono essere lavorati metalli, plastica, sabbia o ceramica. Al contrario, la sinterizzazione laser selettiva (SLS) non utilizza polvere metallica pura ma aggiunge un legante. Inoltre la polvere speciale viene sciolta solo parzialmente, il che fa sì che il materiale aderisca. Anche la fusione a fascio di elettroni (EBM) utilizza la polvere e la elabora allo stesso modo della fusione laser selettiva, tranne per il fatto che viene utilizzato un fascio di elettroni al posto del laser. Una molla supportata magneticamente la posiziona e la dirige.

Nell'applicazione della modellazione a deposizione fusa/fabbricazione di filamenti fusi (FDM/FFF), una plastica speciale viene prima riscaldata e quindi l'oggetto 3D viene stampato in fogli. In questo processo, il filamento viene trasportato tramite una bobina all'ugello, da dove viene applicato alla piastra di costruzione, dove si solidifica direttamente. Poiché la superficie dell'oggetto dopo la produzione spesso risulta un po' ruvida, deve essere rielaborata. Il risultato del lavoro di precisione è soddisfacente. L'indurimento della plastica liquida con l'ausilio della luce UV avviene tramite il processo di stereolitografia (STL/SLA). L'oggetto 3D viene prodotto in un bagno di plastica liquida, utilizzando un laser per polimerizzare i singoli strati. Eventuali strutture di supporto utilizzate vengono rimosse dopo il completamento e l'oggetto 3D viene polimerizzato. I modelli hanno una precisione molto elevata. La saldatura laser ad accumulo utilizza un laser a diodi o a fibra. Applica una polvere metallica o un filo metallico sul pezzo con l'aiuto di un ugello. Quando si utilizza la polvere, la stampante 3D funziona in modo completamente automatico, il che la rende adatta all'uso nella riparazione di componenti o nella produzione di prototipi.

Film Transfer Imaging (FTI) prevede l'applicazione di una sottile pellicola di materiale su un foglio di trasporto. Gli strati vengono creati mediante illuminazione, dopodiché il pezzo viene sollevato e quindi viene applicata una nuova pellicola. Questo processo continua fino al completamento dell'oggetto 3D, che ha un livello di precisione molto elevato. Le plastiche sensibili alla luce vengono utilizzate come filamento in FTI. Nel Digital Light Processing (DLP), l'oggetto 3D viene creato da un bagno di plastica. Il processo è una miscela di tecnologia di stampa 3D STL e FTI, per cui la tecnologia FTI viene utilizzata come in RTI. Il Multi Jet Modeling/Poly Jet Modeling, invece, utilizza una tecnica simile a quella della stampante a getto d'inchiostro. Qui diversi ugelli sono collegati a una testina di stampa, che poi stampa il modello 3D strato dopo strato. I modelli sono caratterizzati da un altissimo livello di dettaglio e come filamenti vengono utilizzati fotopolimeri sensibili ai raggi UV, polimerizzati con la luce.

I materiali per i processi di stampa 3D

A causa del progresso tecnologico, nel corso degli anni il materiale per la stampa 3D ha dovuto essere continuamente adattato. Presentiamo i materiali specializzati più importanti come plastica o metalli nei seguenti:

Materie plastiche per la stampa 3D

Il PLA (poliattide) è uno dei materiali più popolari per la stampa 3D. I polimeri sintetici appartengono al gruppo dei poliesteri, sono ottenuti dall'amido di mais, cioè risorse rigenerative e sono biocompatibili e riciclabili. Il PLA può essere lavorato già a basse temperature di fusione di 70 °C e generalmente rimane dimensionalmente stabile anche durante il raffreddamento. Queste due proprietà rendono il PLA ideale sia per gli utenti privati ​​che per quelli professionali. Il PLA è ora disponibile in molti colori diversi. L'unico svantaggio del materiale è che è solo leggermente robusto e resistente al calore, quindi non è adatto alla produzione di componenti altamente sollecitati.

L'ABS (acrilonitrile butadiene stirene) è il secondo materiale plastico più comunemente utilizzato nella stampa 3D ed è anche un polimero sintetico. È composto da acrilonitrile, 1,3 butadiene e stirene. Le proprietà vantaggiose sono la resistenza, la rigidità e la tenacia del materiale. Può essere utilizzato per la prototipazione e la fabbricazione di prodotti finali. L'ABS viene stampato a una temperatura compresa tra 220 e 250 °C e deve essere stampato in una sala stampa o in un piano di stampa riscaldato. In questo modo gli oggetti fabbricati possono raffreddarsi e si possono evitare deformazioni. Come il PLA, l’ABS è disponibile in diversi colori ed è relativamente economico, ma a causa delle alte temperature coinvolte nella stampa 3D è meno popolare tra gli utenti privati. Inoltre non ha sufficiente resistenza agli agenti atmosferici.

I PEEK (polietereterchetone) sono polimeri sintetici del gruppo dei polieterchetoni. Possono essere utilizzati per stampare oggetti altamente resilienti e resistenti alla temperatura. Sono inoltre biocompatibili e resistenti agli agenti chimici. Il PEEK termoplastico più leggero di circa il 70% rispetto ai metalli con proprietà simili, ma ha una stabilità meccanica e termica equivalente. Il settore automobilistico, l'industria chimica e l'industria aerospaziale preferiscono quindi utilizzare il PEEK. Viene stampato a una temperatura compresa tra 360 e 380 °C e quindi non è molto adatto per l'uso privato.

Anche l'HIPS (polistirene ad alto impatto) appartiene ai polimeri termoplastici ed è prodotto polimerizzando il polibutadiene in polistirolo. Ha elevata resistenza agli urti e durezza e può essere dissolto in sostanze chimiche. Ciò lo rende particolarmente adatto come materiale di supporto per altri polimeri. Viene rimosso chimicamente in modo che anche le tolleranze più strette possano essere mantenute nei componenti fabbricati.

PA (nylon/poliammide) ha un'elevata resistenza alla trazione, fonde a 250 °C ed è atossico. Gli oggetti 3D creati con il nylon sono robusti e resistenti ai danni. Il nylon non viene danneggiato dalle sostanze chimiche più comuni ed è poco costoso. Tuttavia, lo svantaggio di questo materiale è che a causa delle elevate temperature di fusione è difficilmente adatto all'uso privato e richiede sia un piano di stampa riscaldato che colla bianca, in modo che aderisca al piano di stampa durante la stampa 3D.

La maggior parte delle persone probabilmente ha familiarità con il PET (polietilene tereftalato) delle bottiglie per bevande. Ed è proprio qui che risiede il vantaggio, perché il PET è sicuro per gli alimenti e può essere utilizzato per l’imballaggio. Poiché durante il processo di fusione non vengono prodotti vapori, la stampa 3D con PET non richiede un ambiente di stampa riscaldato. Ciò rende l'applicazione popolare nel settore privato. Gli oggetti 3D in PET sono relativamente robusti ma allo stesso tempo flessibili.

Il PETG (PET con glicole) raggiunge un'elevata trasparenza del materiale attraverso la modifica con glicole. Ciò migliora anche le proprietà di stampa. Ciò si traduce in una temperatura di fusione più bassa e in una minore cristallizzazione. Il PETG può essere estruso più velocemente del PET ed è resistente agli agenti atmosferici. Ecco perché viene spesso utilizzato per mobili e attrezzi da giardino, nonché per vasi.

Metalli per la stampa 3D

Oltre alle materie plastiche citate, nella stampa 3D possono essere utilizzati anche i metalli.

L’alluminio o le leghe di alluminio sono adottate nella stampa 3D grazie alla loro resistenza e alle buone proprietà termiche. Inoltre, gli oggetti 3D sono leggeri e possono essere rielaborati in modo flessibile. L’industria automobilistica, aerospaziale e aeronautica trae vantaggio dall’uso delle leghe di alluminio; parti di motori, alloggiamenti, stampi, prototipi, condotti dell'aria e molto altro ancora vengono prodotti utilizzando la stampa 3D.

Il titanio o le leghe di titanio sono tra le più conosciute nella stampa 3D con metalli. Ha eccezionali proprietà meccaniche e allo stesso tempo un basso peso specifico. Il materiale è resistente alla corrosione e può essere utilizzato in molti ambienti con elevati requisiti tecnici come l'aviazione. Dispositivi medici, pezzi di ricambio, prototipi funzionali o personalizzati sono gli oggetti 3D più comuni realizzati in leghe di titanio.

Un altro metallo utilizzato nella stampa 3D è l’acciaio inossidabile/lega di acciaio inossidabile. Ha un basso contenuto di carbonio ed è molto resistente alla corrosione. I prodotti realizzati in modo appropriato hanno anche un'eccellente resistenza, buone proprietà termiche ed elevata duttilità. La stampa 3D con acciaio inossidabile viene utilizzata preferibilmente per componenti di macchine o applicazioni adatte alla sicurezza alimentare.

Oltre alla plastica e ai metalli, tra i materiali utilizzati nella stampa 3D rientrano anche la ceramica, la sabbia, il cemento e il vetro.

La storia della stampa 3D: chi ha inventato la stampante 3D?

La storia della stampa 3D risale al 19° secolo. Nel 1859, il francese François Willème, che lavorò come fotografo e scultore, inventò un apparecchio che permetteva di creare un modello 3D con l'ausilio di diverse fotocamere. Nel 1892 l'austriaco Joseph E. Blanther richiese un brevetto per la produzione di mappe in rilievo. Per la produzione di queste mappe, allora le lastre di cera venivano laminate, da esse veniva ritagliata la forma desiderata e incollate una sull'altra. Ciò ha creato la mappa 3D attraverso diversi livelli.

Dopo che per diversi decenni non ci furono ulteriori sviluppi della stampa 3D, nel 1980 l'inventore giapponese Hideo Kodama depositò un altro brevetto: in questo descrisse come un materiale fotopolimerico si indurisse utilizzando la luce UV e in questo modo creare un modello strato per strato, come nella stereolitografia. Non potendo continuare a pagare la domanda di brevetto a causa di difficoltà finanziarie, abbandonò. Nel 1984 i francesi Alain le Méhauté, Olivier de Witte e Jean-Claude André tentarono di ottenere un brevetto per il processo in cui un liquido viene indurito con una fonte di luce. Chiamarono anche questa stereolitografia. L’istituto di ricerca contattato, però, non intuì il potenziale dell’invenzione e interruppe il progetto. Infine, tre settimane dopo, fu l'americano Chuck W. Hull a richiedere il brevetto. Già nel 1981 aveva inventato la stereolitografia, che venne messa in pratica per la prima volta nel 1983. Nel 1985 fu disponibile il primo programma di progettazione 3D e nel 1986 fondò l'azienda ormai famosa in tutto il mondo 3D Systems. Nel 1988 fu lanciata sul mercato la prima stampante 3D (macchina SLA-1).

Nel 1992, alla DTM venne prodotta la prima macchina per sinterizzazione laser selettiva, che irradiava la polvere con luce laser ed eseguita da una stampante 3D di Z Corp, utilizzando il processo di getto di legante. Entro la fine degli anni '90, oltre alla plastica fu possibile lavorare anche i metalli e furono creati più programmi CAD. Negli anni 2000 prese piede la produzione additiva, che si è affermò in medicina. Per la prima volta un organo stampato in 3D venne impiantato in un essere umano. Gli anni 2000 si contraddistinsero per ulteriori sviluppi. Le stampanti 3D potevano produrre parti per altre stampanti 3D e entrarono nel mondo del lavoro. Dal 2010 i nuovi modelli hanno potuto stampare anche prototipi di automobili, sono emerse le stampanti 3D per alimenti, i primi componenti stampati in 3D per stazioni spaziali e protesi mascellari e ossee. Allo stesso modo, le piccole e medie imprese hanno beneficiato della stampa 3D, che ha consentito loro di produrre prototipi in modo più economico. Il processo di produzione additiva della plastica più produttivo è attualmente il processo Multi Jet Fusion, in base al quale gli oggetti risultanti hanno una superficie omogenea e una densità del materiale quasi priva di pori.

Allora cosa ci riserva il futuro? È molto probabile che la tecnologia della stampa 3D si svilupperà verso la produzione di massa, poiché sempre più materiali possono essere stampati in tempi più brevi e con alta qualità.

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