Stampa 3D

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Un laser selettivo di una macchina a prototipazione rapida

La Stampa 3D rappresenta la naturale evoluzione della stampa 2D e permette di avere una riproduzione reale di un modello 3D realizzato con un software di modellazione 3D. Inoltre essa è considerata una forma di produzione additiva mediante cui vengono creati oggetti tridimensionali da strati di materiali successivi.

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

Le stampanti 3D sono:

  • generalmente più veloci, più affidabili e più semplici da usare rispetto ad altre tecnologie per la produzione additiva.
  • offrono la possibilità di stampare e assemblare parti composte da diversi materiali con diverse proprietà fisiche e meccaniche in un singolo processo di costruzione. Le tecnologie di stampa 3D avanzate creano modelli che emulano molto da vicino l'aspetto e le funzionalità dei prototipi.

Una stampante tridimensionale lavora prendendo un file 3D da un computer e utilizzandolo per fare una serie di porzioni in sezione trasversale. Ciascuna porzione è poi stampata l'una in cima all'altra per creare l'oggetto 3D.

« La stampa tridimensionale rende economico creare singoli oggetti tanto quanto crearne migliaia e quindi mina le economie di scala. Essa potrebbe avere sul mondo un impatto così profondo come lo ebbe l'avvento della fabbrica... Proprio come nessuno avrebbe potuto predire l'impatto del motore a vapore nel 1750 — o della macchina da stampa nel 1450, o del transistor nel 1950 — è impossibile prevedere l'impatto a lungo termine della stampa 3D. Ma la tecnologia sta arrivando, ed è probabile che sovverta ogni campo che tocchi. »
(The Economist, in un editoriale del 10 febbraio 2011[1])

Negli ultimi anni il costo delle stampanti 3D si è considerevolmente contratto, rendendole economicamente accessibili alle piccole e medie imprese e favorendone l'ingresso nel mondo degli uffici. Sebbene la prototipazione rapida domini gli usi attuali, le stampanti 3D offrono un grande potenziale per la produzione di applicazioni. La tecnologia trova anche uso nel settore della gioielleria, calzoleria, progettazione industriale, architettura, automotiva, aerospaziale, medico e dentistico.

Nel gennaio 2012 The Pirate Bay ha annunciato la nascita della categoria Physible per i file contenenti la descrizione di oggetti tridimensionali da stampare[2][3][4].

Metodi[modifica | modifica wikitesto]

Esistono diverse tecnologie per la stampa 3D e le loro differenze principali riguardano il modo in cui sono stampati gli strati. Alcuni metodi usano materiali che si fondono o si ammorbidiscono per produrre gli strati, ad es. il selective laser sintering (SLS) e la modellazione a deposizione fusa (fused deposition modeling, FDM), mentre altri depongono materiali liquidi che sono fatti indurire con tecnologie diverse. Nel caso dei sistemi di laminazione, si hanno strati sottili che vengono tagliati secondo la forma e uniti insieme.

Ogni metodo ha i suoi vantaggi e inconvenienti, e conseguentemente alcune società offrono una scelta tra polvere e polimero come materiale dal quale l'oggetto è ricavato. Generalmente, i fattori principali presi in considerazione sono la velocità, il costo del prototipo stampato, il costo della stampante 3D, la scelta dei materiali, le colorazioni disponibili, ecc.[5]

Un metodo di stampa 3D consiste in un sistema di stampa ad estrusione di materiale. La stampante crea il modello uno strato alla volta, spargendo uno strato di polvere (gesso o resine) e stampando con il getto d'inchiostro un legante nella sezione trasversale della parte. Il processo viene ripetuto finché non è stampato ogni strato. Questa tecnologia è l'unica che consente la stampa di prototipi interamente a colori. Questo metodo permette anche di realizzare sporgenze. È inoltre riconosciuto come il metodo più veloce.

Nel Digital Light Processing (DLP), una vasca di polimero liquido è esposto alla luce di un proiettore DLP in condizioni di luce inattinica. Il polimero liquido esposto si indurisce. La piastra di costruzione poi si muove in basso in piccoli incrementi e il polimero liquido è di nuovo esposto alla luce. Il processo si ripete finché il modello non è costruito. Il polimero liquido è poi drenato dalla vasca, lasciando il modello solido. Lo ZBuilder Ultra o la 3DL Printer sono esempi di sistema di prototipazione rapida DLP.

Il fused deposition modeling (FDM), una tecnologia sviluppata dalla Stratasys[6] che si adopera nella prototipazione rapida tradizionale, usa un ugello per depositare un polimero fuso su una struttura di supporto, strato dopo strato.

Un altro approccio è la fusione selettiva di un mezzo stampato in un letto granulare. In questa variazione, il mezzo non fuso serve a sostenere le sporgenze e le pareti sottili nella parte che viene prodotta, riducendo il bisogno di supporti ausiliari temporanei per il pezzo da lavorare. Normalmente si usa un laser per sinterizzare il mezzo e formare il solido. Esempi di questa tecnica sono l'SLS e il DMLS (direct metal laser sintering]), che usano metalli.

Infine, le configurazioni ultrasottili sono realizzate mediante la tecnica di microfabbricazione 3D della fotopolimerizzazione a due fotoni. In questo approccio, l'oggetto 3D desiderato è evidenziato in un blocco di gel da un laser concentrato. Il gel è fatto indurire in un solido nei punti dov'era concentrato il laser, grazie alla natura non lineare della fotoeccitazione, ed il gel rimanente viene poi lavato via. Si producono facilmente configurazioni con dimensioni al di sotto dei 100 nm, così come strutture complesse quali parti mobili e intrecciate.[7]

Diversamente dalla stereolitografia, la stampa 3D a getto è ottimizzata per velocità, costo contenuto e facilità d'uso, rendendola adatta per la visualizzazione dei modelli elaborati durante gli stadi concettuali della progettazione ingegneristica fino agli stadi iniziali del collaudo funzionale. Non sono richieste sostanze chimiche tossiche come quelle utilizzate nella stereolitografia, ed è necessario un lavoro minimo di finitura dopo la stampa; occorre soltanto usare la stessa stampante per soffiare via la polvere circostante dopo il processo di stampa. Le stampe con polvere legata possono essere ulteriormente rinforzate mediante l'impregnazione con cera o polimero termofissato. Nell'FDM le parti possono essere rinforzate inserendo un altro metallo nella parte mediante assorbimento per capillarità.

Nel 2006, Sébastien Dion, John Balistreri e altri presso l'Università statale di Bowling Green cominciarono una ricerca sulle macchine per la prototipazione rapida in 3D, creando oggetti d'arte ceramica stampati. Questa ricerca ha portato all'invenzione di polveri ceramiche e di sistemi di legatura che consentono di stampare materiale di argilla da un modello al computer e poi di cuocerlo per la prima volta.[8]

Risoluzione[modifica | modifica wikitesto]

La risoluzione è espressa in spessore degli strati e la risoluzione X-Y in dpi. Lo spessore degli strati tipicamente è intorno ai 100 micrometri (0,1 mm), mentre la risoluzione X-Y è paragonabile a quella delle stampanti laser. Le particelle (punti 3D) hanno un diametro all'incirca da 50 a 100 micrometri (0,05-0,1 mm).

Stampa[modifica | modifica wikitesto]

Per poter stampare in 3D un oggetto bisogna avere un modello 3D il quale viene prodotto con dei software di modellazione 3D come Blender, Autocad e OpenScad. Quindi, o si hanno buone doti di modellazione oppure ci sono delle soluzioni con scanner 3D per poter replicare l'oggetto che si desidera stampare. Finito questo passaggio si salva il modello nel formato .STL e lo si carica in un software apposito che viene comunemente detto Slicer, ce ne sono di diversi tipi, sia open source che proprietari; tra i più famosi possiamo trovare CURA, Slic3R e Repetier host. In questi software si possono impostare molti parametri per la stampa, come lo spessore del layer, infill, velocità di stampa e impostare tutti i dati della stampante 3D. Inseriti tutti i parametri si può mandare in stampa l'oggetto salvando il file in un formato apposito che possa essere letto dalla stampante 3D, il GCode.

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

La stampa 3D si usa comunemente nella visualizzazione dei modelli, nella prototipazione/CAD, nella colata dei metalli, nell'architettura, nell'educazione, nella tecnica geospaziale, nella sanità e nell'intrattenimento/vendita al dettaglio. Altre applicazioni includerebbero la ricostruzione dei fossili in paleontologia, la replica di manufatti antichi e senza prezzo in archeologia, la ricostruzione di ossa e parti di corpo in medicina legale e la ricostruzione di prove gravemente danneggiate acquisite dalle indagini sulla scena del crimine. Utilizzando particolari processi di scansione e stampa 3D è anche possibile riprodurre i beni culturali.

Più recentemente, si è suggerito l'uso della tecnologia della stampa 3D per espressioni di tipo artistico.[9] Gli artisti hanno usato le stampanti 3D in vari modi.[10]

La tecnologia della stampa 3D viene attualmente studiata dalle aziende e dalle accademie di biotecnologia per il possibile uso nelle applicazioni di ingegneria tissutale in cui sono costruiti organi e parti di corpo usando tecniche a getto d'inchiostro. Strati di cellule viventi sono depositati su un mezzo gelatinoso e accumulati lentamente per formare strutture tridimensionali. Per riferirsi a questo campo di ricerca si sono usati vari termini: tra gli altri, stampa organica, bio-stampa e ingegneria tissutale assistita da elaboratore.[11] La stampa 3D può produrre una protesi personalizzata dell'anca in un unico passaggio, con la parte sferica dell'articolazione permanentemente nella cavità articolare, e anche con le attuali risoluzioni di stampa l'unità non richiederà la lucidatura.

Grazie alle stampanti 3D è stato possibile realizzare anche abitazioni ecofriendly, come Villa Asserbo, in Danimarca, a 60 Km a Nord da Copenaghen. Gli architetti danesi dell'eentileen (gli ideatori) hanno inserito i progetti digitali dell'abitazione in una stampante CNC - provvista di un trapano delle dimensioni di una stanza - che gli ha permesso di ultimare la costruzione in sole quattro settimane utilizzando 820 fogli di compensato ricavato dalle foreste certificate Finlandesi.

L'uso delle tecnologie di scansione 3D consente la replica di oggetti reali senza l'utilizzo delle tecniche di stampaggio, che in molti casi possono essere più costose, più difficili, o anche più invasive da eseguire; particolarmente con preziosi o delicati manufatti dei beni culturali[12] dove il contatto diretto delle sostanze di stampaggio potrebbe danneggiare la superficie dell'oggetto originale.

Esistono anche stampanti 3D in grado di utilizzare materiali additivi. Questo tipo di stampanti contribuiscono favorevolmente all'ecologia del nostro pianeta, perché permettono di realizzare cibo in totale autonomia, eliminando le emissioni di carbonio che vengono generate durante il trasporto di beni alimentari. A tal proposito, 2 ragazzi canadesi (Charles Mire e Andrew Fickle) hanno mostrato al mondo la stampante chiamata "Discov3ry Paste Extruder", del costo di 379$, che consente di stampare salsa wasabi, pasta di legno, argilla, ceramica e anche Nutella[13].

Stampanti 3D per uso domestico[modifica | modifica wikitesto]

RepRap versione 2.0 (Mendel)

Ci sono stati vari sforzi per sviluppare stampanti 3D adatte all'uso domestico, e per rendere questa tecnologia disponibile a prezzi accessibili a molti utenti finali individuali. Molto di questo lavoro è stato guidato da e focalizzato su comunità di utenti fai da te/entusiasti/precoci, con legami con il mondo accademico.

RepRap è un progetto che mira a produrre una stampante 3D FLOSS, le cui specifiche complete sono distribuite sotto la GNU General Public License, e che può stampare una copia di sé stessa. Alla data del novembre 2010, la RepRap poteva stampare solo parti in plastica. La ricerca è in corso per permettere al dispositivo di stampare anche circuiti stampati, nonché parti in metallo.

Un altro progetto che ha fatto strada e che ha ereditato molto dalla RepRap è la Thing-o-Matic della MakerBot Industries. La Thing-o-Matic è stata la prima stampante venduta in kit di montaggio e diffusa in tutto il mondo. Il modello Replicator della Makerbot, sta prendendo il posto della Thing-o-Matic. La Replicator ha riscosso un grandissimo successo al CES di Las Vegas 2012.

Anche in Italia sono state sviluppate stampanti 3D tra cui la Galileo, la Sharebot, la Playmaker che con un volume di stampa maggiore la rende accessibile anche all'uso professionale oltre che privato, la PowerWasp, realizzata da Wasp Project che lavora per divulgare le tecnologie più avanzate e renderle raggiungibili a tutti, pari conoscenza e pari opportunità per liberare la creatività e rilanciare l’economia dal basso.

Recentemente sono state presentate stampanti 3d chiamate a "doppio estrusore" come la Markebot Replicator 2X e la XYZ DaVinci 2.0. Queste stampanti permettono di stampare un modello usando due filamenti permettendo al modello di avere due colori diversi.

Stampanti 3D per uso spaziale[modifica | modifica wikitesto]

Nel 2013 nasce il progetto AMAZE (Additive Manufacturing Aiming Towards Zero Waste and Efficient Production of High-Tech Metal Products che significa: Produzione efficiente di prodotti di Metallo ad alta tecnologia con Manifattura additiva attraverso "Spazzatura Zero"), un consorzio di 28 aziende per portare la stampa 3D nello spazio e poter stampare autonomamente pezzi di ricambio metallici, contenendo i costi e minimizzando gli sprechi[14][15]. Attualmente ci sono ancora alcuni problemi tecnici affinché si possa arrivare alla produzione di metalli di qualità industriale.

Per quanto concerne invece la tecnologia 3D "Contour Crafting" [16] la Nasa sta pensando ad un sistema per inviare la stampante 3D che sfrutta questa particolare tecnologia su di altri pianeti, in modo da realizzare abitazioni in totale autonomia.

Stampanti 3D per uso edilizio[modifica | modifica wikitesto]

Progetto per stampare una casa con una stampante 3D ad Amsterdam
L'interno della stampante 3D per costruire edifici di Amsterdam

Attualmente[Quando?] si stanno testando materiali e stampanti 3D interamente indirizzate al settore edilizio/architettonico. Degni di nota sono gli esperimenti dell'italiano Enrico Dini e della sua azienda D-Shape, il quale è riuscito a stampare la pietra. WASP, altra azienda italiana, è riuscita a stampare oggetti in argilla.

Al di fuori dell'Italia si notano notevoli sviluppi soprattutto nella messa a punto del materiale cementizio: in Cina sono riusciti a stampare 10 case in calcestruzzo in 24 ore; mentre in California del Sud, grazie al progetto Contour Crafting, è stata ideata una stampante in grado di costruire una casa[16] di 100mq, con muri e solette.

Altro progetto molto interessante arriva dalla Spagna e si chiama Minibuilders: si tratta di piccoli robot che mentre si muovo su cingoli rilasciano materiale. Potenzialmente questi piccoli robot potrebbero stampare volumi di dimensioni infinite.

Stampanti 3D in campo medicale[modifica | modifica wikitesto]

Nel settore medicale la stampa 3D sembra un fiorire di nuovi progetti. Infatti solo pochi mesi fa ad Utrecht è stato effettuato il primo trapianto di cranio stampato in 3D ad un paziente. La calotta cranica è stata realizzata con un resina speciale tramite l'utilizzo di una stampante 3D. Altri possibili utilizzi della stampante 3D applicata alla medicina sono quelli di supporto alle attuali tecniche chirurgiche: ad esempio, grazie alla ricostruzione in 3D di un cuore di un bambino di 14 mesi un team specializzato è riuscito ad effettuare un'operazione prima impensabile.

In Brasile, alla cerimonia di apertura dei Mondiali di Calcio 2014, un giovane paraplegico ha potuto calciare un pallone grazie ad un esoscheletro controllato mentalmente. Il punto nevralgico dell'esoscheletro, il casco, è stato stampato in 3D[17].

Craig Gerrand, chirurgo presso il Newcastle Upon Tyne Hospitale NHS Trust, ha operato per la prima volta al mondo una persona malata di tumore sfruttando i vantaggi della stampa 3D[18]. Al paziente doveva essere rimosso metà bacino per evitare che il cancro continuasse a svilupparsi nel corpo. Tramite una precisa ricostruzione in 3D del bacino ed una stampa realizzata con una stampante 3D laser che utilizza polvere di titanio, è stato possibile creare la protesi di mezzo bacino, impiantandola successivamente nel corpo del paziente.

Presso la Washington University of St. Louis è stato realizzato un arto robotico sfruttando la stampa 3D[19]. L'aspetto interessante di questa vicenda riguarda soprattutto i costi: una protesi "normale" sarebbe costata oltre 5000$ in più. Grazie alla stampa 3D è dunque possibile realizzare protesi artificiali risparmiando una notevole mole di denaro.

Per quanto concerne invece il grave problema dell'osteoartrite, anche in questo caso la stampa 3D sta fornendo soluzioni un tempo impensabili. Il 27 aprile 2014, alla Experimental Biology Conference 2014 di San Diego, è stato mostrato un sistema che permette la sostituzione delle parti colpite dall'osteoartrite con cartilagine derivata dalle cellule staminali. Questa tecnica prevede l'utilizzo di stampanti 3D per modellare la cartilagine[20].

Un altro esempio è la ricostruzione facciale effettuata su di un ragazzo colpito da un terribile incidente: si è proceduto con la ricostruzione e successiva stampa in 3D della faccia grazie a delle fotografie precedenti al fatto.

L'azienda statunitense Organovo sta testando la stampa 3D di materiali organici per la riproduzione di organi umani.

Tecnologie di prototipazione e i loro materiali di base[modifica | modifica wikitesto]

Ricerca[modifica | modifica wikitesto]

Sono allo studio progetti di stampanti 3d per la produzione di cibo dall'impresa Systems and Materials Research Corporation con 125.000 dollari di finanziamento dall'agenzia spaziale NASA e di cellule umane dall' università di Oxford[21][22].

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Print me a Stradivarius in editoriale, The Economist, 10 febbraio 2011. URL consultato il 15 febbraio 2011.
  2. ^ Evolution: New category.
  3. ^ The Pirate Bay Wants You To Really Download A Car da TorrentFreak
  4. ^ Pirate Bay lancia i "Physibles" oggetti reali da stampare in 3d da la Repubblica
  5. ^ Factors to Consider When Choosing a 3D Printer. URL consultato il 1º settembre 2009.
  6. ^ Chee Kai Chua, Kah Fai Leong, Chu Sing Lim, Rapid Prototyping, World Scientific, 2003, p. 124, ISBN 978-981-238-117-0. URL consultato il 31 ottobre 2008.
  7. ^ Cheaper avenue to 65 nm?, EETimes.com. URL consultato il 10 settembre 2009.
  8. ^ John Balistreri, Creating Ceramic Art Using the Rapid Prototyping Process in Studio Potter, vol. 36, nº 2, estate-autunno 2008.
  9. ^ How 3-D Printing Figures To Turn Web Worlds Real (PDF), Wall Street Journal Online, 12 dicembre 2007. URL consultato il 1º settembre 2009.
  10. ^ Séquin, C. H. 2005. Rapid prototyping: a 3d visualization tool takes on sculpture and mathematical forms. Commun. ACM 48, 6 (giugno 2005), 66-73. [1]
  11. ^ ABC News: 'Organ Printing' Could Drastically Change Medicine, Abcnews.go.com. URL consultato il 1º settembre 2009.
  12. ^ Paolo Cignoni, Roberto Scopigno, Sampled 3D models for CH applications: A viable and enabling new medium or just a technological exercise? (PDF) in ACM Journal on Computing and Cultural Heritage, vol. 1, nº 1, giugno 2008, p. 1, DOI:10.1145/1367080.1367082.
  13. ^ Stampa 3D ed ecologia, 22 settembre 2014.
  14. ^ Satelliti e razzi stampati in 3D metallico, una svolta, Tom's hardaware
  15. ^ (EN) N° 31–2013: Call for Media: Taking 3D printing into the metal age, Agenzia Spaziale Europea
  16. ^ a b The Shaper, Contour Crafting: come stampare una casa in 3D, 20 gennaio 2014.
  17. ^ La Stampa 3D all’apertura dei Mondiali in Brasile, 9 agosto 2014.
  18. ^ Dalla stampa 3D un aiuto alla lotta contro il cancro, 28 maggio 2014.
  19. ^ Con la Stampa 3D nuove protesi a basso costo, 28 maggio 2014.
  20. ^ Stampa 3D e osteoartrite, 28 maggio 2014.
  21. ^ http://www.tomshw.it/cont/news/stampante-3d-per-il-cibo-come-il-replicator-di-star-trek/45926/1.html Stampante 3D per il cibo come il replicator di Star Trek
  22. ^ http://www.tomshw.it/cont/news/con-la-stampa-3d-si-fanno-anche-le-cellule-umane/44601/1.html Con la stampa 3D si fanno anche le cellule umane

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

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