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Stampanti 3D – Panoramica delle tecnologie di stampa

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Stampanti 3D – Panoramica delle tecnologie di stampa

Generalmente quando si parla di stampanti 3D e stampa 3D ci si riferisce alla fabbricazione additiva, infatti questo è un termine per descrivere un insieme di tecnologie che creano oggetti in tre dimensioni con il principio  dell’aggiunta di materiale strato su strato. I materiali utilizzati possono variare da tecnologia a tecnologia, tuttavia ci sono alcune caratteristiche comuni per tutti i metodi di produzione, uno su tutti è l’utilizzo di un computer combinato con un software apposito per questo genere, non usuale, di modellazione 3D.

Ovviamente volendo stampare un oggetto in 3D la prima cosa su cui lavorare  è  la creazione o comunque il reperimento di un disegno CAD tridimensionale e con un’apposita estensione la trasformazione del modello tridimensionale in un file con estensione STL. (In questa sezione i principali programmi di disegno 3D).

Una volta conluso il disegno bisognerà passare al programma di slicing (Slicer: qui potete trovare i più utilizzati e diffusi) che legge dati in formato STL e traduce  il modello con struttura “strato per strato” in linguaggio macchina. Ora potrete stampare il vostro modello con qualsiasi metodo, che può essere uno qualsiasi dei metodi indicati tra poco.
Ci sono infatti molte tecnologie di stampa 3D e questo articolo è incentrato proprio sulla spiegazione di queste, provando a capirne insieme i principi di funzionamento. Tacnologie stampa 3d:

  • Stereolitografia (SLA)
  • Stampa con luci digitali (DLP)
  • Modellazione per deposizione di materiale fuso (FDM)
  • Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
  • Fusione laser selettiva (SLM)
  • Fusione a fascio elettronico  (EBM)
  • Creazione di Oggetto laminato  (LOM)

Tecnologia stampanti 3d: Stereolitografia (SLA)

La Stereolitografia è il più antico metodo e risale alla preistoria della stampa 3D, ma  è ancora in uso al giorno d’oggi. L’idea e le applicazioni di questo metodo sono sorprendenti.
Questo metodo è stato brevettato da Charles Hull, co-fondatore di 3D Systems, Inc. nel 1986. Il processo di stampa comporta stampanti 3D dal design unico chiamato apparato stereolitografico che converte plastica liquida in oggetti 3D solidi con l’ausilio di un fascio di luce laser.

Come già citato prima, tutte le tecniche di stampa richiedono un file elaborato con un computer, con l’aiuto di un programma di progettazione per l’elaborazione dell’oggetto. Questo file contiene infatti tutte le informazioni sulla rappresentazione tridimensionale del modello. Il file CAD deve essere convertito in un formato comprensibile dai programmi per l’elaborazione successiva, il formato STL. Anche per la litografia il file STL è comunemente utilizzato, così come per quasi tutti i metodi di stampa tridimensionale.

stampanti 3dQueste macchine per la stampa SLA non funzionano come le stampanti desktop che siamo abituati a vedere, le stampanti stereolitografiche  funzionano con  un eccesso di plastica liquida “caricata” con un materiale fotosensibile, che sottoposta alla luce laser per un certo periodo di tempo indurisce e trasformandosi prende la forma dell’oggetto solido. Normalmente il risultato è un oggetto tridimensionale con pareti molto lisce ma come al solito la qualità degli oggetti stampati è proporzionale alla qualità delle stampanti 3D utilizzate.

Il processo di stampa include tutti i diversi passaggi che abbiamo riassunto qui sopra: Si parte dalla creazione del modello 3D in programma CAD, uno speciale  add-on del software elabora il modello CAD e genera file STL che contiene le informazioni per ogni strato.

Stereolitografia Prezzi e Funzionamento

Normalmente lo strato è 0,1mm e quindi ci sono dieci livelli per ogni millimetro. Poi macchina SLA comincia la procedura e inizia ad “illuminare” la plastica liquida, così facendo si  forma il primo strato dell’oggetto.
Quando la plastica è indurita viene reimmessa nel serbatoio una quantità di plastica  liquida pari a quella elaborata, il piatto si alza e continua strato dopo strato fino al completamento del progetto. Una volta che tutti gli strati vengono stampati l’oggetto deve essere risciacquato con un solvente apposito e poi messo in un forno a raggi ultravioletti per essere completato.
Il tempo necessario per stampare un oggetto dipende dalla dimensione. Piccoli oggetti possono essere stampati entro 6-8 ore con una piccola stampante, per articoli di grandi dimensioni che possono essere lunghi diversi metri nelle  tre dimensioni i tempi di stampa possono arrivare  fino a diversi giorni.
La stereolitografia è ampiamente utilizzata nella prototipazione in quanto non richiede troppo tempo per produrre un oggetto ed il costo è relativamente economico confronto ad altri mezzi di prototipazione. Questo metodo di stampa 3d è raramente utilizzato per la stampa del prodotto finale.

Anche se la  stereolitografia è consideratota la più antica tecnologia di stampa 3D molte aziende ancora la utilizzarlo per creare i prototipi dei loro progetti. La 3D Systems Inc., l’azienda che ha iniziato ad utilizzare questo metodo per la prototipazione, vende macchine di propria produzione.
Anche se per un uso domestico normalmente si usano prodotti FDM, poiché più economici e più semplici per un’eventuale autocostruzione, esistono stampanti stereolitografiche  per un uso casalingo. Questi tipi di stampanti 3d hanno un prezzo tutto sommato abbordabile, di qualche migliaio di euro.

Tipologie di stampanti 3D: Stampa con luci digitali (DLP)


Digital Light Processing è un altro processo di stampa 3D molto simile alla stereolitografia. La tecnologia DLP è stata creata nel 1987 da Larry Hornbeck, ed è un brevetto di proprietà della Texas Instruments. E’ diventato molto popolare nella produzione di proiettori. Esso utilizza micro specchi digitali disposti su un chip semiconduttore. La tecnologia è applicabile ai proiettori cinematografici, ai telefoni cellulari e alla stampa 3D.

La stampa  DLP funziona come  la SLA con fotopolimeri, ciò che rende i processi di SLA e DLP diversi è la diversa fonte di luce usata per la polimerizzazione. In questo  processo la luce necessaria è fornita da un display a cristalli liquidi, che viene applicato a tutta la superficie del materiale da costruire durante ogni singola esecuzione del processo di stampa.

Il materiale da utilizzare per la stampa è resina plastica liquida che viene inserito nella vasca . La resina indurisce rapidamente quando colpita dalla luce. Il grande vantaggio di questo metodo è l’impressionante velocità di stampa. Lo strato di materiale indurito può essere creato con tale tecnologia in pochi secondi. Quando lo strato è terminato, viene spostato in verso l’alto e inizia la lavorazione dello strato successivo.

I risultati ottenuti sono robusti e hanno una risoluzione eccellente.

A questo proposito ci sentiamo di segnalare la nuova uscita Ono, una stampante molto piccola che con soli 99$ ci permette di stampare con questa tecnica usando come fonte di luce il display di un qualsiasi cellulare. L’idea è oggettivamente molto intrigante e promette di mettere in tasca a chiunque una piccola stampante 3D. L’altro lato della medaglia purtroppo è il prezzo del materiale di stampa, decisamente più costoso della classica bobina per FDM.

Modellazione per deposizione di materiale fuso (FDM)

La tecnologia Fused Deposition Modeling (FDM) è stata sviluppata e implementata la prima volta da Scott Crump, fondatore di Stratasys Ltd., nel 1980. Altre aziende di stampa 3D hanno adottato tecnologie simili ma con nomi diversi. Una nota azienda, la MakerBot ha coniato una tecnologia quasi identica, nota come Fused Filament Fabrication (FFF).
Con la modellazione a deposito di materiale fuso (FDM) è possibile stampare non solo prototipi funzionali, ma anche modelli concettuali e dei prodotti già finiti destinati all’uso senza postlavorazione. Ciò che è veramente interessante di questa tecnologia è che tutte le parti stampate hanno ottime prestazioni termiche, chimiche e meccaniche (sempre in relazione alla qualità del filamento acquistato), il che è molto vantaggioso per l’utilizzatore. Queste stampanti, come detto, utilizzano bobine di speciale filamento termoplastico che sono commercializzate in 2 diversi diametri: 3 millimetri e 1,75 millimetri.

Vi sono anche vari formati di peso, infatti si potrà acquistare bobine da 10m (speciale formato per test di circa 6 grammi), 20 m, 250 g, 500g, 1 kg e 2,2kg, insomma per tutte le esigenze. Il prezzo del filamento è variabile in base al materiale e alla qualità e va da  15 a 100 euro per kilogrammo. In questo nostro articolo invece potrete conoscere le moltissime varietà di filamenti presenti sul mercato.

stampanti 3d

stampanti 3d

Un’infinità di geometrie: tipi stampanti 3d

Il termine Fused Deposition Modelling racchiude al suo interno molteplici tecnologie di realizzazione, tra i modelli più noti ciu sono sicuramente le cartesiane  Prusa i3, Core XY. La prima ha un piatto mobile solo per l’asse Y e un braccio che muove l’estrusore in X e Z. La core XY invece ha il piatto mobile in Z e l’estrusore mobile su “binari” in X e Y. C’è poi un’ulteriore variante che è rappresentata dal modello Delta, dove l’estrusore viene mosso da 3 bracci che si nuovono in orizzontale, grazie allintermovimento l’estrusore riesce a muoversi per tutto il piatto, che generalmente è rotondo.

La tecnologia FDM è ampiamente diffusa al giorno d’oggi in una varietà infinita di settori : spaziando da case automobilistiche come Hyundai e BMW ad aziende alimentari come la Nestlè. L’FDM viene utilizzato per lo sviluppo di nuovi prodotti, lo si usa per sviluppare il “concept” del modello e per la sua prototipazione. È la tecnologia più utilizzata poiché con l’uso di questo metodo di stampa  è possibile costruire oggetti con geometrie complesse e cavità.

Il prezzo per le stampanti 3D dipende dalla dimensione e dal modello. Le stampanti professionali normalmente hanno prezzi che si aggirano intorno ai  10.000 euro. Mentre le stampanti 3D progettate per uso domestico non sono così costose, troviamo diversi modelli di diverse marche tra cui MakerBot, Ultimaker, Zortrax, Delta che offrono prodotti di ottima qualità a meno di 3/4.000 €. Tuttavia ci sono molti fan della stampa 3D  che preferiscono creare le proprie stampanti con l’aiuto di KIT trovabili online o addirittura da zero. Ci sono mltissimi siti web che offrono una grande varietà di kit fai da te che permettono (previo lavoro di assemblaggio) di avere un buon prodotto casalingo a partire da soli 180€.

Tecnologie 3D: Sinterizzazione laser selettiva (SLS)

Selective Laser Sintering (SLS) è una tecnica che utilizza il laser come sorgente energia per formare oggetti 3D solidi. Questa tecnica di stampa sls utilizza una stampante 3d fotopolimeri, ed è stata sviluppata da Carl Deckard, uno studente della Texas University e dal suo professore Joe Beaman nel 1980, brevetto poi acquisito dalla 3D Systems nel 2001. Come detto in precedenza, 3D Systems Inc. ha sviluppato stereolitografia, che in qualche modo è simile alla stampa 3d SLS. La differenza principale è che la stampante sls utilizza materiale in polvere nella vasca invece di resina liquida.

stampanti 3dCome tutti gli altri metodi elencati in precedenza il processo inizia con un file STL. Il materiale stampabile con potrebbe essere qualsiasi cosa: nylon, ceramica, vetro e alcuni metalli come alluminio, acciaio o argento. Grazie alla grande varietà di materiali che possono essere utilizzati con questo tipo di tecnologia con stampanti 3d sls è molto diffusa soprattutto nella stampa professionale.

Stampante 3D SLS Prezzo? Le stampanti sls non hanno un prezzo abbordabile per un amatore o semplice curioso! Infatti richiedendo l’uso di laser ad alta potenza e risulta economicamente svantaggioso per un uso casalingo, anche se ci sono diverse start-up al lavoro sullo sviluppo di macchine da stampa 3D SLS a basso costo.

Tecnologie di stampa 3d: Fusione laser selettiva (SLM)

L’SLM è una tecnologia stampa 3d che utilizza un raggio laser ad alta potenza che fonde e si scioglie polveri metalliche insieme. In molte fonti l’SLM è considerata una sottocategoria di sinterizzazione laser selettiva (SLS). Ma questo non è così vero poiché il processo SLM fonde completamente il materiale metallico prima di trasformarlo in solido, e questa è una grande differenza con la sinterizzazione laser selettiva. La storia della SLM è iniziata da un  progetto di ricerca tedesco datato 1995.

Analogamente a tutti gli altri metodi di stampa ha bisogno di un progetto 3D e di uno slicer che “tagli” il modello in strati. Il formato di file utilizzato da macchina da stampa è un file STL standard. Subito dopo il file viene caricato il software della macchina da stampa assegna parametri ei valori per la costruzione del percorso.

La polvere di metallo è distribuita in modo uniforme su un piatto, poi ogni fetta 2D è fusa mediante l’applicazione del laser ad alta energia. Il laser fonde un primo strato e qiando lo strato è completato il processo ricomincia per lo strato successivo. Metalli che possono essere utilizzati con questa tecnica includono acciaio inossidabile, titanio, cobalto cromo e alluminio.

Un sacco di progetti SLM pionieristici sono stati dedicati alle applicazioni aerospaziali per la realizzazione di parti in materiali molto leggeri.

Come per la sinterizzazione laser selettiva anche questa tecnologia non trova molti seguaci tra gli utenti casalinghi,i maggiori fruitori sono ditte che producono oggettistica aerospaziale e ortopedia medica.

Tipologie stampanti 3D:  Fusione a fascio elettronico  (EBM)

EBM è un altro tipo fabbricazione additiva per parti metalliche. E ‘stato originariamente studiato da Arcam AB Inc. all’inizio di questo secolo. Anche questa tecnica è molto simile alla SLM, questo metodo di stampa però utilizza un fascio elettronico invece del laser ad alta energia, che è la principale differenza tra questi due metodi. Il resto dei processi è abbastanza simile.

Il materiale utilizzato in EBM è polvere di metallo che si scioglie e forma uno nuovo oggetto strato per strato. Contrariamente a SLS, EBM va in piena fusione della polvere di metallo. Il processo può arrivare a temperature di 1000 ° C.
Confrontandolo con SLM processo di EBM è piuttosto lento e costoso, anche la disponibilità di materiali è limitata. Quindi il metodo non è così popolare anche se ancora utilizzato in alcuni processi produttivi. Attualmente il materiale più comunemente utilizzato per EBM è il titanio puro. L’applicazione di EBM è focalizzata principalmente su impianti biomedici e sull’aerospaziale.

Tecnologia di stampa 3D: Creazione di Oggetto laminato  (LOM)

La produzione di oggetti in laminato (LOM) è un altra delle tecnologie di stampa innovative, che è stato sviluppato dalla sede in California società Helisys Inc.
Durante il processo LOM, strati di laminati di carta, plastica o metallo adesivizzato sono fusi insieme mediante calore e pressione. Poi tagliati nella forma desiderata con l’aiuto di un computer che controlla un laser o un coltello.
Il processo LOM comprende diverse fasi. In primo luogo, come al solito il file CAD viene trasformato in STL.

stampanti 3dLe stampanti LOM utilizzano foglio continuo rivestito con un adesivo, che viene fissato sul piatto attraverso un rullo riscaldato. Il rullo riscaldato che passa sopra il foglio di materiale fonde l’adesivo e poi il laser o lama taglia il pezzo secondo le dimensioni desiderate. Dopo che lo strato è terminato, la piattaforma viene abbassata, un nuovo foglio di materiale viene depositato e fatto aderire  il rullo riscaldato. Il processo viene ripetuto più e più volte fino a quando l’oggetto 3D è concluso.

Quando il materiale in eccesso è stato tagliato il pezzo può essere levigato o sigillato con una vernice. Se durante la stampa sono stati utilizzati materiali cartacei  l’oggetto avrà l’aspetto e le  proprietà del legno, altrimenti di altri materiali utilizzati.
Sicuramente il LOM non è il metodo di stampa 3D più popolare, ma uno dei più convenienti e più veloce.  Il costo della stampa è contenuto poiché le materie prime non sono costose e gli oggetti stampati con LOM possono essere relativamente grandi.

Non è molto diffusa

Non ci sono molti fablab in questo periodo che lavorano con la tecnologia LOM. Ma vale la pena menzionare la società irlandese Mcor Technologies Ltd. che vende stampanti LOM. Il loro prodotto è ampiamente utilizzato da artisti, architetti e sviluppatori di progetti a prezzi accessibili utilizzando la semplice carta da lettere.

In questo nostro viaggio attraverso le varie tecnologie di stampa 3D abbiamo incluso solo i metodi più popolari ma e se avete qualcosa da aggiungere, chiarire o correggere non esitate a lasciare consigli nei commenti. Saremo lieti di arricchire questo spazio con tecniche di stampa 3d innovative.

 

 


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