Un pensare tridimensionale: la stampa 3D

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.

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.

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Una stampante 3D 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.

Nel gennaio 2012 The Pirate Bay ha annunciato la nascita della categoria Physible per i file contenenti la descrizione di oggetti tridimensionali da stampareNegli 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.

Per fare la stampa 3D sono disponibili numerose tecnologie concorrenti. Le loro differenze principali riguardano il modo in cui sono costruiti gli strati per creare le parti. 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.

Un metodo di stampa 3D consiste in un sistema di stampa a getto d’inchiostro. 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 è un esempio di sistema di prototipazione rapida DLP.

Il fused deposition modeling (FDM), una tecnologia sviluppata dalla Stratasys, 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 sintetizzare il mezzo e formare il solido. Esempi di questa tecnica sono l’SLS (selective laser sintering) 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.

Diversamente dalla stereolitografia, la stampa 3D a getto d’inchiostro 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.

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).

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. 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. 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.

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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 dove il contatto diretto delle sostanze di stampaggio potrebbe danneggiare la superficie dell’oggetto originale.

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. Attualmente ci sono ancora alcuni problemi tecnici affichè si possa arrivare alla produzione di metalli di qualità industriale.

Amaze

http://www.protocube.it

http://netmatissimo.com/2013/10/17/lesa-presenta-il-progetto-amaze-pr-la-stampa-di-oggetti-3D-in-metallo/

http://it.wikipedia.org/wiki/Stampa_3D

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