Stampa 3D e prototipazione

Polveri di metalli e polimeri che diventano oggetti finiti dalle caratteristiche comparabili con quelli ottenuti mediante lavorazioni sottrattive (torni e frese) anche prodotti mediante i sistemi di stampa 3D industriali. È una situazione ormai consolidata sia negli uffici delle aziende che si occupano della prototipazione rapida sia nei reparti produttivi che usano la manifattura additiva per creare piccole serie di prodotti pronti per l’impiego o pezzi unici che non sarebbe pensabile fabbricare alla “vecchia maniera” per costi e tempi di produzione. Affinché  la stampa 3D decolli veramente nelle aziende italiane di ogni settore e dimensione occorre fare un ulteriore passo avanti: bisogna imparare a progettare appositamente per la fabbricazione additiva. È necessario per sfruttarne appieno le potenzialità, altrimenti si corre il rischio del flop. Progettare in additivo significa pensare a come sfruttare sin dalle prime fasi di sviluppo i vantaggi della costruzione strato su strato di un oggetto.

Non si va molto avanti nella manifattura additiva se non si cambiano anche i paradigmi di progettazione. Alle nuove esigenze dei progettisti e delle industrie, le software house e i produttori di stampanti 3D stanno reagendo con tempestività aggiornando e implementando le loro soluzioni e creando workflow completi per l’industrializzazione della stampa 3D.

In evidenza

Additive manufacturing, principi di base

Con l’espressione “additive manufacturing” (AM) si intende l’insieme di processi di produzione di fabbricazione additiva partendo da modelli digitali, in contrapposizione alle tradizionali tecniche sottrattive (lavorazioni per asportazione di truciolo, taglio e foratura). Si parte da un modello CAD 3D che viene suddiviso in strati  da un software integrato nel sistema di controllo della macchina, o da servizi on-line; lo schema di strati risultanti guida la stampante nella deposizione, o sinterizzazione, del materiale.

La tecnologia da decenni viene adottata per la produzione di prototipi presso le aziende più grosse e innovative, ma negli ultimi anni, grazie anche alla scadenza di alcuni brevetti chiave, è crollato il costo delle stampanti, con una conseguente diffusione che cresce esponenzialmente: indicativamente si è passati da costi di oltre 100.000 dollari fino a meno di 1000 dollari per le stampanti desktop.

Le stampanti 3D,  portano notevoli vantaggi sia nel mondo professional che in quello consumer: la principale potenzialità della fabbricazione additiva è la quasi totale libertà di forma producibile: depositando sezioni, strato dopo strato, vengono scavalcati i vincoli di sottosquadra, ed eventuali sbalzi vengono gestiti con la creazione di supporti ad hoc da rimuovere successivamente, una volta terminata la stampa. Altri vantaggi significativi sono la riduzione del costo di produzione, grazie alla cancellazione delle linee produttive e all’eliminazione di scarti di produzione; la possibilità di stampare componenti e meccanismi già assemblati, fattore che comporta l’eliminazione dei costi di manodopera per l’assemblaggio. Inoltre la prospettiva che deriva dalla diffusione di tale tecnologia è la sparizione dei costi di trasporto: il prodotto verrà inviato telematicamente al cliente, il quale lo stamperà direttamente nel proprio ufficio.

Dal punto di vista dello sviluppo di nuovi prodotti si assiste ad una drastica riduzione del “time to market”: c’è la possibilità di produrre piccoli lotti da immettere subito sul mercato per testarne l’efficacia e l’appetibilità, fare le modifiche necessarie in base ai feedback dell’utenza, e avviare poi la produzione su larga scala. Inoltre la grande flessibilità di questa tecnologia permette la realizzazione di prodotti personalizzati senza costi aggiuntivi, nello stesso lotto di produzione è possibile creare pezzi diversi uno dall’altro, creati su misura, senza dover attrezzare diversamente la macchina.

Cenni storici

– 1976: invenzione della stampante a getto d’inchiostro

– 1984: Charles Hull inventa la stereolitografia

– 1988: Scott Crump inventa la tecnologia FDM (fused deposition modeling)

– 1992: prima stampante SLA prodotta da 3D Systems

– 2005: Adrian Bowyer fonda RepRap, associazione open-source con lo scopo di progettare una stampante 3D in grado di autoreplicarsi e democratizzare le stampanti 3D, “Darwin” disponibile nel 2008.

– 2006: prima stampante SLS

– 2006: Objet rilaascia la prima stampante 3D in grado di stampare multimateriale

– 2009: Organovo stampa il primo vaso sanguigno

– 2013: impianto di una stecca stampata 3D in biopolimero per curare un bimbo di sei settimane affetto da tracheomalacia.

La stampante 3D: tecnologie e materiali

Esistono diverse metodologie di fabbricazione additiva, i principali sono:

> FDM – fused deposition modeling: un ugello deposita un filamento di un resina termoplastica fuso su una struttura di supporto, strato dopo strato. É la tecnologia più diffusa tra le stampanti consumer.

> Stampa a getto d’inchiostro (IJM, MJM): viene sparso uno strato di polvere (gesso o resine) sul letto della stampante, la testina di stampa getta inchiostro e un legante sulla porzione di materiale da solidificare e ripete il processo finchè non è stampato ogni strato.

> SL – stereolitografia: creazione di parti solide tramite solidificazione selettiva di una resina fotopolimerica con un raggio laser UV. Il processo avviene strato su strato dal basso verso l’alto solidificando sezioni della parte: dopo la creazione di un layer la vasca che ospita il materiale viene abbassata e viene poi riempita con un nuovo strato di resina liquida per solidificare il livello successivo. Se necessario vengono create anche le strutture di supporto.

> DLP – digital light processing: una vasca di polimero liquido è esposto alla luce di un proiettore 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, strato dopo strato. Il polimero liquido è poi drenato dalla vasca, lasciando il modello solido finito.

> DMLS – direct metal laser sintering: tecnologia analoga alla SLS che usa metalli come materiale.

> LOM – Laminated object manufacturing: strati di carta, plastica o metallo laminato vengono incollati e tagliati tramite una lama o tramite laser fino alla realizzazione della forma desiderata.

> EBM – Electron beam melting (fusione a fascio di elettroni): una sorgente di elevata energia, composta da un fascio opportunamente concentrato e accelerato di elettroni, colpisce un materiale metallico in forma “micro granulometrica” provocandone la fusione.

Il numero di materiali stampabili è in continua crescita, i più diffusi sono i polimeri termoplastici, adottati dalle stampanti a deposizione di filamento, quali ABS, PLA, nylon, policarbonato, polistirene; nelle tecnologie di fotopolimerizzazione si utilizzano principalmente resine acriliche e epossidiche. Alcuni servizi di stampa on-line permettono di scegliere anche ceramica, metalli preziosi (oro e argento), titanio, ottone e bronzo.

Applicazioni della stampa 3D

Attualmente l’utilizzo principale della fabbricazione additiva riguarda il settore industriale per la produzione di prototipi, e gli studi di design che, oltre ai prototipi, possono commercializzare piccole serie di prodotti, facendo leva sulla complessità delle forme ottenibili, che risultano curiose e affascinanti.

Nel settore privato, a causa del limitato volume di stampa offerto dalle stampanti desktop, vengono realizzati principalmente accessori e oggetti di bigiotteria dalle forme più stravaganti.

Il settore medicale è quello che si prospetta più promettente in termini di utilizzo e benefici che può portare, grazie all’elevata personalizzazione che si può raggiungere, con costi in continua diminuzione. Attualmente l’utilizzo di stampa 3D riguarda soprattutto la creazione di protesi, in particolar modo protesi dentarie (l’azienda EOS stima che negli ultimi sei anni siano state impiantate 50 milioni tra corone dentali, otturazioni e ponti).

In architettura un pioniere nello sfruttamento delle tecnologie di fabbricazione additiva è stato l’ingegnere toscano Enrico Dini che ha sviluppato una stampante di case. Il macchinario può stampare forme libere di qualsiasi dimensione, è dotato di una testa di stampa a 300 ugelli che rilascia un inchiostro-collante che solidifica il materiale da polvere in roccia, fino a creare dei moduli, che assemblati formeranno delle unità abitative. In questo modo ci si svincola dal bisogno di casseforme, centine o stampi, risparmiando tempo e costi di attrezzaggio, e il materiale di costruzione si può reperire direttamente sul posto.

Stampa 3D e prototipazione

Obbiettivi del white paper

  • Spiegare i vantaggi della stampa 3D per le fasi di prototipazione
  • Illustrare casi pratici di aziende che hanno inserito la stampa 3D all’interno del proprio ufficio di progettazione spiegandone i vantaggi ottenuti
  • Confrontare i processi tradizionali di sviluppo prodotto con una metodologia che prevede l’uso delle stampanti 3D per la realizzazione dei prototipi

Soluzioni e applicazioni

Qualità dei manufatti e risoluzione ottenibile

I manufatti ottenibili mediante tecnologie additive sono oggi di qualità molto elevata, vedi la qualità delle microfusioni ottenute mediante fusione a letti di polvere. Per questo motivo sono sempre più spesso utilizzati non solamente come prototipi ma anche come particolari strutturali in produzione. Anche i polimeri lavorabili presentano caratteristiche sempre più elevate come resistenza al calore e alle sollecitazioni meccaniche e chimiche. Ovviamente le tecnologie additive non presentano ancora la possibilità di produrre particolari estetici senza alcun trattamento successivo. La risoluzione ottenibile però ha raggiunto livelli molto alti, si va dai decimi di millimetro della tecnologia FFF ai centesimi della stereolitografia ai micron della fusione a letti di polvere dettata delle dimensioni del granello di polvere metallica.

Scenari futuri della fabbricazione additiva

La previsione più accreditata sul futuro delle stampanti 3D a medio/breve termine è che nei prossimi anni la loro diffusione continui a crescere e che si acquisti maggiore dimestichezza nel loro utilizzo. I costi di acquisto e i costi di produzione continueranno a diminuire cosicché piccole serie di prodotti scalzeranno i processi produttivi tradizionali e verranno stampate in 3D, sia dalle aziende che dai privati.

Il settore medicale è quello che ne trarrà maggiore giovamento sia per quanto riguarda la creazione di protesi, che quello più futuro, ma non troppo distante, di stampa di organi che promette grandi vantaggi, come l’eliminazione del rischio di rigetto del paziente.

I fattori chiave che devono essere sviluppati per consolidare e aumentare la diffusione e appetibilità delle stampanti 3D sono: l’abbassamento del costo dei materiali da stampa, la crescita delle dimensioni dei volumi di stampa, la velocità del processo di stampa, l’aumento dell’affidabilità e delle prestazioni, e l’accettabilità.

A lungo termine si può presupporre uno scenario quasi fantascientifico, nel quale ognuno possiederà una stampante 3D a casa, come attualmente si possiedono le stampanti 2D, e sarà capace di soddisfare ogni sua esigenza stampandola: vestiti, cibo, oggetti di consumo e d’arredamento, veicoli, tutto su misura e in base ai gusti del fruitore.