Guida completa alle tecnologie di Stampa 3D

Guida alle tecnologie piu’ comuni di Stampa 3D  di Seltek, società tra i pionieri della Stampa 3d in Italia

La stampa 3D nasce nel 1986, con la pubblicazione del brevetto di Chuck Hull, che inventa la stereolito-grafia.
Dal 1986 la stampa 3D si è evoluta e differenziata, con l’introduzione di nuove tecniche di stampa e di innumerevoli materiali con diverse caratteristiche meccaniche, stampabili sia da soli che in combinazione, permettendo la diffusione di questa tecnica di produzione in molti ambiti, che spaziano dall’industria all’ambito medico e domestico.

Sotto riportiamo le tecnologie più in uso comprensica di  una spiegazione introduttiva al funzionamento, per fare capire ai lettori i vantaggi introdotti

1.  FFF – Fused Filament Fabrication
2.  DLP – Digital Light Processing
3.  CJP – Color Jet Printing
4.  MJP – Multi Jet Printing
5.  SLA – Stereolitografia
6.  SLS – Laser Sintering
7.  DMP – Direct Metal Printing

1) FFF – Fused Filament Fabrication

La Fabbricazione a Fusione di Filamento (in inglese FFF fused filament fabrication) è una tecnologia di produzione additiva usata comunemente per la modellazione, la prototipazione e la produzione di oggetti diversi. L’FFF lavora su un principio “additivo” rilasciando il materiale su strati.
Un filamento plastico è srotolato da un rocchetto che fornisce il materiale ad un ugello di estru sione da cui si può avviare e fermare il flusso di plastica fusa.
L’ugello è riscaldato per poter sciogliere il materiale e può essere spostato sia in direzione orizzontale che verticale da un meccanismo di controllo numerico, controllato direttamente da un software. Mentre si depositano i vari strati, il piano di lavoro (asse Z) si modella a seconda della dimensione dello strato (layer) che si vuole ottenere.
I materiali che possono essere utilizzati con questa tecnologia sono molteplici e in continua evoluzione: diversi tipi di polimeri, come PLA, ABS o Nylon; materiali compositi che a un polimero di base integrano percentuali variabili di polvere di legno, marmo o metalli, e che permettono di ottenere riproduzioni molto realistiche; materiali solubili, come l’HIPS o il PVA; materiali flessibili come l’FPE e molti altri.

2) DLP – Digital Light Processing 4/2.

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.

 3) CJP – ColorJet Printing

La tecnologia CJP (ColorJet Printing), è il metodo di produzione additiva professionale che per stampare in 3D utilizza come materiale il gesso o la polvere di plastica.
Con questa tecnologia di stampa 3D la prototipazione rapida avviene mediante l’incollaggio di polvere fino a plasmare completamente l’oggetto desiderato. Questo viene poi ricoperto da uno strato di binder (legante) che permette di rendere l’oggetto colorato (con più di 6 milioni di colori). La tecnologia CJP (a differenza della tecnologia FFF e della tecnologia SLA) non ha bisogno di supporti e permette di stampare qualsiasi forma (anche i ‘sotto squadra’) perché è la polvere in eccesso presente nella vasca che va a sostenere le parti superiori.

4) MJP – MultiJet Printing

Con le stampanti 3D di questo tipo la prototipazione rapida avviene mediante la deposizione strato per strato di resine plastiche allo stato liquido, fotoindurenti – e di materiale ceroso
che funge da supporto – fino alla composizione dell’oggetto finito.
La tecnologia MJP (MultiJet Printing) è un metodo di produzione additiva professionale che assicura un risultato di qualità impareggiabile.
I materiali con cui si producono i pezzi sono resine plastiche performanti con caratteristiche meccaniche in grado di soddisfare le esigenze di prototipazione professionale e piccole produzioni e resine biocompatibili per la realizzazione di modelli calcinabili.

5) SLA – Stereolitografia

La stereolitografia è una tecnica che permette di realizzare singoli oggetti tridimensionali a partire direttamente da dati digitali elaborati da un software CAD/CAM.
La sua principale applicazione è la prototipazione rapida, che permette di avere oggetti fisici da testare prima della produzione industriale oppure preparare modelli per realizzare stampi di colata o pressofusione.

Può essere impiegata anche per produrre velocemente pezzi di ricambio, facendosi inviare il file attraverso internet. L’utilizzo per la produzione in serie è ipotizzabile laddove altre tecniche di produzione si rivelino difficili e costose (per esempio con macchine a controllo numerico) ed in genere per produzioni numericamente molto limitate dove il costo fisso delle attrezzature (gusci, stampi ecc) incida eccessivamente.

6) SLS – Sinterizzazione Laser Selettiva

La tecnologia di Sinterizzazione Laser Selettiva(SLS) si realizza attraverso un processo per addizione stratificata, in cui l’utilizzo di un laser permette di fondere (o sinterizzare) materiali termoplastici, creando il modello o il prototipo tridimensionale. Il processo prevede che uno strato sottilissimo di polvere (0,1mm) venga disteso sulla piattaforma di lavoro, in modo che il laser possa solidificare la polvere in base alla sezione della geometria, strato dopo strato. L’uso della sinterizzazione per la produzione di prototipi e componenti consente di ridurre drasticamente i costi di sviluppo, riducendo i tempi di realizzazione ed eliminando i costi di attrezzaggio per la produzione.

Le parti prodotte con tecnologia di Sinterizzazione Laser Selettiva SLS possono essere utilizzate per verifiche di montaggio, test di ingombro e di forma e per parti definitive per il controllo e l’ottimizzazione dei progetti e dei prodotti sviluppati.

7) DMP – Direct Metal Printing

Il processo produttivo di questa tecnologia consiste nel posizionare un letto di polveri metalliche che successivamente verranno fuse attraverso un raggio laser. Finita la lavorazione sullo strato, un rullo si azionerà andando a posizionare un secondo letto molto sottile di polvere, il quale verrà nuovamente lavorato dal raggio laser, andando a fonderlo con lo strato precedente. Ovviamente, in modo da ottenere a fine stampa le geometrie e i volumi desiderati, il raggio laser andrà a colpire solamente le aree interessate alla realizzazione del pezzo, tralasciando completamente il resto delle polveri. In questo modo, le polveri non lavorate potranno essere recuperate e riutilizzate per la stampa successiva.

La stampa 3D può davvero cambiare le imprese

Il fenomeno che ha colpito l’immaginario collettivo, in ogni caso, è la recente diffusione (ancora molto limitata, in ogni caso) di piccole stampanti 3D per uso domestico (Home Fabrication).
La digitalizzazione della manifattura è in atto da alcuni decenni, a partire dalla diffusione su larga scala delle macchine a controllo numerico (CNC), negli anni settanta.
Tale processo ha avuto una rapida crescita negli ultimi anni grazie soprattutto alle innovazioni della robotica e, più recentemente, all’adozione della stampa 3D anche per la produzione di beni in metallo per uso finale.

Non si tratta di una innovazione recente: per molti anni, a partire dalla fine degli anni ottanta, le stampanti 3D sono state utilizzate quasi esclusivamente per la “Prototipazione rapida” (Rapid Prototyping) di oggetti in materie plastiche; successivamente gli avanzamenti della tecnologia hanno consentito di farne un uso più ampio fino ad includere la produzione di attrezzi e stampi per la manifattura tradizionale (Rapid Tooling) e, negli ultimi anni, anche di componenti e parti finali anche in leghe metalliche, tra cui il titanio (Direct Manufacturing).

Come cambia la  produzione con la stampa 3D

Le applicazioni che fanno largo uso della tecnologia additiva (e che soprattutto la hanno integrata stabilmente nel processo produttivo) sono sempre di più, quella che è più conosciuta è senz’altro la gioielleria, da più di dieci anni si utilizza la prototipazione rapida per lo sviluppo dei nuovi progetti , da circa cinque invece, grazie all’evoluzione della tecnologia, la stampa 3d viene utilizzata direttamente per la produzione in serie di intere linee di prodotto. Un altro dei settori pionieri del “Direct Manufacturing” è senza dubbio l’automotive, ma ogni giorno conosciamo clienti nuovi che si occupano di prodotti differenti che utilizzano la stampa 3D nel settore industriale, design, odontotecnico, modellismo etc..
Sono altissime le aspettative sullo sviluppo e le applicazioni che la stampa 3D avrà in futuro. Al momento ci si interroga se avrà davvero la forza di rivoluzionare alcuni modelli di business legati al contesto manifatturiero tradizionale. L’esplosione del fenomeno stampa 3D non è un caso. Come per tutte le più importanti rivoluzioni scientifiche, che segnano lo sviluppo di una conoscenza condivisa, la stampa 3D si innesta nel filone di innovazioni tecnologiche che abilitano nuovi quadri produttivi attraverso la personalizzazione del prodotto a Km zero e la conseguente fine della delocalizzazione nei Paesi emergenti.

Stampa 3D e produzione in serie di prodotti personalizzati

La produzione di massa è la realizzazione di grandi quantità di prodotti compiuta con catene di montaggio. La stampa 3D sta diventando uno strumento sempre più utilizzato dalle imprese, nell’ambito della manifattura e del design e si sta espandendo anche ad aree come l’architettura, l’edilizia, la difesa, il biomedicale solo per citare alcune aree.
Il vantaggio della stampa 3D “seriale” sarebbe molto vantaggioso, in quanto con un unico processo si potrebbero realizzare sia pezzi identici e standardizzati che differenti e personalizzati, senza la necessità di cambiare flusso, attrezzature o riprogrammare gli strumenti di produzione.
Sono altissime le aspettative di sviluppo e le applicazioni che la stampa 3D avrà in futuro, soprattutto per la stampa 3D in metallo (DMP) ma al momento ci si interroga seavrà davvero la forza di rivoluzionare alcuni modelli di business legati al contesto ma nifatturiero tradizionale. I materiali attualmente disponibili sono polimeri termoplastici, ma si prevede in futuro l’introduzione anche dei metallici e ceramici, permettendo così di ottenere oggetti più robusti e durevoli.
3D Systems sta sviluppando un sistema che utilizza un metodo differente da quello tradizionale per punti, quello che sta elaborando è un approccio per superfici, dove diversi ugelli (con una precisione di 5 micron), rilasciano più di 350 milioni di gocce al secondo sfruttando molteplici testine di stampa contemporaneamente. Il funzionamento di questo metodo di stampa 3D in serie è basato su polvere dove verranno rilasciati tramite spruzzatura diversi agenti chimici sotto forma di particelle liquide.17

Produrre in serie con la stampa 3D: Le aspettative

Ad oggi non è semplice ipotizzare quale sarà il grado di pene trazione di questa tecnologia nel vasto ed eterogeneo mondo del “Direct Manufacturing”, abbiamo già vissuto ondate mediatiche riguardanti la stampa 3D, quella odierna è destinata a durare. Tanto rumore sicuramente, oggi molte persone si avvicinano alla manifattura additiva con entusiasmo con l’intenzione di
fare della stampa 3D il proprio business ma, purtroppo, non avendo un progetto imprenditoriale nel quale integrarla, decidono di abbandonare la strada.
Al contrario esistono invece molte realtà produttive che utilizzano da tempo la stampa 3D come indispensabile elemento del ciclo produttivo.
Ad esempio, il processo centrale del sistema produttivo della gioielleria, è da sempre la realizzazione di modelli in cera che vengono convertiti in metallo mediante microfusione, la produzione di cere ė storicamente fatta mediante iniezione della stessa in stampi siliconici. Oggi, grazie alla produzione mediante stampanti 3D professionali, i modelli in cera vengono prodotti direttamente
nelle quantità desiderate , personalizzate, con tempi ridotti e con maggior precisione ottimizzando la produttività.

Enormi armadi pieni di stampi siliconici sono stati sostituiti da efficienti database di progetti CAD pronti per la stampa 3D e la personalizzazione.
Il futuro è già qui.