Come funziona la stampa 3-D

Non molto tempo fa, l'idea della stampa 3-D - creare oggetti tridimensionali utilizzando macchine che aggiungono strati di materiale uno sopra l'altro - sembrava nuova. Se dici che stai per stampare qualcosa dal tuo computer, la maggior parte delle persone pensa ancora alla stampa bidimensionale, mettendo toner o inchiostro su un pezzo di carta. Ora, anche se molte persone potrebbero non aver provato personalmente la stampa 3D, potrebbero benissimo sapere di cosa stai parlando. E le stampanti 3-D sono diventate abbastanza convenienti da iniziare a comparire nelle case, nei makerspace e nelle aule.

La stampa 3-D utilizza una famiglia di tecnologie di produzione chiamata produzione additiva (AM). AM è il mezzo per creare un oggetto aggiungendo materiale all'oggetto strato per strato. AM è la terminologia corrente stabilita da ASTM International (ex American Society for Testing and Materials) [fonte: Gibson, et, al. ]. Nel corso della sua storia, di produzione di additivi in generale è passato con vari nomi: stereolitografia , 3-D di stratificazione e di stampa 3-D . Questo articolo utilizza il termine stampa 3-D perché è più noto.

Puoi vedere alcuni dei principi di base dietro l'AM nelle caverne; nel corso di migliaia di anni, l'acqua gocciolante crea strati e strati di depositi minerali, che si accumulano per formare stalagmiti e stalattiti . A differenza di queste formazioni naturali, tuttavia, la stampa 3-D è molto più veloce e segue un piano predeterminato fornito dal software del computer. Il computer ordina alla stampante 3-D di aggiungere ogni nuovo strato come una sezione trasversale precisa dell'oggetto finale.

La produzione additiva e la stampa 3-D in particolare continuano a crescere. La tecnologia che è nata come un modo per costruire prototipi veloci è ora un mezzo per creare prodotti per i settori medico, dentale, aerospaziale e automobilistico. La stampa 3-D sta anche attraversando la produzione di giocattoli e mobili, arte e moda.

Questo articolo esamina l'ampia portata della stampa 3-D, dalla sua storia e tecnologie alla sua vasta gamma di usi, inclusa la stampa dei propri modelli 3-D a casa. Per prima cosa, diamo un'occhiata a come ha avuto inizio la stampa 3-D e come si sta sviluppando oggi.

1. Storia della stampa 3-D
2. Stampa 3-D diretta e rilegata
3. Fotopolimerizzazione e sinterizzazione
4. Il processo di stampa 3-D
5. La rivoluzione della stampa 3-D
6. Aspetti negativi della stampa 3-D
7. Stampa 3D a casa

Il primo utilizzo della produzione additiva è stato nella prototipazione rapida (RP) durante la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90. I prototipi consentono ai produttori di esaminare più da vicino il design di un oggetto e persino di testarlo prima di produrre un prodotto finito. RP consente ai produttori di produrre quei prototipi molto più velocemente di prima, spesso entro pochi giorni o talvolta ore dall'ideazione del progetto. In RP, i progettisti creano modelli utilizzando software CAD ( Computer Aided Design ), quindi le macchine seguono quel modello software per determinare come costruire l'oggetto. Il processo di costruzione di quell'oggetto "stampando" le sue sezioni trasversali strato per strato divenne noto come stampa 3-D.

Il primo sviluppo delle tecnologie di stampa 3-D è avvenuto al Massachusetts Institute of Technology (MIT) e in una società chiamata 3D Systems. All'inizio degli anni '90, il MIT ha sviluppato una procedura che ha registrato come marchio con il nome di stampa 3-D, che ha ufficialmente abbreviato in 3DP. A partire da settembre 2019, il MIT ha concesso licenze a sei società per utilizzare e promuovere il processo 3DP nei suoi prodotti [fonte: MIT ].

3D Systems, con sede a Rock Hill, nella Carolina del Sud, ha sperimentato e utilizzato una varietà di approcci di stampa 3-D sin dalla sua fondazione nel 1986. Ha persino registrato il marchio di alcune delle sue tecnologie, come l' apparato di stereolitografia (SLA) e la sinterizzazione laser selettiva (SLS), ciascuno descritto più avanti in questo articolo. Mentre MIT e 3D Systems rimangono leader nel campo della stampa 3-D, altre aziende hanno anche introdotto nuovi prodotti innovativi sul mercato professionale, basandosi su queste tecnologie AM.

Oggi, alcune delle stesse tecnologie di stampa 3-D che hanno contribuito a RP vengono ora utilizzate per creare prodotti finiti. La tecnologia continua a migliorare in vari modi, dalla finezza dei dettagli che una macchina può stampare al tempo necessario per pulire e finire l'oggetto quando la stampa è completa. I processi stanno diventando più veloci, i materiali e le attrezzature stanno diventando più economici e possono essere utilizzati più materiali, inclusi metalli e ceramiche. Le macchine da stampa ora vanno dalle dimensioni di una piccola automobile alle dimensioni di un forno a microonde.

La produzione additiva viene spesso paragonata o addirittura scambiata per un altro processo di produzione comune chiamato lavorazione a controllo numerico computerizzato (CNC). Tuttavia, il CNC è sottrattivo, che è l'opposto di AM. Nella lavorazione CNC, il materiale viene rimosso da un blocco preesistente fino a quando il prodotto finito rimane, proprio come una statua che scolpisce dalla pietra.

Ora che hai alcune informazioni di base sul campo, esploriamo alcune tecnologie di stampa 3-D.

Un approccio alla stampa 3-D è la stampa 3-D diretta . La stampa 3D diretta utilizza la tecnologia a getto d'inchiostro , disponibile per la stampa 2-D sin dagli anni '60 [fonte: Gibson, et al. ]. Come in una stampante a getto d'inchiostro 2-D, gli ugelli in una stampante 3-D si muovono avanti e indietro erogando un fluido. A differenza della stampa 2-D, tuttavia, gli ugelli o la superficie di stampa si muovono su e giù in modo che più strati di materiale possano coprire la stessa superficie. Inoltre, queste stampanti non utilizzano inchiostro; erogano cere spesse e polimeri plastici, che solidificano per formare ogni nuova sezione trasversale del robusto oggetto tridimensionale.

La prototipazione rapida (RP), che abbiamo descritto in precedenza nell'articolo, è stata un fattore importante nella crescita della stampa 3D diretta. Nel 1994, ModelMaker, una macchina prodotta da una società nota come Solidscape, è diventata la prima tecnologia di successo commerciale ad applicare l'approccio a getto d'inchiostro a RP [fonte: Gibson, et al. ]. Sono seguiti altri prodotti RP commerciali. Ad esempio, i prodotti avanzati di prototipazione rapida odierni utilizzano tecnologie come la modellazione multi-jet (MJM), che crea rapidamente prototipi in cera con dozzine di ugelli che lavorano simultaneamente [fonte: GWP ].

La stampa 3D Binder , come la stampa 3D diretta, utilizza ugelli a getto d'inchiostro per applicare un liquido e formare ogni nuovo strato. A differenza della stampa diretta, tuttavia, la stampa legante utilizza due materiali separati che si uniscono per formare ogni strato stampato: una polvere secca fine più una colla liquida o legante . Le stampanti 3D Binder eseguono due passaggi per formare ogni strato. La prima passata stende un sottile strato di polvere e la seconda utilizza gli ugelli per applicare il legante. La piattaforma di costruzione si abbassa quindi leggermente per accogliere un nuovo strato di polvere e l'intero processo si ripete fino al termine del modello.

Il processo 3DP del MIT, menzionato in precedenza, utilizza questo approccio legante. Il MIT autorizza le aziende a sviluppare prodotti che utilizzano 3DP, ma per qualificarsi, l'azienda deve utilizzare una combinazione unica di polvere e materiali leganti.

La stampa tridimensionale raccoglitore presenta alcuni vantaggi rispetto alla stampa tridimensionale diretta. In primo luogo, tende ad essere più veloce della stampa diretta perché meno materiale viene applicato attraverso gli ugelli. Un altro vantaggio è che puoi incorporare una più ampia varietà di colori e materiali nel processo, inclusi metalli e ceramiche.

Modellazione a deposizione fusa (FDM)

Fused Deposition Modeling (FDM) è un approccio di produzione additiva simile, sebbene non identico, alla stampa 3D diretta. Il processo FDM, registrato da Stratasys, Inc., include l'iniezione di plastica fusa in linee fitte utilizzando ugelli molto piccoli. FDM può creare oggetti con caratteristiche di una frazione di millimetro. [fonte: Grimm ]

La fotopolimerizzazione è una tecnologia di stampa 3-D in cui le gocce di una plastica liquida vengono esposte a un raggio laser di luce ultravioletta. Durante questa esposizione, la luce converte il liquido in un solido. Il termine deriva dalla foto delle radici, che significa luce e polimero, che descrive la composizione chimica della plastica solida .

Negli anni 2000, il Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM) era una partnership di scuole e aziende che fornivano formazione pratica sulle competenze di lavorazione dei metalli in North Carolina. Parte della formazione di PT CAM comprendeva un apparato di stereolitografia (SLA) di 3D Systems. SLA utilizza la fotopolimerizzazione, dirigendo un laser attraverso una vasca di plastica liquida chiamata fotopolimero . Come con la stampa 3D a getto d'inchiostro , lo SLA ripete questo processo strato per strato fino al termine della stampa.

La sinterizzazione è un'altra tecnologia di produzione additiva che prevede la fusione e la fusione di particelle insieme per stampare ciascuna sezione trasversale successiva di un oggetto. La sinterizzazione laser selettiva (SLS) è una forma di sinterizzazione utilizzata nella stampa 3-D. SLS si affida a un laser per fondere una polvere di plastica ignifuga, che poi si solidifica per formare lo strato stampato. Questo è simile al meccanismo dietro le stampanti 2-D: fondono il toner in modo che aderisca alla carta e crei l'immagine.

La sinterizzazione è naturalmente compatibile con la costruzione di oggetti metallici perché la produzione del metallo richiede spesso un certo tipo di fusione e rimodellamento. Un esempio di utilizzo del metallo come materiale di sinterizzazione proviene da 3D Systems [fonte: 3D Systems ]. Gli oggetti realizzati con LaserForm A6 presentano numerosi vantaggi rispetto ai prodotti in metallo realizzati con altri mezzi, come la pressofusione. Uno dei maggiori vantaggi è l'elevato livello di precisione che SLS può raggiungere.

Finora, abbiamo esaminato come si è sviluppata la stampa 3-D e quattro tecnologie di stampa 3-D ampiamente adottate. Successivamente, esaminiamo il processo generale di stampa di oggetti tridimensionali, che si applica indipendentemente dall'approccio che stai utilizzando.

Indipendentemente dall'approccio utilizzato da una stampante 3D, il processo di stampa complessivo è generalmente lo stesso. Nel loro libro " Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing ", Ian Gibson, David W. Rosen e Brent Stucker elencano i seguenti otto passaggi nel processo AM generico:

La crescente disponibilità e convenienza delle soluzioni di stampa 3-D ha reso la tecnologia attraente per le persone in molti settori. Ad esempio, l'industria automobilistica ha utilizzato per molti anni la tecnologia di stampa 3-D per la prototipazione rapida di nuovi progetti di parti di automobili. L'immagine sopra mostra un prototipo di collettore creato dal Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM).

La professione medica ha adottato con entusiasmo la stampa 3-D per una serie di usi, come la stampa di protesi. Le protesi tradizionali realizzate professionalmente possono essere costose, ma una stampante 3-D potrebbe realizzare una mano protesica per un minimo di $ 50 [fonte: Amputee Coalition ]. Allo stesso modo, il Walter Reed Army Medical Center ha utilizzato la stampa 3-D per produrre modelli che i chirurghi possono utilizzare come guida per la chirurgia ricostruttiva facciale [fonte: King ]. Diversi produttori di stampanti 3D professionali vendono macchine progettate specificamente per i lavori dentali.

Gli ingegneri del settore aerospaziale incorporano la stampa 3-D per aiutare a testare e migliorare i suoi progetti, nonché per mostrare quanto bene funzionano [fonte: Gordon ]. La società di ricerca EADS ha un'ambizione ancora più audace per la stampa 3-D: produrre autonomamente parti di aeromobili, inclusa un'intera ala per un aereo di grandi dimensioni . I ricercatori di EADS vedono questa come una tecnologia verde, credendo che le ali stampate in 3-D ridurranno il peso di un aeroplano e, quindi, ridurranno il suo consumo di carburante. Ciò potrebbe ridurre le emissioni di anidride carbonica e la compagnia aerea di circa $ 3.000 nel corso di un anno. [fonte: The Economist ]

La stampa 3-D ha anche alcune interessanti applicazioni estetiche. Designer e artisti lo utilizzano in modi creativi per produrre arte, moda e mobili. L'artista grafico Torolf Sauermann ha creato sculture geometriche colorate utilizzando la stampa 3-D [fonte: Jotero GbR ]. Freedom of Creation (FOC), una società nei Paesi Bassi, vendeva prodotti stampati 3-D realizzati in poliammide sinterizzata al laser, compresa l'illuminazione con intricati disegni geometrici e modelli di abbigliamento costituiti da anelli di plastica ad incastro che assomigliano a una cotta di maglia. FOC ha anche una serie di clienti aziendali che utilizzano i suoi servizi di design e stampa, tra cui Philips, Nokia, Nike, Asics e Hyundai [fonte: FOC ].

Un'applicazione più gustosa della tecnologia di stampa 3-D proviene dall'industria del cioccolato, che ha sviluppato macchine in grado di creare prodotti dolciari unici. Sebbene inadatte alla produzione di massa, le stampanti 3-D possono realizzare oggetti progettati al computer come prototipi, o altrettanto unici, prelibatezze personalizzate [fonte: Ooi ]. Cerchi qualcosa di un po 'più saporito? Puoi usare le stampanti 3-D per creare molti tipi di cibo - deve essere qualcosa che puoi frullare per inserirlo nella macchina - ma puoi preparare hamburger con la stampa 3-D. Una cosa da notare: il cibo stampato ha una consistenza diversa rispetto al cibo tradizionale [fonte: Houser ].

Storicamente, la stampa 3-D è stata una tecnologia costosa. Lo SLA di PTCAM, descritto in precedenza nell'articolo, costa più di $ 250.000; la plastica liquida costa circa $ 800 al gallone. Le organizzazioni che possedevano questo tipo di apparecchiature potrebbero vendere servizi di stereolitografia ad altri o consentire alle aziende di acquistare blocchi di tempo per utilizzare le apparecchiature.

Oggi, molte grandi macchine AM industriali sono ancora costose, anche se meno di prima. Ad esempio, nel settembre 2019, ProJet CPX 3000MJP 3600 di 3D Systems vendeva per meno di $ 100.000 e poteva produrre modelli in alta definizione fino a 11,75 pollici per 7,3 pollici per 8 pollici (298 millimetri per 185 millimetri per 203 millimetri) [fonti: BasTech ].

Oltre al prezzo, ci sono altri inconvenienti con le stampanti 3-D. Usano molta energia, circa 100 volte più energia elettrica rispetto alla normale produzione. I ricercatori hanno anche scoperto che possono emettere molte particelle cancerogene e composti organici volatili, in particolare se utilizzati in un piccolo spazio come una casa. Anche la plastica utilizzata per la maggior parte dei progetti 3-D ha i suoi problemi. I resti di plastica dei progetti 3-D probabilmente finiranno nelle discariche e contribuiranno alla crisi della Terra con la plastica usa e getta. L'ulteriore resistenza della plastica varia e potrebbe non essere la migliore per tutte le parti componenti di un progetto. Anche le stampanti 3-D sono lente e la stampa di un progetto potrebbe richiedere diversi giorni o ore [fonte: 3-D Insider ].

È probabile che molti di questi problemi verranno risolti nel tempo, man mano che la tecnologia migliora. Ma potrebbero persistere altri problemi. Ad esempio, le persone hanno già realizzato pistole utilizzando stampanti 3-D , incluso un uomo a cui è stato negato il permesso per le armi in precedenza . È possibile adottare misure per impedire alle persone di utilizzare stampanti 3-D per fabbricare pistole, coltelli e altre armi? C'è anche preoccupazione per le violazioni del copyright . Le persone potrebbero procurarsi progetti e stampare un oggetto piuttosto che acquistarlo dal titolare del brevetto o del copyright. Può essere difficile per un titolare di brevetto rintracciare la persona (o centinaia di persone) che stampano qualcosa di brevettato e rivendicano violazioni del copyright.

Sebbene non sia ancora un luogo comune, le stampanti 3D vengono visualizzate in più case, biblioteche , scuole e luoghi di produzione.

Anche i prezzi di queste macchine sono diminuiti con il progredire della tecnologia. Ad esempio, a partire dal 2019, un MakerBot Replicator Mini + parte da $ 1.299 [fonte: MakerBot ]. L'azienda vende piccole bobine del suo materiale PLA in 12 colori standard a partire da $ 18 e colori in edizione limitata (glow-in-the-dark, chiunque?) Per un costo aggiuntivo.

If you don't want to splurge on a machine for home use, you could always build one yourself. For example, physicist and blogger Windell Oskay built his own 3-D printer in 2007 that fabricates objects from sugar using a sintering approach. The project, called CandyFab, has a dedicated website at CandyFab.org. Although the project has shut down, you can still read about it and how he made it work.

For a more professional approach, you can purchase 3-D printing services instead. These services allow you to send in your own CAD files and get back a high-quality production of your object or objects created by an industrial 3-D printer. Online companies that offer 3-D printing services include Shapeways and Ponoko. These sites also give you the option of setting up an online store, allowing you to make money when others purchase 3-D prints of your design. [source: Shapeways, Ponoko]

3-D printing continues to improve as its cost comes down. Perhaps in the future these machines will be commonplace tools used to remedy everyday problems like printing out school projects or printing a new housekey instead of driving to the hardware store for a replacement.

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