La Stampa 3D è un universo dinamico e in continua evoluzione e la sua comprensione approfondita richiede un impegno costante. Da professionisti del settore, siamo consapevoli che la complessità delle tecnologie, dei materiali e dei processi rende cruciale comprendere i principali concetti e adattarsi alle innovazioni e alle sfide emergenti. In tale contesto, l'aggiornamento costante e lo scambio di conoscenze sono pilastri fondamentali per contribuire all'applicazione e allo sviluppo del 3d printing.

Abbiamo pensato fosse utile raccogliere l’ormai ricco vocabolario della Stampa 3D per fornire una panoramica accessibile per approfondire questa tematica. Per renderne più agevole la comprensione e l'utilizzo, questa Guida è organizzata in quattro parti distinte, ciascuna concentrata su un'ampia area tematica:

• #1 Additive Manufacturing e Tecnologie di Stampa 3D: la prima puntata esplora le varie tecnologie di produzione additiva, cercando di far ordine tra le tantissime sigle esistenti e offre una prospettiva dettagliata sui metodi utilizzati per creare oggetti tridimensionali;
• #2 Stampanti 3D: nella seconda puntata analizzeremo in dettaglio le diverse tipologie di stampanti 3D, con una guida per comprenderne il funzionamento e le caratteristiche;
• #3 Materiali: la terza uscita prevede il focus sui materiali impiegati nel processo di stampa 3D, le loro proprietà, le applicazioni e le performance in funzione del tipo di uso;
• #4 Software e File di Stampa 3D: concludiamo con un'analisi dei software e dei formati di file utilizzati nel processo di preparazione e stampa 3D, con indicazioni utili su come gestire e ottimizzare i progetti per la stampa.

 

I contenuti sono in continua evoluzione ed integrazione. Se anche tu vuoi contribuire, scrivi a hello@polyd.com 

 

 

#1: ADDITIVE MANUFACTURING E TECNOLOGIE DI STAMPA 3D

Cominciamo con il distinguere i due approcci per creare parti complesse e funzionali:

• Additive Manufacturing o Produzione Additiva;
• CNC Manufacturing o Produzione Sottrattiva.

Entrambe le tecnologie sono adoperate per generare Prototipi e Componenti. L’approccio differisce nel modo in cui il materiale viene manipolato: l'additive manufacturing aggiunge materiale per costruire l'oggetto, mentre la CNC manufacturing rimuove il materiale per ottenere la forma desiderata. 

CNC Manufacturing

Adesso che abbiamo compreso qual’è il concetto con il quale la CNC manufacturing lavora, ecco alcuni esempi:

• Fresatura CNC (Computer Numerical Control): la fresa rotante controllata da un computer toglie materiale da un blocco solido e crea oggetti e componenti;
• Tornitura CNC: il tornio permette di ruotare e tagliare il pezzo, eliminando il materiale in eccesso per ottenere la forma desiderata;
• Taglio Laser: il raggio laser focalizzato taglia materiali come metallo, plastica o legno;
• Elettroerosione a Filo (Wire EDM): un filo metallico sottile e un'azione di erosione elettrica sottraggono materiale da un oggetto solido, creando parti con tolleranze strette e superfici precise;
• Lavorazione a Ultrasuoni: un utensile vibrante ad ultrasuoni rimuove il materiale dal pezzo; questa tecnica è utilizzata soprattutto per la ceramica o il vetro;
• Lavorazione Chimica: sostanze chimiche portano via materiale da una superficie solida, ad esempio attraverso processi di corrosione selettiva o di incisione;
• Sabbiatura: il materiale in eccesso viene rimosso con un getto di sabbia ad alta pressione. E’ una tecnica utilizzata spesso anche per pulire o levigare superfici metalliche e plastiche;
• Lavorazione Meccanica Tradizionale: questa categoria comprende una vasta gamma di tecniche di lavorazione sottrattive che coinvolgono l'uso di utensili manuali o macchine utensili, quali troncamento, sagomatura, limatura e levigatura.
   

Additive Manufacturing

La Stampa 3D (3D Printing) oggi si avvale nel linguaggio comune - indifferentemente - dei seguenti termini: Produzione Rapida (Rapid Manufacturing), Produzione Additiva (Additive Manufacturing), Produzione a Strati (Layer Manufacturing).

Il concetto di stampa 3d è stato registrato da Stratasys, che nel 1999 lo ha reso di pubblico utilizzo. L’Additive Manufacturing o Fabbricazione Additiva o Produzione Additiva è oggi impiegato come sinonimo di Stampa 3D e include tutte le Tecnologie che realizzano Componenti, Prototipi, Parti o Semilavorati, aggiungendo materiale strato dopo strato, sulla base di un file 3D o Modello. 

Le lavorazioni Additive considerano 5 fasi:

• la creazione del modello;
• la generazione del file stl (per la conversione leggi Convertitore .step in .stl);
• la definizione degli strati necessari;
• la produzione vera e propria;
• i processi di finitura del Pezzo o Componente.

L’Additive Manufacturing impiega Tecnologie Additive che hanno diversi Vantaggi:

• utilizzano una varietà di materiali, tra cui plastica, metallo, ceramica e materiali compositi;
• offrono una maggiore libertà di design e consentono la creazione di geometrie e strutture interne complesse;
• producono generalmente meno scarti di materiale rispetto alle tecnologie sottrattive.
   

Ai fini di una classificazione basilare delle Tecnologie Additive facciamo riferimento agli Standard ISO che stabiliscono e definiscono la terminologia dell’Additive Manufacturing, dividendo le tecniche in 7 macro categorie principali:

• Material Extrusion (Estrusione di Materiale): è forse la più conosciuta, grazie alle stampanti oggi in commercio. La testina di stampa riscalda il filamento e lo deposita strato su strato. Esempi di questa categoria sono FDM o FFF.
• Vat Photopolymerization (Fotopolimerizzazione in Vasca): la stampa avviene in una vasca/tino con all’interno un liquido reattivo attivato dalla luce, che rompe dei legami chimici del liquido, libera radicali e li fa reagire con le catene corte dei polimeri circostanti. La categoria comprende tra gli altri 3SP, CLIP, DPL, SLA.
• Power Bed Fusion (Fusione a letto di Polvere): un laser o fascio di elettroni fonde o sinterizza la polvere, applicata strato su strato. Qui troviamo ad esempio DMP, DMLS, SLM, SLS.
• Binder Jetting: utilizza una stampante tipo quella a getto di inchiostro. Gli strati di polvere depositati sul piano vengono incollati ai successivi tramite un legante. Questo processo si ripete strato dopo strato fino a formare l'oggetto desiderato. Con la completa stampa del pezzo l'eccesso di polvere viene rimosso. In questa categoria rientrano Binden Jetting, MBJ, SBI.
• Material Jetting (MJ): anche MJ usa una testina di stampa simile a quella della stampante a getto di inchiostro, ma il materiale è in forma liquida. Uno dei grandi vantaggi di tale tecnica è la possibilità di modificare il materiale e il colore durante la stampa. La categoria comprende MJ, DOD, MJM.
• Sheet Lamination (Laminazione di Fogli): vengono incollati in strati fogli di materiale come plastica, carta o lamiera e il materiale in eccesso viene tagliato con un laser o con un coltello. La categoria include tra le altre SDL e LOM.
• Directed Energy Deposition (Deposizione Diretta di Energia): ricorda la saldatura perché crea parti attraverso la fusione diretta dei materiali, che vengono poi depositati sull’oggetto o protitipo, strato per strato. In questa categoria troviamo appunto DED, EBAM, LENS, LMP e Cladding.

Alle macro categorie sopra evidenziate aggiungiamo Multi Jet Fusion (MJF) di HP®, che per la presenza sia dell’agente legante che dell’agente di fusione viene considerata come un mix tra power bed fusion e binder jetting.

 

Multi Jet Fusion (MJF) HP®

 

Tra le principali tecnologie in termini di performance troviamo la Multi Jet Fusion (MJF) HP®, le stampanti di cui fa uso PolyD.
Per approfondimenti sulla stampa MJF puoi leggere la nostra Guilda Completa alla Tecnologia di Stampa MJF. 

Multi Jet Fusion è la tecnologia di stampa 3D sviluppata da Hewlett-Packard (HP) nel 2016, che è diventata popolare per la sua capacità di produrre parti con:

• elevata qualità superficiale, 
• design geometrici complessi,
• proprietà meccaniche eccellenti, 
• resistenza del pezzo, 
• incredibile dettaglio di stampa,
• elevata velocità di produzione.

Nel processo di Multi Jet Fusion, un letto di polvere di materiale termoplastico, solitamente nylon, viene uniformemente distribuito su una piattaforma di stampa. Successivamente, una testina deposita un agente di fusione su ogni strato di polvere, seguita da un’altra che depone un agente di inibizione per controllare la fusione in specifiche aree dell'oggetto. Poi una lampada a infrarossi riscalda uniformemente il materiale e induce la fusione nelle aree in cui è stato applicato l'agente di fusione. 

Con le stampanti MJF di ultima generazione PolyD ha incrementato la capacità produttiva e l’efficienza operativa: 

• processi sono ora ancora più flessibili e ottimizzati, 
• i costi e tempi di gestione sono sensibilmente ridotti, 
• i volumi produttivi sono aumentati.

Se vuoi saperne di più sulle stampanti HP leggi “Soluzioni di automazione 3D”. 

 

1. Material Extrusion (Estrusione di Materiale)

 

FDM è l’acronimo di “Fused Deposition Modeling”. Un sinonimo di Modellazione a Deposizione Fusa è FFF (Fused Filament Fabrication). La tecnologia FDM è di proprietà di Stratasys, mentre FFF è una fedele riproduzione opensource.
E’ una delle tecnologie più diffuse ed accessibili. Nella Modellazione a Deposizione Fusa le stampanti 3D, grazie a un Estrusore, depositano in modo selettivo filamenti su un piano di lavoro, che solidificandosi, creano l’oggetto tridimensionale progettato. Durante la stampa la testina si muove sul piano in tre dimensioni (asse X, Y e Z) e possono essere necessari supporti che sostengono gli oggetti, supporti realizzati contemporaneamente all'oggetto e rimossi solo dopo il completamento della stampa. Le parti stampate con la tecnologia FDM presentano strati visibili sulle superfici, specialmente su parti con geometrie complesse o angoli pronunciati. Il materiale più comunemente usato è il filamento di PLA (acido polilattico) o ABS (acrilonitrile butadiene stirene); sono disponibili anche PETG, Nylon, TPU. 
Se vuoi saperne di più leggi i nostri articoli su Pro e Contro delle Tecnologie di Stampa FDM e MJF.

 

2. Vat Photopolymerization (Fotopolimerizzazione in Vasca)

 

Continuous Liquid Interface Production (CLIP) è la tecnologia combina principi di stereolitografia e stampa a fotopolimerizzazione. Diversamente dalla stampa per sovrapposizione di strati, prevede la produzione di un pezzo attraverso un processo di stampa continuo che solidifica la resina liquida, senza strati distinti. E’ così possibile stampare parti in modo molto più rapido e con una superficie più uniforme.

Nel Digital Light Processing (DLP) un proiettore digitale proietta un'immagine in 2D di ciascuno strato dell'oggetto su una vasca di resina fotosensibile liquida. Tale resina viene polimerizzata dalla luce UV emessa dal proiettore, solidificando lo strato corrispondente del modello. Una volta che uno strato è solidificato, il piano di lavoro si abbassa per consentire la formazione del successivo strato, e il processo si ripete fino a quando l'oggetto è completamente costruito.

Durante il processo di Scan, Spin, and Selectively Photocure (3SP) un laser UV viene utilizzato per polimerizzare uno strato sottile di resina fotosensibile liquida su un substrato, secondo le indicazioni del file 3d. Il modello viene ruotato, consentendo così una distribuzione uniforme del materiale e garantendo una maggiore velocità di produzione. Il ciclo di scansione, rotazione e polimerizzazione selettiva continua fino al completamento dell'oggetto desiderato. 

Stereolithografia (SLA) impiega resine liquide per creare oggetti tridimensionali. Durante il processo della Stereolithografia uno speciale laser UV indurisce selettivamente gli strati sottili di resina liquida. Il laser si muove secondo un percorso prestabilito, solidificando la resina nelle aree esatte in cui è richiesto dal modello, strato dopo strato. Durante la fusione vengono emessi dei fumi che rendono necessaria la corretta ventilazione e l’osservazione di precise norme per la salute. 

 

3. Power Bed Fusion (Fusione a letto di Polvere)

 

Digital Metal Printing (DMP) è la Stampa Diretta in Metallo, detta anche Sinterizzazione Laser Diretta in Metallo (Direct Metal Laser Sintering - DMLS). Consente la produzione di parti metalliche complesse e di alta precisione con una resistenza simile a quella degli oggetti ottenuti con le tecniche di produzione tradizionali, come fresatura e fusione. La modalità di produzione è simile a quella della tecnologia SLS: un laser fonde e solidifica polveri di metallo strato dopo strato.

Selective Laser Melting (SLM) utilizza un laser focalizzato ad alta potenza per fondere e solidificare selettivamente polveri metalliche o leghe metalliche, strato dopo strato, senza l’ausilio di leganti. 

La Selective Laser Sintering (SLS) si serve di un processo di fusione selettiva con un laser. E’ adoperata con una varietà di materiali in polvere, tra cui plastica, metallo, ceramica e compositi. Il processo SLS inizia da un letto di polvere di materiale disposto uniformemente su un piatto di stampa. Un laser di precisione  sinterizza selettivamente le particelle di polvere, fondendole insieme strato dopo strato secondo il modello 3D desiderato. SLS produce  parti senza la necessità di supporti, poiché ogni strato di polvere funge da supporto per gli strati successivi. La SLS è particolarmente adatta per la produzione di parti che richiedono resistenza, durabilità e precisione dimensionale. Tuttavia, può essere necessaria la post-elaborazione delle parti stampate, per ottenere finiture superficiali ottimali e rimuovere eventuali residui di polvere. Se vuoi sapere di più leggi il nostro articolo su MJF, FDM o SLS. I consigli di PolyD per la tua Stampa 3D.

Una variante della SLS è la Micro-Scale Selective Laser Sintering (µ-SLS); si avvale di un laser a scala ridotta per creare parti con dettagli microscopici, spesso nell'ordine dei micrometri. È utilizzata principalmente per la produzione di dispositivi microfluidici, semiconduttori e componenti elettronici.

 

4. Binder Jetting

 

Metal Binder Jetting (MBJ) prevede la distribuzione di uno strato di polvere metallica su un substrato, seguito dall'applicazione selettiva di un legante liquido tramite testina di stampa. Il legante viene depositato solo nelle aree dove è necessaria la solidificazione e il ciclo di deposizione e solidificazione continua fino a quando l'oggetto è completato. Successivamente, l'oggetto è sinterizzato per rimuovere il legante residuo e consolidare le particelle metalliche.

Sand Binder Jetting (SBJ) combina sabbia o materiali simili con un legante, per produrre modelli o componenti tridimensionali. Uno strato uniforme di sabbia viene distribuito sul piano di lavoro; la testina di stampa applica poi il legante liquido solo nelle aree dove è necessaria la solidificazione. Successivamente l'oggetto può essere sinterizzato o trattato con altri metodi, per aumentarne la resistenza e la durabilità, a seconda dell'applicazione utilizzata. 

 

5. Material Jetting

 

Nel Material Jetting gli oggetti sono costruiti con il deposito strato dopo strato di fotopolimeri, metalli o cera, con una modalità puntiforme simile a quella delle stampanti a getto d'inchiostro. Appena il fotopolimero entra a contatto con luce o calore si solidifica. Le stampanti a Material Jetting hanno due getti di stampa, uno per la costruzione del pezzo e l’altro per il supporto dissolvibile. Spesso il material jetting è usato per costruire stampi.

La Drop on Demand (DOD) usa testine di stampa dotate di piccole aperture attraverso le quali il materiale viene depositato selettivamente strato su stato, solo dove è richiesto. Può essere utilizzata con plastica, ceramica e metallo.

Multi Jet Modeling (MJM) utilizza una combinazione di getti di materiali e leganti per produrre modelli tridimensionali. Strati di fotopolimerno vengono sovrapposti e polimerizzati con l’aiuto della luce UV. Le parti e i componenti possono essere stampati direttamente in più colori, in materiali translucidi e trasparenti. 

MJM è noto anche come PolyJet. PolyJet similmente alla SLA, utilizza una resina liquida solidificata strato dopo strato, ma a differenza di questa, che si avvale di un laser per polimerizzare una resina liquida, le stampanti PolyJet adoperano la luce ultravioletta. Le stampanti funzionano come quelle a getto di inchiostro, solo che al posto delle gocce di inchiostro utilizzano gocce di plastica polimerizzate appunto dalla luce UV. 
PolyJet è un marchio di proprietà di Stratasys. 

 

6. Sheet Lamination (Laminazione di Fogli)

 

Il processo alla base della Selective Deposition Lamination (SDL) o Laminazione a Deposizione Selettiva prevede il deposito “selettivo” di strati sottili di materiale plastico su un substrato, seguito dalla loro laminazione e fusione per creare un oggetto tridimensionale. Durante l'esecuzione del processo, il materiale plastico è estruso o depositato in modo controllato su un piano di lavoro, seguendo il file 3D. Successivamente gli strati depositati vengono uniti con l’applicazione di calore o pressione, garantendo una forte adesione tra di essi e la formazione di una struttura coesa. 

Laminated Object Manufacturing (LOM) utilizza strati di materiali come carta, plastica o metallo per costruire oggetti tridimensionali. Il processo coinvolge il taglio selettivo di fogli di materiale e il loro successivo incollaggio o saldatura, strato dopo strato, fino a ottenere l'oggetto desiderato. Durante l'esecuzione del processo, un rullo o una testa di taglio controllati da un software CAD vengono utilizzati per tagliare i fogli secondo il profilo dell'oggetto da stampare. Dopo ogni taglio, uno strato di adesivo viene applicato tra i fogli per unire gli strati precedentemente tagliati. Il ciclo di taglio e incollaggio viene ripetuto fino al completamento del componente. Una volta terminata la costruzione, la parte può essere rifinita o trattata ulteriormente per migliorarne le proprietà meccaniche o estetiche.
 

7. Directed Energy Deposition (Deposizione Diretta di Energia)

 

Il Cladding applica di uno strato di materiale sulla superficie di un componente esistente per migliorarne le proprietà o modificarne l'aspetto estetico. Tale strato aggiuntivo, chiamato "clad", è costituito da materiali diversi rispetto al componente di base, come metalli, ceramica o compositi, e viene applicato tramite svariate tecniche, tra cui la saldatura, la deposizione termica o la deposizione chimica. Il processo di cladding è utilizzato per migliorare la resistenza all'usura, la resistenza alla corrosione, la conducibilità termica o elettrica.

Directed Energy Deposition (DED) o Deposizione Diretta di Energia inizia con l'alimentazione di una fonte di materiale, comunemente sotto forma di polvere o filamento, in una camera di deposizione. Una volta raggiunta la temperatura ottimale, il materiale viene fuso e depositato su un substrato o una superficie di lavoro utilizzando un getto controllato. Il materiale fuso viene poi ulteriormente fuso con l'utilizzo di una sorgente di energia, come un laser ad alta potenza o un fascio elettronico per fondere il materiale appena depositato. Il processo continua strato dopo strato fino a completare la forma desiderata dell'oggetto.

Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) usa un fascio di elettroni per colpire e fondere selettivamente le particelle di polvere metallica sul substrato, seguendo il modello 3d. Offre una maggiore velocità di produzione rispetto ad altre tecnologie per il metallo e consente la produzione di componenti di grandi dimensioni con dettagli fini e buone proprietà meccaniche. 

Nel Laser Engineered Net Shaping (LENS), utilizza laser che saldano flussi di polveri metalliche soffiate in aria a pezzi personalizzati. Un raggio laser ad alta potenza colpisce un piccolo punto su un substrato metallico, producendo una "piscina" nella quale un augello soffia minuscole quantità di polvere metallica per riempirla ed aumentarne il volume.

Anche nel Laser Metal Deposition (LMD) un laser ad alta potenza fonde e solidifica polveri metalliche, fili o polveri metalliche mescolate a leganti, strato dopo strato.

 

Altre Tecnologie Additive

 

BiofabricationTM e Bio 3dprinting è un metodo automatizzato che, attraverso l’impiego di software e hardware di stampa 3d, consente l’uso di cellule viventi come materiali di base per produrre tessuti. La tecnica si basa fondamentalmente su 3 elementi:

• bioink, cioè la soluzione composta da cellule;
• biopaper, cioè la matrice bio-assorbibile sulla quale la soluzione è deposta;
• bioprinter, cioè la stampante appositamente modificata per “stampare” i tessuti vitali.

Le cellule una volta fuse originano la struttura dei tessuti.
È ampiamente utilizzato nella medicina per rigenerare organi, per produrre tessuti, per sviluppare organoidi e modelli di malattie.

 

Carbon DLSTM (Digital Light Synthesiso Sintesi digitale della luce) è una tecnologia di stampa che combina la fotopolimerizzazione con l'utilizzo di resine avanzate per produrre componenti con prestazioni superiori. Sfrutta la luce UV per polimerizzare le resine liquide, stratificandole in modo preciso per creare oggetti tridimensionali. 

 

Ceramic 3D Printing consente di stampare oggetti con materiali ceramici, come argilla o silicati. La Stampa 3d in Ceramica prevede sistemi di produzione additiva e tipologie di stampanti 3D che sono impiegati anche in altri settori: estrusione, binder jetting, sinterizzazione delle polveri, fotopolimerizzazione. Vengono così realizzati oggetti come vasi, piatti e componenti per applicazioni industriali.

 

Electron Beam Melting (EBM) utilizza un fascio di elettroni proiettati su un letto di polvere metallica. Il processo di fusione e solidificazione avviene strato dopo strato in un ambiente sottovuoto e a una termperatura di circa 1000°C.  È ampiamente utilizzata in ambito aerospaziale, perché permette di creare pezzi di grandi dimensioni. 

 

Powder Bed and Inkjet Head 3D Printing (3DP) o Stampa 3D con letto di polvere e testina a getto d'inchiostro, è stato brevettato nel 1993 dal Massachusetts Institute of Technology ed è il primo utilizzo, con marchio registrato, del termine “3d printing”. Sfrutta polveri plastiche, ceramica e metalli. Questo processo implica l'uso di un letto di polvere come substrato, su cui un inchiostro legante viene depositato selettivamente tramite testine di stampa a getto d'inchiostro. Le particelle di polvere vengono quindi fuse insieme strato dopo strato, seguendo il modello 3d. Completata la stampa, l'oggetto è estratto dal letto di polvere e può essere trattato ulteriormente per migliorare le sue proprietà meccaniche o estetiche. 

 

I contenuti sono in continua evoluzione ed integrazione. Se anche tu vuoi contribuire segnalando tecniche di stampa 3d che non abbiamo considerato, scrivi a hello@polyd.com 

 

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Buona stampa 3D!