Come funziona la stampa 3D?

La stampa 3D nasce a metà degli anni ’80 come tecnologia di prototipazione rapida, cioè come soluzione per realizzare prototipi con tempi e costi contenuti. La stampa 3D, detta anche manifattura additiva, è una delle soluzioni che oggi abbiamo a disposizione per la produzione di oggetti, insieme alle tecnologie di stampaggio a iniezione e alle tecnologie sottrattive.

Per produrre un oggetto, qualsiasi stampante 3D funziona allo stesso modo: un modello 3D digitale viene trasformato in un oggetto fisico aggiungendo materiale uno strato alla volta.

Il dato di partenza è sempre un modello 3D digitale dell’oggetto che deve essere prodotto. Prima della stampa, il modello viene preparato con un apposito software, che lo suddivide in strati orizzontali (operazione detta, appunto, slicing), che non sono altro che i singoli strati di materiale che la stampante andrà a depositare sul piatto di stampa per formare l’oggetto.

Questa struttura a strati viene tradotta in una serie di istruzioni in linguaggio macchina che vengono scritte in un file, il cosidetto file G-code, che la stampante 3D è in grado di interpretare. Infine, il file G-code viene inviato alla stampante e il processo di stampa può essere avviato.

Da qui in avanti, il modo in cui funziona una stampante 3D varia in base alla tecnologia di stampa. Ad esempio, le stampanti 3D a filamento (FDM o FFF) fondono filamenti di plastica che viene depositata sul piatto di stampa attraverso un ugello, mentre le stampanti a polvere (SLS) usano un laser per fondere sottili strati di polveri di plastica.

Anche i materiali disponibili variano in base alla tecnologia di stampa 3D: le materie plastiche sono le più comuni, ma non mancano i metalli e molti altri materiali tecnici, come quelli trasparenti o quelli simili alla gomma.

Oggi vengono riconosciute sette categorie di stampa 3D differenti (classificazione ISO/ASTM 52900), che si basano sul tipo di materiale che viene impiegato nel processo e sul modo in cui viene trattato (la classificazione è americana, per cui manterrò i nomi originali delle categorie):

• material extrusion,
• vat polymerization,
• powder bed fusion,
• material jetting,
• binder jetting,
• direct energy deposition,
• sheet lamination.

E’ importante sapere quali sono e come funzionano, per poter scegliere di volta in volta la tecnologia migliore per l’oggetto che dobbiamo produrre.

Material extrusion

Processo con cui un materiale viene selettivamente rilasciato attraverso un ugello e depositato su un piatto di stampa (FDM – Fused Deposition Modeling; FFF – Fused Filament Fabrication).

Vat polymerization

Processo in cui un fotopolimero liquido, contenuto all’interno di un contenitore, viene selettivamente solidificato da una sorgente luminosa, come un laser (SLA – Stereolitography), la luce di un proiettore (DLP – Direct Light Processing) o un sistema di luce a LED (CDLP – Continuous Direct Light Processing).

Powder bed fusion

Processo in cui strati di polvere di metallo o di plastica vengono fusi selettivamente da una sorgente termica, come un laser (SLS – Selective Laser Sintering; DMLS – Direct Metal Laser Sintering; SLM – Selective Laser Melting), una luce all’infrarosso (MJF – Multi Jet Fusion) o un fascio di elettroni (EBM – Electron Beam Melting).

Material jetting

Processo in cui gocce di materiale (cera, fotopolimeri, metalli) vengono depositate selettivamente a strati sovrapposti e solidificate tramite lampade UV o sorgenti di calore (MJ – Material Jetting; DOD – Drop On Demand; NPJ – NanoParticle Jetting).

Binder jetting

Processo in cui un legante liquido viene selettivamente rilasciato su strati di polvere di gesso o di metallo (BJ – Binder jetting).

Direct energy deposition

Processo in cui energia termica viene usata per fondere e unire strati di metallo in polvere (LENS – Laser Engineering Net Shaping; EBAM – Electron Beam Additive Manufacturing).

Sheet Lamination

Processo in cui fogli di carta o di altro materiale composito vengono sovrapposti, ritagliati e uniti (LOM – Laminated Object Manufacturing)

I materiali per la stampa 3D sono strettamente connessi ai processi di stampa, ciò significa che ogni tecnologia può lavorare solo con determinati materiali. 

Così come le tecnologie di stampa 3D, anche i materiali disponibili possono essere suddivisi in categorie: polimeri, metalli e altri materiali.

Per quanto riguarda i polimeri, ne esistono con proprietà molto differenti tra loro e che possono essere utilizzati in molti ambiti (dal meccanico, al medicale). I polimeri per la stampa 3D sono disponibili in tre forme differenti: filamento, resina liquida e polvere; inoltre, possono essere suddivisi in due categorie: termoplastici e termoindurenti.

I polimeri termoplastici possono essere sciolti e solidificati più volte, generalmente senza perdere le proprie qualità; appartengono a questa categoria il PLA, l’ABS, il Nylon, il TPU, l’ASA e, in generale, tutti i materiali utilizzati dalle stampanti FDM/FFF e SLS.

I polimeri termoindurenti sono già allo stato liquido e vengono solidificati attraverso l’esposizione alla luce o mescolandoli con un catalizzatore; in questa categoria troviamo tutte le resine usate dalle stampanti SLS, DLP, CDLP, MJ e MJF.

I metalli sono disponibili solamente in polvere, ma con una scelta molto ampia: acciaio, alluminio, titanio, cromo-cobalto, leghe di nichel.

Esistono, infine, altri materiali particolari, come la ceramica, o ibridi, come le resine che contengono ceramica in polvere, oppure filamenti termoplastici che contengono polveri di vari materiali, come metallo, marmo, legno, ecc…

Stampa 3D a estrusione (FFF) con filamento caricato con polvere di bronzo.

Stampa 3D a estrusione (FFF) con filamento caricato con polvere di marmo.

Stampa 3D a estrusione (FFF) con filamento caricato con polvere di legno.