La stampa 3D di oggetti di grandi dimensioni

Non esiste una risposta univoca; personalmente ritengo che molto dipende dall’ambito in cui ci si muove e dallo scopo a cui serve l’oggetto stampato.

In questo articolo mi concentrerò sull’ambito artistico e museale, cioè sulla produzione in stampa 3D di opere d’arte, sculture, elementi architettonici e simili (quindi tralasciando il discorso della stampa 3D per case o barche di cui sempre più spesso si sente parlare); se non altro perché è il mio lavoro e preferisco parlare di ciò che faccio abitualmente, senza avventurarmi in campi che non conosco.

Questa è la BigDelta realizzata dall’azienda italiana WASP. Si tratta di una stampante alta 12 m pensata per la stampa 3D di case.

Le stampanti 3D con grandi aree di stampa si basano tutte sulla tecnologia ad estrusione: possono essere stampanti con estrusione a caldo, quindi tecnologia a filamento FFF (Fused Filament Fabrication) o FDM (Fused Deposition Modeling), possono essere stampanti con estrusione a freddo, come quelle che usano impasti di argilla o cemento, o come quelle che estrudono gel curati con lampade UV. Ho parlato di come funzionano le tecnologie di stampa 3D in un post precedente.

L’unica eccezione è la stampante 3D Mammoth realizzata dalla società belga Materialise: si tratta di una stampante 3D stereolitografica (SLA) con un’area di stampa di 210 x 70 x 80 cm; ma non è in commercio ed è usata solo per fare service.

Esistono attualmente in commercio stampanti 3D a estrusione che offrono aree di stampa oltre i 100 cm, con punte di 3 m per certi modelli. Ovviamente i prezzi di queste stampanti sono direttamente proporzionali al volume di stampa e spaziano approssimativamente tra i 10.000 e i 250.000 euro. Si tratta di stampanti che nella maggior parte dei casi permettono di lavorare con polimeri (eventualmente polimeri addizionati) o materiali fluidi come ceramica, argilla o cemento.

Per stampare in 3D un oggetto di grandi dimensioni, avere una stampante 3D con un’area di stampa grande è certamente utile, ma non è strettamente necessario che l’area di stampa sia grande quanto l’oggetto che dobbiamo stampare. In realtà, quando si deve produrre un oggetto di grandi dimensioni, la soluzione più indicata è di suddividerlo in parti per poi assemblarle.

Questa è la strada che seguo quando devo riprodurre in stampa 3D, ad esempio, una statua. Vediamo per quali motivi.

Uno dei problemi principali con le stampe 3D di grande formato è legato al tempo di stampa e al controllo sul processo di stampa.

Ad esempio, una statua alta 150 cm, stampata in un pezzo unico e con una risoluzione di stampa media, può richiedere centinaia di ore di stampa consecutive. Questo comporta dei rischi, poiché anche le stampanti 3D più affidabili, su periodi di lavoro molto lunghi, possono avere dei problemi tecnici: il materiale che per qualche motivo si incastra, l’ugello che si intasa, una resistenza che smette di riscaldare, ecc…

Teoricamente, una stampante 3D meccanicamente a posto dovrebbe essere in grado di lavorare senza problemi anche per centinaia di ore, ma chiunque abbia mai lavorato su stampe lunghe, sa bene che un imprevisto è sempre dietro l’angolo.

Personalmente, evito di fare stampe che superano le 150 ore (che corrispondono a oltre sei giorni di stampa ininterrotta!).

Questi sono anche i motivi per cui le stampanti 3D grandi non nascono per fare stampe lunghe, ma più che altro per stampare in un unico pezzo oggetti grandi che non hanno bisogno di un dettaglio elevato, quindi con una risoluzione di stampa medio-bassa e tempi di stampa ridotti.

Cosa significa stampare con una risoluzione di stampa bassa, media o alta?

Senza entrare troppo nel dettaglio, è possibile impostare alcuni parametri di stampa per determinare la qualità e la velocità della stampa 3D. In sintesi, se voglio ottenere una stampa 3D di qualità elevata, avrò di conseguenza tempi di stampa lunghi; mentre se voglio tempi di stampa ridotti, dovrò necessariamente accontentarmi di una stampa 3D di qualità bassa.

I tre principali parametri di stampa che determinano la qualità finale dell’oggetto stampato sono: l’altezza degli strati (layers height), lo spessore delle pareti (shell) e il riempimento (infill).

Se vogliamo una stampa di alta qualità, dovremo impostare strati di stampa sottili (che quindi saranno meno visibili sulla superficie dell’oggetto stampato); ma più gli strati sono sottili, più aumenta il tempo di stampa, perché occorrerà un numero maggiore di strati per realizzare l’oggetto. Stessa cosa per quanto riguarda lo spessore delle pareti e il riempimento: più l’oggetto deve essere robusto, più questi parametri vanno alzati (pareti con elevato spessore e stampe con riempimento molto fitto), ma di conseguenza aumenta anche il tempo di stampa. Questo significa che se stampiamo la statua in un pezzo unico, per impiegare non molte centinaia di ore di stampa dovremo lavorare con parametri bassi, quindi con una qualità di stampa bassa.

Suddividendo il lavoro di stampa 3D in porzioni più piccole abbiamo molti vantaggi:

• possiamo lavorare con parametri di qualità elevati (medio-alti), avendo, comunque, per ogni parte una quantità di ore di stampa ridotte;
• accorciando il tempo di stampa per ogni singola parte, si riduce anche il rischio di imprevisti che si potrebbero verificare sul lungo periodo;
• quando suddividiamo il modello, possiamo realizzare dei tagli in modo tale da facilitare il successivo lavoro di assemblaggio (ad esempio seguendo linee particolari che andranno a nascondere il taglio una volta riunite insieme tutte le parti). Diversamente, se tentiamo di fare una stampa unica e accade che il processo si interrompe, rischiamo di avere una linea di taglio in un’area che potrebbe creare problemi, ad esempio sul volto della statua, complicando non poco tutto il successivo lavoro di rimontaggio e post-lavorazione;
• suddividendo il modello 3D possiamo ottimizzare la generazione dei supporti (le colonnine di materiale che vengono stampate per sorreggere sporgenze e sottosquadri), risparmiando così tempo e materiale;
• infine, ottimizzare il tempo di stampa, significa riuscire anche a ottimizzare il costo finale del lavoro.

Non è poi secondario sottolineare che, procedendo in questo modo, anche con una stampante con volume di stampa di 50 cm (e con un costo abbondantemente inferiore ai 10.000 euro) possiamo produrre statue di oltre 2 metri.

Ovviamente, le singole parti devono poi essere assemblate tra di loro in modo accurato e garantendo all’oggetto finale caratteristiche di robustezza e di qualità della superficie.

Ad esempio, se si tratta di una statua, l’assemblaggio deve essere robusto, in modo che la parti non tendano a separarsi con il passare del tempo; inoltre, sulla superficie finale non devono essere evidenti le giunture tra una parte e l’altra. Il montaggio e la post-lavorazione sono operazioni che richiedono tempo ed esperienza e che incidono sensibilmente sul costo finale dell’oggetto.

E’ importante sottolineare che, nel caso di una statua, anche se la stampassimo in un pezzo unico la post-lavorazione sarebbe comunque indispensabile per togliere i difetti tipici della stampa, come l’effetto layers e le sbavature dovute ai supporti.

Questa è la modalità di lavoro con cui nel mio laboratorio realizziamo le statue e, in generale, tutti gli oggetti di grandi dimensioni: come nel caso della riproduzione della statua di San Giuseppe, delle statue del Museo Diocesano di Cremona  o della stampa 3D del dipinto della Madonna Sistina di Raffaello.

Se ti interessa questo argomento, ne parlo in modo approfondito nel mio corso on-line di “Stampa 3D per i Beni Culturali”.

In conclusione, se dobbiamo stampare in 3D un oggetto di grandi dimensioni, procedere suddividendo il modello ci permette di:

• lavorare con stampanti 3D che hanno volumi di stampa medi e costi accessibili;
• migliorare la qualità della stampa impostando risoluzioni medio-alte;
• ottimizzare il tempo di stampa, limitando i supporti e evitando gli imprevisti tipici delle stampe 3D molto lunghe;
• in generale, risparmiare sui costi di stampa e produzione.