Come funzionano stampanti 3D

di Salvatore Aranzulla

La stampa 3D è ormai entrata nelle case di tutti e se tra i tuoi intenti c'è quello di cominciare a modellare oggetti, magari perché vuoi aprire un'attività, potrebbe tornarti utile conoscere meglio la materia. Non sarebbe fantastico poter creare modelli senza dover ricorrere a servizi esterni, che probabilmente sono anche molto costosi? Se la tua risposta è “sì” allora mi sembra un ottimo inizio.

In questo articolo voglio parlarti della modellazione 3D ma, soprattutto, illustrarti come funzionano stampanti 3D e processi a esse collegati. Anche se può sembrare una materia complicata, non devi preoccuparti: sotto certi aspetti una comune stampante è ben più complicata. Vedrai infatti come i procedimenti si basino su alcuni standard e come essi si differenzino in base al materiale che intendi modellare.

Come sempre ti invito a metterti comodo e a leggere i prossimi paragrafi con attenzione. Al termine del tutorial non ci saranno segreti per te sulla modellazione 3D e, sono sicuro, sarai più che soddisfatto di quello che avrai appena imparato. Cominciamo? In tal caso buona lettura!

Informazioni preliminari

Informazioni preliminari stampanti 3D

Ti spiegherò presto come funziona una stampante 3D dal punto di vista pratico, ma è doveroso fare qualche accenno al tema prima di cominciare. In molti pensano che la stampa 3D sia un'invenzione recente, ma in realtà devi sapere che le prime stampe risalgono agli anni '80: in questo periodo infatti nacque la stampa a stereolitografia. Dobbiamo l'invenzione della prima stampante 3D a Chuck Hull, il quale fu il primo a produrre dispositivi per la modellazione tridimensionale negli anni '90.

Grazie alla stampa in 3D si possono realizzare oggetti con molti materiali, tra i quali le termoplastiche che sono molto adatte alla lavorazione in più cicli. Ci sono poi le plastiche termoinduerenti, che se sottoposte a riscaldamento non possono essere fuse e pertanto una volta lavorate non posso essere riutilizzate.

Tra gli altri materiali bisogna sicuramente citare la resina, elemento principale per la lavorazione 3D con il metodo SLA (stereolitografia) e il metallo per la lavorazione SLM. Titanio, acciaio, alluminio e leghe di nichel rientrano tra i metalli più utilizzati per la modellazione tridimensionale.

Tra la stampa 3D della plastica e quella del metallo c'è una differenza anche nei tempi di lavorazione e nei costi di produzione, per questo le componenti plastiche sono largamente usate anche per la creazione di oggetti da lavoro o parti meccaniche, accessori e molto altro nell'ambito dell'assemblaggio hardware e del fai da te. Hai presente la dima che forse hai usato spesso per segare un pezzo di legno? Probabilmente è stata realizzata con una stampante 3D. La stampa in 3D è largamente utilizzata anche a livello industriale e tecnologico per protesi, prototipi e addirittura in ingegneria aerospaziale.

Informazioni preliminari — Stampa in 3D

Ma come fa una stampante a creare un oggetto in 3D? Se è questa la tua domanda devi sapere che tutti i macchinari di stampa 3D hanno bisogno di un modello da cui partire, per poter infine dare vita al pezzo finito. Per stampare un elemento in 3D infatti avrai bisogno di un software per il disegno CAD, di un programma per l'avvio della stampa e, ovviamente, di una stampante 3D. Su questo argomento però, non voglio dilungarmi oltre perché ho scritto una guida approfondita sui programmi per stampanti 3D. Ti consiglio di leggerla.

Sinteticamente, il compito della stampante 3D è quello di creare una quantità di strati sovrapposti, che poi andranno a comporre l'oggetto fisico. La stampante riceve quindi l'input dal software di stampa apposito, detto Slicer (affettatore), che interpreta un file (usualmente G-code) contenente gli input come ad esempio coordinate e intensità.

Come funzionano le stampanti 3D FDM

Se ti stai chiedendo cosa voglia dire quella sigla nel titolo, sono qui proprio per spiegarti come funzionano le stampanti 3D FDM. L'acronimo richiama l'equivalente inglese di modellazione a deposizione fusa e viene classificata anche come FFF, poiché essa utilizza la fusione di filamenti per la creazione degli strati che andranno a comporre l'oggetto.

Sulla stampante viene montata una bobina di filamento plastico da 1,75mm o da 2,85mm, che dovrà passare al vaglio di un estrusore riscaldato. Questo processo, detto per l'appunto estrusione, serve a fondere il materiale del filamento che successivamente attraversa l'ugello di uscita. L'insieme di questi elementi è comunemente detto hotend (punto caldo)

Estrusore e ugello quindi compongono la testina di stampa, che riceve le coordinate X,Y,Z dal file trasmesso dallo slicer. Pertanto più l'oggetto da stampare sarà alto, più tempo si impiegherà a terminare il lavoro. Gli strati infatti si sovrappongono l'uno sull'altro e si fondono assieme grazie a delle specifiche ventole di raffreddamento.

Tra gli aspetti poco convenienti della stampa 3D FDM c'è sicuramente la scarsa finitura. In gergo tecnico si parla di anisotropia, ovvero quell'effetto che viene a crearsi quando si formano minuscole sacche d'aria: di conseguenza la visibilità degli strati è a occhio nudo. Questo spesso porta a lunghi lavori di post lavorazione come levigatura e sabbiatura.

Alcune stampanti 3D FDM tuttavia, presentano un estrusore doppio al fine di immettere anche materiale solubile insieme al filamento e, di conseguenza, ridurre di molto il lavoro di post lavorazione.

I materiali più utilizzati con la tecnica FDM sono il PLA (acido polilattico), plastica biodegradabile ma poco durature, l'ABS (acrilonitrile butadiene stirene) utilizzato soprattutto per tastiere e il PA (poliammide). Quest'ultimo è più duraturo nel tempo rispetto al PLA.

Come funzionano le stampanti 3D SLA

Hai presente l'inventore della stereolitografia di cui ti ho parlato prima? Bene, perché SLA non è altro che l'acronimo della tecnica inventata negli anni'80. Vorrai sapere come funzionano le stampanti 3D SLA e quale sia il loro principale utilizzo, quindi cominciamo col dire che questa tecnica può utilizzare laser, LED e proiettori.

C'è una differenza sostanziale tra le stampe 3D in FDM e quelle in SLA. Il primo metodo è in realtà meccanico, poiché prevede la fusione del materiale e il suo raffreddamento, dando quindi vita a risultati poco rifiniti. La stereolitografia invece utilizza la luce per polimerizzare la resina e, di conseguenza, mette in atto un vero e proprio processo chimico.

Probabilmente in passato ti sei chiesto anche come funzionano le stampanti 3D resina, sarai quindi felice di sapere che questo capitolo ti sarà molto utile. Premesso che anche questa stampante ha bisogno dei relativi software di cui ti ho già parlato, ci sono principalmente 3 tipi di stampa SLA. Questi tipi di stampante sono composti principalmente da una vasca (che ospiterà la resina), posta tra un laser (al di sotto di essa) e una piattaforma di rilascio del materiale (al di sopra).

Anziché presentare un ugello, la maggior parte delle stampanti SLA usa la cosiddetta tecnica bottom-up, letteralmente significa dal basso verso l'alto. Ciò vuol dire che la stampante, provvista di una vasca per la resina, viene illuminata dal basso con l'intento di solidificare il primo strato. La piastra di lavoro quindi si alza man mano che gli strati vengono solidificati o, per essere più precisi, polimerizzati.

Come funzionano stampanti 3D SLA — Componenti

Alcuni macchinari presentano anche un'illuminazione dall'alto, chiamata top-down, ma il principio di funzionamento rimane il medesimo. Sostanzialmente quindi anche la SLA solidifica il materiale resinoso punto per punto, ma il risultato è decisamente più preciso rispetto alla FDM. Devi sapere però che ci sono due varianti alla lavorazione con metodo SLA, ovvero la DLP e la MSLA: andiamo a vedere di cosa si tratta.

La stampante 3D DLP, anziché utilizzare un laser, adottano un proiettore per polimerizzare la resina nella vasca. La particolarità però risiede nel fatto che queste stampanti solidificano gli strati grazie a un unico fascio di luce, senza dover praticare la polimerizzazione punto per punto come con il laser. Per essere brevi quindi sarà un unico “flash” a solidificare un intero strato di materiale, il che rende tutto il processo molto più veloce.

La stampante MSLA utilizza uno schermo LCD per polimerizzare la resina. Hai capito bene! Attraverso una serie di luci a LED, lo schermo LCD oscura la luce selezionando quindi su quali pixel lavorare. Vien da sé che per una migliore qualità dovrai optare per una stampante 3D con uno schermo LCD di risoluzione più elevata.

Il materiale utilizzato per la stampa 3D SLA e le sue varianti è la resina, adatta per produrre, generalmente, oggetti con superfici lisce. Dai primi anni della sua invenzione, la SLA è stata molto usata in campo medico e per articoli di gioielleria. Anche in questo caso però ci sono dei contro da considerare: i materiali resinosi sono fotosensibili e deteriorabili se esposti a lungo alla luce del sole. Inoltre le attività di post lavorazione sono molteplici, partendo dal lavaggio della resina in eccesso, al trattamento con luce UV per un ulteriore indurimento della resina.

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Come funzionano stampanti 3D SLS

La tecnica SLS differisce molto da quelle di cui ti ho parlato finora. Per capire come funzionano le stampanti 3D SLS, devi sapere che implicano la sinterizzazione laser selettiva (SLS), il che ti lascia subito intendere che sarà compito di un laser solidificare il materiale di tuo interesse. Contrariamente alle altre, la SLS opera utilizzando polveri e per questo si parla di fusione a letto di polvere.

Nella sua composizione la macchina è composta da alcune parti riscaldanti poste alla base, simili alle serpentine dei frigoriferi. Subito sopra è installata una camera di stampa, affiancata dai sistemi di distribuzione delle polveri, muniti di spazzole. Al di sopra è montato il piatto di stampa, dove verrà quindi costruito l'oggetto fisico finito. Di conseguenza esso è sovrastato dall'apparato laser, con uno specchio che ha la funzione di ricevere le coordinate orizzontali e verticali e di profondità.

L'input del modello alla stampante viene dato seguendo il procedimento illustrato nei paragrafi precedenti, mentre la lavorazione implica che la polvere all'interno della camera di stampa venga riscaldata dalle serpentine. Prima che le polveri raggiungano il punto di fusione, il laser scansiona e traccia il modello per la solidificazione. Successivamente bisogna lasciar freddare l'oggetto appena lavorato, per poi essere trattato in fase di post-elaborazione (lucidatura e sabbiatura).

Questa tecnica è ovviamente la più precisa e più adatta a un utilizzo aziendale. Per prima cosa le polveri in eccesso possono essere riutilizzate, ma anche l'oggetto stesso può essere sottoposto nuovamente a lavorazione. Contrariamente alle tecniche SLA e FDM, la fusione a letto di polvere non ha bisogno di materiali di supporto, come leganti o diluenti, poiché è la polvere stessa a supportare strutturalmente le parti in lavorazione.

Altri tipi di stampanti 3D

Altri tipi di stampante 3D

Nei paragrafi precedenti ti ho parlato delle tecniche di stampa 3D più diffuse, ma ci sono anche altri tipi di stampanti 3D. Cercherò di riassumertele in poche righe per non dilungarmi troppo.

La stampa 3D a getto di materiale è molto adatta per usare materiali diversi sullo stesso oggetto e per le colorazioni. Essa pratica l'estrusione di una resina fotopolimerica, la quale viene poi solidificata da una luce ultravioletta. A utilizzare questo metodo sono soprattutto due tecnologie: la MJ e la DOD. La prima emette centinaia di gocce di fotopolimero attraverso un ugello, polimerizzandole con la luce UV. Nel secondo caso invece sono presenti due getti che hanno rispettivamente il compito di depositare il materiale e di immettere un materiale di supporto solubile.

La stampa 3D DMLS e SLM è l'equivalente della tecnologia che ti ho presentato per la stampa laser SLS, con la differenza che è particolarmente adatta alla lavorazione dei metalli. Mentre la DMLS scalda la polvere e può produrre anche oggetti in lega di metallo, la SLM fonde completamente la polvere di metallo per dare vita a un oggetto a singolo elemento (es. acciaio).

Quale stampante 3D comprare

Dopo aver imparato praticamente tutto sul funzionamento delle stampanti 3D, probabilmente hai voglia di metterti subito all'opera. Come hai intuito alcune tecniche sono più costose rispetto ad altre, ma al giorno d'oggi in commercio ci sono macchinari adatti a ogni utilizzo, sia esso casalingo o industriale. Permettimi quindi di consigliarti quale stampante 3D comprare, invitandoti a leggere la mia guida all'acquisto che ho scritto appositamente.

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Salvatore Aranzulla è il blogger e divulgatore informatico più letto in Italia. Noto per aver scoperto delle vulnerabilità nei siti di Google e Microsoft. Collabora con riviste di informatica e cura la rubrica tecnologica del quotidiano Il Messaggero. È il fondatore di Aranzulla.it, uno dei trenta siti più visitati d'Italia, nel quale risponde con semplicità a migliaia di dubbi di tipo informatico. Ha pubblicato per Mondadori e Mondadori Informatica.