La tecnologia della stampa 3D, definita anche manifattura additiva, si è fatta strada sin dalla sua nascita negli anni ’80. Sebbene il suo intento originario fosse la prototipazione rapida, questa si è sviluppata in molti altri settori. I settori automobilistico, dell’architettura, dell’ingegneria, delle costruzioni (AEC), del design industriale, dell’istruzione, dentale, medico, militare, aerospaziale, dell’abbigliamento, degli occhiali, dell’arte e della gioielleria, dell’alimentazione e molti altri utilizzano la tecnologia di produzione additiva sia per la prototipazione che per la produzione distribuita.
Oggi tratteremo alcune delle applicazioni della stampa 3D presentando soluzioni per ricercatori, educatori e studenti di ingegneria, evidenziando i vantaggi della stampa 3D e descrivendo i suoi usi più comuni. Supponiamo che conosciate già i vantaggi, i tipi di stampanti 3D e le loro applicazioni industriali.
Produzione additiva e terminologia associata
Il termine “fabbricazione additiva” (AM) si riferisce a un oggetto solido tridimensionale di qualsiasi forma che può essere creato a partire da un modello digitale. Consiste nell’applicazione di strati sottili di plastica liquida, in polvere o di metallo e nella successiva loro connessione per creare un oggetto.
Un altro termine legato alla fabbricazione additiva è “prototipazione con stampa 3D”. Come abbiamo accennato nell’introduzione, si chiama anche prototipazione rapida ed è il processo di creazione di diversi pezzi a partire da vari strati di materiale. La prototipazione con stampa 3D è un modo semplice, rapido e conveniente per creare prodotti.
Nel 2015 è stato creato lo standard ISO/ASTM 52900 per definire la terminologia utilizzata nella tecnologia di produzione additiva (AM), che impiega il principio della modellazione additiva e consente la costruzione di geometrie tridimensionali (3-D) reali attraverso l’aggiunta graduale di materiale. Ulteriori informazioni sui fondamenti e sul vocabolario sono disponibili qui.
7 Tipi di tecnologia di stampa 3D
Se siete nuovi al mondo della tecnologia di stampa 3D, è importante scoprire quali sono i processi e i materiali disponibili. Esistono vari metodi di stampa 3D utilizzati per costruire strutture e oggetti 3D, alcuni dei quali sono più diffusi rispetto ad altri.
- Stereolitografia (SLA)
- Modellazione a deposizione fusa (FDM)
- Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
- Elaborazione digitale della luce (DLP)
- Fusione laser selettiva (SLM)
- Fusione a fascio di elettroni (EBM)
- Produzione di oggetti laminati (LOM)
Stereolitografia
La SLA è uno dei processi più antichi di stampa 3D, inventato da Chuck Hull nel 1986. È un metodo perfetto soprattutto per gli ingegneri meccanici che intendono verificare se un determinato pezzo possa essere adatto al loro progetto. La stereolitografia, tuttavia, non è utile solo per gli ingegneri; infatti, se si vuole stampare un prototipo in plastica di un progetto, questa rappresenta un’ottima tecnica.
Come funziona una stampante SLA? Le stampanti SLA non funzionano come le normali stampanti per computer. Esse funzionano con un eccesso di plastica liquida che, dopo l’indurimento e la formatura, si trasforma in un oggetto solido. Quando la plastica si indurisce, uno strato della stampante si abbassa leggermente nel serbatoio e il laser crea un altro strato fino al completamento della stampa. Ciascuno di questi strati viene creato dalla stampante mediante un laser ad alta potenza che è guidato da specchi filtranti X e Y, detti anche galvanometri o galvo.
Modellazione a deposizione fusa (FDM)
La modellazione a deposizione fusa (FDM) è attualmente la tecnologia di stampa 3D più diffusa. Con questa tecnologia è possibile stampare prototipi funzionanti e anche prodotti destinati ai consumatori, come ingranaggi in plastica, canoe per le acque bianche, mattoncini lego, ecc.
La stampante FDM fonde filamenti termoplastici come l’ABS (Acrilonitrile Butadiene Stirene) e il PLA (Acido Polilattico) e li applica strato per strato su una piattaforma di costruzione attraverso l’uso di ugelli riscaldati. Il processo di applicazione avviene uno alla volta, finché la porzione non è terminata. Oltre ai materiali termoplastici, si possono estrudere materiali di supporto. È in qualche modo simile alla stereolitografia
Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
La SLS è una tecnologia 3D che sinterizza particelle di polvere polimerica su un modello 3D per produrre una struttura solida utilizzando un laser ad alta potenza. Poiché offre un basso costo per pezzo e libertà di progettazione (la SLS non richiede strutture di supporto perché la polvere non sinterizzata avvolge i componenti durante la stampa), è comunemente utilizzata da produttori e ingegneri.
Le stampanti 3D SLS consentono di creare geometrie complesse che sono difficili o proibitive da fabbricare con le procedure tradizionali, come parti mobili, parti a incastro, parti a canale interno e altre. Questa tecnologia è adatta a diverse applicazioni, tra cui la produzione su misura, a ponte o in piccoli lotti e la prototipazione rapida SLS.
Elaborazione digitale della luce (DLP)
Larry Hornbeck della Texas Instruments nel 1987 ha progettato il DLP. Si tratta di un altro processo di stampa 3D simile alla stereolitografia, ma con tempi di stampa più rapidi rispetto alla SLA. Tuttavia, sia la DLP che la SLA funzionano con i fotopolimeri. La tecnologia di elaborazione digitale della luce, che utilizza micromirror digitali disposti sul chip del semiconduttore, è comune nella stampa 3D, nei telefoni cellulari e nei proiettori cinematografici. La stampa DLP può essere utilizzata per stampare oggetti in resina incredibilmente dettagliati, tra cui giocattoli, stampi per gioielli, applicazioni dentali, ornamenti, statuette, amplificatori e altri oggetti con dettagli precisi.
Fusione laser selettiva (SLM)
La fusione laser selettiva (SLM) è una tecnica 3D più recente sviluppata dallo scienziato tedesco Wilhelm Meiners nel 1995. Si tratta di una tecnologia di fabbricazione additiva dei metalli che utilizza un laser ad alta densità di potenza per fondere le polveri metalliche per produrre parti di forma quasi netta.
Fusione a fascio di elettroni (EBM)
L’EBM è un tipo di produzione additiva utilizzata per creare oggetti in metallo. Viene spesso classificata come una tecnica di produzione rapida grazie al processo di stampa più veloce. La creazione di pezzi richiede l’utilizzo di un EBM sotto vuoto spinto per fondere la polvere di metallo strato per strato. Il metallo in polvere viene fuso da una media di elettroni ad alta energia. La fusione a fascio di elettroni è simile alla fusione laser selettiva, in quanto entrambe stampano dalla polvere, ma l’EBM utilizza un fascio di elettroni anziché un laser.
Le stampanti 3D EBM sono dotate di un contenitore per la polvere, un alimentatore per la polvere, un dispositivo di rivestimento della polvere, una fonte di energia che emette fasci di elettroni e una piattaforma di costruzione riscaldata. È fondamentale ricordare che la procedura di stampa deve avvenire nel vuoto, perché altrimenti il fascio di elettroni smetterebbe di funzionare se i suoi elettroni entrassero in collisione con le molecole di gas.
Produzione di oggetti laminati (LOM)
La LOM è un modo economico per stampare oggetti in 3D in diversi tipi di materiali, tra cui carta, polimeri e metallo, ma ognuno di essi richiede un metodo diverso per fissare insieme i fogli di materiale. Questo tipo di produzione additiva è stato sviluppato da Helisys Inc. (ora Cubic Technologies). Si tratta di un metodo meno conosciuto rispetto a quelli citati in precedenza, ma che dovrebbe diffondersi in quanto efficiente, economico e rapido. Come funziona esattamente? Nella tecnologia LOM, il materiale stratificato viene fatto rotolare sulla piattaforma di costruzione (letto della stampante 3D). In genere, la sostanza ha un rivestimento adesivo che si scioglie quando il rullo di alimentazione viene riscaldato. Lo strato successivo si attacca a quello precedente.
Le applicazioni industriali della fabbricazione additiva
Il numero di organizzazioni che utilizzano la stampa 3D è aumentato notevolmente. Molti settori utilizzano la produzione additiva e le aziende stanno sviluppando nuovi modelli di business e opportunità.
Secondo la Grand View Research, dal 2022 al 2030, il mercato della stampa 3D dovrebbe aumentare a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 20,8% rispetto ai 13,84 miliardi di dollari del 2021. Le spedizioni di stampanti 3D hanno raggiunto 2,2 milioni di unità a livello globale nel 2021 e si prevede che entro il 2030 saranno fornite 21,5 milioni di unità.
Aerospazio & Difesa
Le aziende del settore aerospaziale e della difesa (A&D) sono state tra le prime ad adottare la produzione additiva. Molti marchi importanti traggono vantaggio dalla stampa 3D, come GE, Airbus, Boeing e Safran, poiché il principale vantaggio di questa tecnologia nell’industria aerospaziale è la riduzione del peso, che ha un notevole impatto positivo sul carico utile, sull’efficienza del carburante e sulle emissioni di anidride carbonica.
I progettisti possono creare materiali robusti e componenti consolidati, il che è particolarmente importante nel settore aerospaziale. La stampa 3D consente di progettare parti utili per gli aeroplani, come pannelli a parete, condotti d’aria e componenti metallici strutturali.
Il settore militare trae vantaggio dai droni e ogni componente dell’assemblaggio del drone, ad eccezione delle parti elettroniche, può essere fabbricato in modo additivo. La tecnologia di creazione di modelli 3D semplifica la produzione di accessori come custodie, coperture, supporti e booster che consentono di immagazzinare correttamente i droni. Inoltre, la stampa 3D dei metalli viene utilizzata per riparare apparecchiature aerospaziali e militari
Settore automobilistico
L’industria automobilistica ha bisogno di componenti leggeri e resistenti agli ambienti difficili per migliorare il comfort di guida e far sopravvivere i veicoli alle diverse condizioni ambientali. Ad esempio Porsche progetta un’innovativa tecnologia di stampa 3D per sedili avvolgenti che consente ai clienti di scegliere tra tre livelli di solidità per il livello di comfort durante la guida. Oltre alla vestibilità ergonomica, i sedili offrono un peso ridotto, un design unico, un comfort migliorato e un controllo passivo del clima, poiché il “sedile full-bucket stampato in 3D” si basa su una struttura leggera.
La produzione additiva offre un’ampia gamma di materiali robusti e ad alta temperatura, con metodi e capacità di costruire forme estremamente complicate. Le organizzazioni la utilizzano, tra l’altro, per testare diverse opzioni di progettazione e per produrre parti customizzate anche se ora questa tecnologia ha aperto un nuovo settore per il restauro di auto d’epoca e per la riproduzione di pezzi di ricambio.
Il settore sanitario e medico
La stampa 3D è molto utilizzata nelle applicazioni mediche e odontoiatriche, come la creazione di tessuti e organi in bioprinting di modelli anatomici per la preparazione chirurgica e di modelli di arcate o corone e ponti in odontoiatria. È possibile che la stampa 3D diventi la tecnologia principale nella produzione dentale. I produttori del settore medicale utilizzano una varietà di materiali di stampa 3D rigidi, flessibili, opachi e trasparenti per creare progetti più personalizzabili rispetto al passato. Soprattutto, gli impianti e gli apparecchi dentali possono essere realizzati con la stampa 3D in base alle esigenze specifiche del paziente.
Tuttavia, i tessuti artificiali viventi che assomigliano ai tessuti reali, al contrario delle parti umane, possono essere stampati in 3D. Secondo Nature Biotechnology, i progressi, come la bioprinting 3D, hanno reso possibile la creazione di tessuti viventi intricati e funzionanti in 3D grazie alla stampa 3D con materiali biocompatibili, cellule e componenti ausiliari. Ciò significa che strutture come ossa, pelle o organi possono essere fabbricate con la bioprinting 3D.
Beni di consumo
Il settore dei prodotti di consumo ha da tempo riconosciuto i vantaggi della stampa 3D nella progettazione e nello sviluppo dei prodotti. La varietà di applicazioni della stampa 3D soddisfa le esigenze dei consumatori. Alcune applicazioni riguardano prodotti per lo sport, il tempo libero e lo stile di vita, come calzature e occhiali. Altre riguardano piccoli oggetti come gioielli, giocattoli per bambini e riparazioni per tutto ciò che si rompe; la stampa 3D viene utilizzata anche per costruire case e automobili in modo economico e sostenibile, poiché la progettazione di case al computer con una stampante 3D consente di conoscere il numero esatto di materiali necessari per costruire una casa.
Altre applicazioni
È difficile descrivere tutte le applicazioni della stampa 3D. Ne abbiamo evidenziati solo alcuni, ma vale la pena di menzionare il suo utilizzo in tecnologie avanzate, come LiDAR, GIS o AI.
Ad esempio, la stampa 3D e i sistemi informativi geografici (GIS) possono migliorare le capacità visive a fini didattici. È uno strumento o un sistema che visualizza e analizza i dati relativi alle posizioni sulla superficie terrestre. È una base di applicazioni di navigazione cartografica (mappatura 3D) che aiuta gli utenti a determinare la propria posizione. Può essere particolarmente utile per gli studenti, coinvolgendoli nelle idee fondamentali del GIS e della geografia, tra cui la mappatura, la proiezione e la topologia. La tecnologia di mappatura 3D consente di utilizzare algoritmi di apprendimento automatico per profilare gli oggetti e produrre un modello tridimensionale che può essere mappato sull’ambiente reale.
Recentemente, la scansione 3D è presente anche negli smartphone. Il LIDAR, una tecnica di telerilevamento utilizzata per esaminare la superficie della Terra, consente ai dispositivi mobili di eseguire applicazioni di realtà aumentata (AR) con una precisione notevolmente superiore. Grazie all’implementazione del LiDAR negli smartphone, un cliente che utilizza un’applicazione per la progettazione di interni in realtà aumentata può visualizzare e “posizionare” i mobili all’interno del campo visivo della fotocamera, in modo da sapere come i mobili appariranno nella sua casa (si veda l’immagine qui sotto).
Vantaggi della stampa 3D
La stampa 3D consente di testare e visualizzare un concetto prima dell’effettiva realizzazione, qualora si intenda dare vita a un prodotto prima di passare alla fase di produzione su larga scala. Pertanto, il vantaggio principale è che i consumatori hanno la possibilità di progettare la maggior parte dei prodotti al computer e “produrli” a casa. Tuttavia, l’elenco dei vantaggi è un po’ più lungo.
I maggiori vantaggi della produzione additiva:
- Riduzione dei costi e dei tempi di produzione
- Ridurre al minimo i rifiuti
- Ridurre gli errori
- Progressi nell’assistenza sanitaria
- Produrre parti complesse di materiali avanzati
- Facilità di accesso
- Design flessibile
- Stampa su richiesta
- Rispetta l’ambiente
La stampa 3D come tecnologia innovativa
Un numero sempre maggiore di aziende sta abbracciando il processo di stampa 3D, che rappresenta un grande concorrente per i metodi di produzione tradizionali. E alcuni si chiedono addirittura se la produzione additiva finirà per sostituire le tecniche tradizionali. È innegabile che questa tecnologia stia iniziando a essere utilizzata da quasi tutti i settori. Soprattutto con l’attenzione alle soluzioni più intelligenti e alla produzione digitale, la consapevolezza della tecnologia di stampa 3D non potrà che aumentare.
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