Le stampanti 3D: cosa sono e come funzionano

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Se stai leggendo questo articolo forse anche tu avrai sentito parlare delle stampanti 3D, dispositivi che ormai da diversi anni si stanno inserendo nel mercato della produzione, in ambito prettamente professionale in cui vengono utilizzate soprattutto nel campo della prototipazione.

Vediamo cos'è una stampante 3D e come funziona la stampa tridimensionale.

Cosa sono le stampanti 3D e come funzionano

La definizione di stampanti 3D deriva dal fatto che questi particolari dispositivi a differenza delle normali stampanti che realizzano stampe in formato 2D, ovvero X e Y su un foglio piatto, sono in grado di sfruttare anche l'altezza, ovvero il parametro Z.

Infatti il risultato della loro stampa produrrà un oggetto fisico sviluppato in tutte le sue dimensioni fisiche, X, Y e Z, ovvero base, altezza e profondità.

Modello professionale di stampante 3D sviluppata da HP

Le stampanti 3D - Come funziona una stampante 3D

Sviluppate e commercializzate quasi esclusivamente dal marchio HP, queste stampanti 3D derivano dallo studio e dall'evoluzione di precedenti modelli per la realizzazione di oggetti tridimensionali adibiti alla prototipazione, il cui funzionamento era basato inizialmente sull'SLS (Select Laser Sinteryng), dove un laser, colpendo una superfice di polvere sintetica, solidificava la forma geometrica dell'oggetto da sviluppare.

Esistono in commercio diversi modelli di stampanti 3D: alcune di livello hobbistico e altre adibite a un mercato più professionale, alcune sviluppano oggetti in cera solida mentre altre realizzano oggetti in base plastica.

Vediamo insieme le principali differenze concettuali.

Come funziona una stampante 3D

Come ti ho descritto sopra, esistono diversi modelli di stampanti 3D e ognuno di essi può presentare radicali differenze di approccio per quanto concerne il loro funzionamento e soprattutto il materiale e la tecnologia impiegati per realizzare prototipi 3D.

Alcune stampanti 3D per esempio sono sviluppate per creare modelli in cera, mentre altre realizzano oggetti in materiale plastico.

Ma un elemento che accomuna la stampa di oggetti tridimensionali, indipendentemente dalla tecnologia adottata, è l'abbinamento della stampante con un apposito software installato su un computer. Tale software ricrea a video l'ambiente virtuale della stampante, gestendo l'intera procedura di lavorazione. Tramite l'interfaccia software è possibile dislocare i pezzi da stampare all'interno di una maschera operativa che riproduce l'area di lavoro della stampante 3D.

Il computer invia alla stampante tutti i dati necessari affinché possa eseguire la lavorazione.

Stampa 3D di oggetti in cera per prototipazione

Lo scopo di produrre oggetti in pura cera, va ricercata nella destinazione finale del pezzo; un oggetto realizzato in cera sarà adibito a microfusione, ovvero un processo che converte quel determinato oggetto in cera, in una sua copia identica, ma in metallo.

Una volta prodotto, il pezzo verrà consegnato a una fonderia che provvederà, a seguito di un processo di lavorazione in autoclave, definito anche "a cera persa", in quanto la procedura non è reversibile.

In parole povere il pezzo in cera viene ricoperto da un sottile strato di ceramica, per poi essere scaldato in un alto forno, in modo da determinare lo scioglimento della cera all'interno dell'involucro ceramico, che verrà successivamente sostituita da metallo fuso. In pratica è come realizzare un negativo dell'oggetto per poi rimpiazzare la cera con il tipo di metallo richiesto.

La realizzazione di oggetti adibiti a fusione può avvenire principalmente secondo due modalità produttive.

La prima consiste nel realizzare gli oggetti direttamente in cera, tramite una stampante 3D che provvede a ricreare il pezzo depositando micro goccioline di cera gestite da un sofisticato sistema di ugelli direzionali, coadiuvati da un software di stampa 3D.

Una volta terminata la produzione basterà rimuovere la cera in eccesso, sfruttata per realizzare il basamento del pezzo stesso, per avere in mano il risultato finito, un oggetto in cera lucida creato secondo le specifiche indicate dal software.

A quanto pare la precisione di tali stampanti è molto alta, nell'ordine dei decimi di millimetro.

Stampa 3D con Sinter Station

Un altro sistema per realizzare pezzi per fusione, consiste nel ricavare il o i pezzi in polistirene, tramite un processo di sinterizzazione.

La sinterizzazione è un sistema che esula leggermente dal concetto di stampa 3D, ma anche se le modalità sono differenti, il risultato è pressoché analogo, per cui colgo l'occasione per accennartene.

All'interno di una stazione di sinterizzazione, una versione meno recente della stampante 3D, viene caricato un quantitativo di polvere di polistirolo finissimo, che costituirà la base per la creazione dei particolari.

Un rullo provvederà a stendere la polvere e un raggio laser disegnerà la silhouette del pezzo o dei pezzi da realizzare, solidificandone la consistenza.

Il passaggio successivo consiste nell'abbassare il piano di lavorazione di una frazione di millimetro; il rullo traslerà apportando un altro sottile strato di polvere e il processo viene ripetuto fino al termine della costruzione. Strato dopo strato la forma dei particolari viene solidificata dal laser all'interno della vasca di polvere.

Basterà poi rimuovere con un pennello la polvere in eccesso e immergere i pezzi in polistirolo in un bagno di cera calda, la quale impregnandosi renderò il materiale leggermente più solido.

Produzione tridimensionale di oggetti in plastica

Un tipo di produzione molto meno complessa, se non è richiesta la produzione in metallo, consiste nel realizzare oggetti in materiale plastico.

Il concetto di funzionamento di una stampante 3D è relativamente semplice; la stampa di un oggetto si basa su una lavorazione a strati, sviluppando l'oggetto verticalmente, strato dopo strato.

Anche in questo caso si può adottare la tecnologia di sinterizzazione.

Viene predisposto una quantità di materiale sottoforma di polvere sintetica molto fine della profondità adeguata alla realizzazione dei pezzi, e viene uniformato tramite la stesura da parte di un rullo metallico.

Uno o più particolari da realizzare vengono caricati tramite un apposito software installato su un computer e collegato alla macchina 3D, che gestisce tutto il processo ed i parametri di stampa.

Allo start del processo un raggio laser posto sopra il piano di polvere va a colpire l'area secondo la geometria dettata dal software solidificando lo strato di polvere colpito dal laser.

Subito dopo il piano di polvere effettua un piccolo movimento in discesa di circa un decimo di millimetro e un rullo effettua una passata stendendo un nuovo sottile strato di polvere. Dopodiché il processo si ripete; il laser andrà nuovamente a incidere la polvere secondo le direttive indicate del software e così, strato dopo strato, al termine della lavorazione otterremo come risultato uno o più pezzi in 3D ovvero degli oggetti solidi che potranno essere utilizzati secondo la loro natura.

Le moderne stampanti 3D di HP

Le moderne stampanti 3D invece basano il loro funzionamento su un concetto leggermente differente, molto più simile alle tradizionali stampanti Ink-Jet:

una testina effettua dei passaggi sullo strato di polvere iniettando dagli ugelli inchiostro e solidificante a base liquida sulla superficie di polvere seguendo il profilo dei particolari da realizzare.

Anche in questo caso ad un abbassamento del piano di lavoro corrisponde una adeguata somministrazione di polvere per mezzo di un rullo, che passando crea uno strato di polvere uniforme per il passaggio successivo.

Vediamo più nel dettaglio il loro funzionamento

HP, leader mondiale di tecnologie per lo sviluppo 3D, commercializza diversi modelli di stampanti, completi di unità di pulizia per il caricamento del materiale e la rimozione e pulitura dei pezzi realizzati una volta terminato il processo di stampa.

Queste stampanti 3D misurano circa 2 metri di larghezza per 1 di profondità e circa 1,2 di altezza e sono composte da una testina mobile che effettua passaggi avanti e indietro su un piano di lavoro delle dimensioni di circa 45 x 35 cm disposto su un carrello mobile che funge da contenitore per la polvere.

Come materiale vengono proposti diversi tipi di polvere, come quella composta da nylon 11 oppure polvere di vetro.

Si tratta di polveri molto fini e soggette a deterioramento da usura e agenti atmosferici quali temperatura e soprattutto umidità, per cui necessitano di essere conservate in condizioni protette e adeguate.

Procedimento di stampa di pezzi 3D

Come ho accennato il kit di lavorazione è composto principalmente da due unità, di cui una stampante ed una stazione di pulizia adibita al caricamento e rimozione del materiale, più altri accessori essenziali allo svolgimento di tutte le fasi previste, come il carrello ed il software gestionale.

Inizialmente si posiziona il carrello semovibile, un parallelepipedo dotato di un piano di lavoro a movimento verticale, nell'alloggio a lui dedicato presso la stazione di pulizia, che altro non è che una struttura delle dimensioni di poco più alte della stampante vera e propria, dotata di un serbatoio per il caricamento della polvere e di un sistema di aspirazione per convogliare il materiale residuo post lavorazione, di nuovo all'interno del serbatoio dopo averlo filtrata.

Una volta posizionato il carrello nella stazione, si procede caricando il quantitativo di polvere necessario alla lavorazione, tramite un display touchscreen computerizzato.

La quantità di polvere che occorre caricare è determina dall'altezza totale del build di costruzione ed è calcolata dal software gestionale che deve essere installato su un computer e messo in comunicazione con la stampante tramite cavo di rete.

Questo software creato ad hoc per la stampante consente di disporre a video uno o più pezzi da realizzare, inserendoli all'interno di un recipiente virtuale che riproduce le dimensioni utili di lavoro della stampante.

Terminata la disposizione degli oggetti, che possono essere di qualsiasi forma e dimensione a patto di rientrare nelle dimensioni dell'area di lavoro, e accertata l'assenza di collisione tra i vari pezzi, si procede ad inviare il file alla stampante.

Dopo il processo di riempimento del carrello, questo viene rimosso dalla stazione di caricamento e viene inserito nella stampante.

Una volta che questa ha ricevuto il file dal software gestionale installato sul pc, esegue un'analisi di sistema per appurare se i materiali quali polvere, inchiostro e agente solidificante, sono disponibili e sufficienti per completare la stampa del build e calcola il tempo di lavorazione necessario.

Unità di caricamento e pulizia dei pezzi abbinata alla stampante HP

Come funziona la stampa 3D

A questo punto tutto è pronto per procedere con la stampa dei pezzi.

Dato alla stampante l'input di avvio, questa eseguirà tutti i controlli pre-stampa e porterà l'area di lavoro ad una temperatura ottimale di esercizio.

Il carrello che abbiamo precedentemente riempito di polvere è dotato di un sistema basato su coclee e palette che provvedono a estrarre un piccolo quantitativo di polvere dall'interno del carrello e portarla in superfice dove un braccio meccanico dotato di rullo provvederà a effettuare un passaggio sopra la superficie per stendere uniformemente la polvere in modo da creare un piano omogeneo.

successivamente la testina della stampante eseguirà un passaggio laterale da destra verso sinistra e seguendo le coordinate dettate dal software spruzzerà l'inchiostro coadiuvato dal liquido indurente nei punti stabiliti; immediatamente dopo la testina ritornerà da sinistra a destra e tramite due lampade riscaldanti poste al suo fianco scalderà l'area producendo una reazione con l'indurente spruzzato, solidificandolo.

Poi la superficie di lavoro del carrello effettuerà un movimento verso il basso scendendo di pochi decimi di millimetro e le coclee poste ai lati del carrello provvederanno ad apportare un altro quantitativo di polvere che un altro passaggio del rullo stenderà nuovamente sul piano di stampa.

Ripetendo il processo strato dopo strato si otterrà la stampa in 3D dei file contenuti nel build del software.

In pratica viene spruzzato inchiostro uno strato sopra l'altro fino al completamento del corpo dell'oggetto.

Questa tecnologia di stampa 3D è utilizzata prevalentemente in campo di prototipazione rapida, a cui le aziende si affidano al fine di realizzare campioni da porre in sede di valutazione per una successiva produzione su larga scala, concepita probabilmente per mezzo di stampi industriali.

Stampante 3D a deposito di cera

Oltre ai modelli sopra descritti ne esistono altri sempre adibiti alla produzione di modelli 3D che realizzano prototipi di pezzi in cera.

Sempre per mezzo di una testina che si muove sopra un piano di lavoro, viene depositato il materiale (cera) a strati fino a completare l'altezza degli oggetti da realizzare.

La cera viene utilizzata per creare modelli destinati a essere fusi per ricavarne il medesimo pezzo in metallo.