Che cos'è la stampa 3D?

Negli ultimi anni la stampa 3D ha ricevuto molta attenzione, promettendo di rivoluzionare la produzione e di ribaltare completamente il modo in cui produciamo articoli. Come con molte tecnologie emergenti dirompenti, gran parte della copertura nella stampa popolare è esagerata, più simile a un replicatore di Star Trek che ai processi attuali. 

Tuttavia, se alcune delle affermazioni più selvagge saltano fuori o no, per i progettisti la stampa 3D offre una prospettiva allettante: la capacità di produrre oggetti senza i vincoli della produzione tradizionale, la capacità di fabbricare oggetti sulla scrivania senza abilità di produzione o ingegneria tradizionali.

Dodecaedro 4D in un replicatore MakerBot 2. Immagine: strumenti creativi via Flickr

Alla fine di questo articolo sarai stato introdotto nella terminologia della stampa 3D e avrai un'idea del metodo migliore per te. Per prima cosa discuteremo le tre tecnologie più comuni e quindi alcune opzioni nella progettazione di un modello.

Tecnologie di stampa 3D

Sarebbe scorretto pensare alla stampa 3D come una singola tecnologia. Invece è un insieme di tecnologie che seguono un'idea condivisa di produzione additiva guidata dal software. 

Allora, qual è la produzione additiva? Molte tecniche di produzione iniziano con un blocco di materiale e lo rimuovono in modo selettivo finché non ci rimane l'oggetto desiderato. La produzione additiva trasforma questo in testa, iniziando con una tela bianca e aggiungendo solo ciò che è necessario per l'oggetto finale. 

Di per sé, questa produzione additiva non è nulla di speciale: un bambino che costruisce castelli di sabbia sulla spiaggia utilizza la produzione additiva. È l'aggiunta dell'utilizzo della tecnologia digitale per un risultato affidabile e accurato che rende speciale la stampa 3D.

Stampa 3D composta da molte sezioni 2D. Credito immagine: strumenti creativi via Flickr

Normalmente questo funziona tagliando un oggetto che vogliamo creare in sezioni sottili e costruendo queste fette una alla volta, impilate l'una sull'altra. Pensa di costruire una piramide come una serie di edifici quadrati, ciascuno più piccolo dell'ultimo, impilati fino a formare una forma 3D.

FDM: estrusione di filamenti

La prima tecnica che esamineremo è FDM, Fused Depositional Modeling o FFF, Fused Filament Fabrication se vogliamo evitare termini associati ai marchi. Si basa "estrudendo" un filamento di materiale, cioè lo riscalda in un punto in cui può essere schiacciato attraverso un ugello, producendo un filamento ancora più sottile. Questo ugello viene spostato su una superficie, disegnando il contorno della fetta che vogliamo creare, quindi riempiendo questo contorno con uno schema di materiale. 

Poiché il materiale è caldo perché estruso, si lega a qualsiasi filamento già depositato formando una solida fetta di materiale. Una volta completato, l'ugello si sposta di una piccola quantità e inizia a estrudere lo strato successivo.

A parte ciò nonostante una stampa FDM, nota il contorno e il modello di riempimento. Immagine di credito: Tony Buser via Flickr

Questa è la tecnica che troverete nella maggior parte delle stampanti 3D hobbisti, in genere con materiale ABS o PLA. La tecnica produce una superficie simile alla "venatura del legno" con leggere scanalature tra ogni strato (anche se questo può essere rimosso mediante levigatura, lucidatura o vapore di acetone). La taratura imperfetta di una macchina può provocare la formazione di filamenti di filamenti che sporgono in luoghi o macchie di materiale fuso.

La tecnica può lottare con forme strapiombanti. Dal momento che si sta costruendo in cima allo strato sottostante, qualsiasi cosa a strapiombo viene estrusa su nient'altro che aria! Finché non abbiamo bisogno di sporgere troppo oltre, il materiale si sostiene da solo e non si affloscia troppo. Tuttavia, le macchine commerciali affrontano questo problema con un materiale di supporto che viene estruso da una seconda testata, costruito come impalcatura per supportare eventuali sporgenze che possono essere spezzate o dissolte in seguito. Ci sono alcuni tentativi di hobbista per replicare questo, ma tendono ad essere meno affidabili.

SLA: impostazione delle resine

La tecnica successiva, la stereolitografia o SLA, si basa su resine foto-sensibili, fotopolimeri, materiali che cambiano da liquido a solido quando esposti a luce (solitamente ultravioletta). Esponendo ogni fetta dell'oggetto sulla superficie di uno strato sottile del liquido con luce ultravioletta (UV), possiamo indurire solo le parti che vogliamo. Questa resina indurita viene ripetutamente allagata con un altro sottile strato di liquido e quindi esposta con luce UV nella forma della successiva fetta di modello, per lasciare una struttura 3D indurita una volta che scarichiamo il fluido. 

Il metodo di esposizione ai raggi UV è diverso: alcune stampanti SLA usano un laser, lo guidano sulla superficie per disegnare la fetta, mentre altri usano un proiettore DLP per esporre un intero strato contemporaneamente.

Stampe stereolitografiche dalla stampante Form 1. Immagine di credito: Seth Woodworth via Flickr

SLA produce più facilmente una stampa più liscia e più alta, ma tende ad essere più costoso. Ha lo stesso problema di sporgenze, e le parti tendono ad essere costruite su un'impalcatura fatta della stessa resina dell'oggetto costruito, che richiede un po 'di levigatura di pulizia. 

Molte stampe di tipo "modellistico" nel mondo professionale della stampa 3D tendono a utilizzare questa tecnica e sono ora disponibili molti fotopolimeri che mimano diversi materiali. Fino a poco tempo fa i brevetti limitavano questa tecnica a macchine professionali, ma negli ultimi anni sono apparse macchine accessibili agli hobbisti, e con questo sono comparse anche resine più economiche. Detto questo, la tecnica utilizza sostanze chimiche gloopy con una durata limitata, quindi non penso che sostituirà completamente FDM nella sfera hobbistica.

SLS: fusione con laser

Le migliori stampanti 3D usano ancora un laser, ma questa volta a una potenza più elevata, insieme a polveri di fusione o sinterizzazione (la sinterizzazione avviene quando riscaldi un materiale abbastanza da fonderlo insieme, ma non abbastanza da fonderlo completamente in un liquido). 

Queste polveri possono essere plastiche di grado ingegneristico come il nylon o anche i metalli, consentendo la stampa 3D di parti adatte per macchinari. Se vedi un articolo sui team di Formula 1 o sui produttori di missili usando la stampa 3D, questo sarà il tipo che intendono dire. Altissima risoluzione e molto forte, ma in genere piuttosto costoso. 

Questi tipi di macchine vengono solitamente utilizzati come alternativa alle tecniche di ingegneria tradizionali e, sebbene costosi, possono essere più economici delle tecniche tradizionali per pezzi unici o piccole serie di produzione.

Motori a razzo SpaceX SuperDraco che utilizzano parti stampate in 3D con superlega Inconel. Immagine di credito: SpaceX Foto via Flickr

Altre tecnologie di stampa 3D

Queste tre tecnologie non sono in alcun modo esaustive. È possibile ottenere stampanti che depositano gocce di cera, producendo un modello che può essere fuso in uno stampo per metalli (spesso utilizzato per la gioielleria). È possibile utilizzare una tecnologia simile a una stampante a getto d'inchiostro su una vasca di polvere, per depositare un legante e pigmenti, realizzando modelli a colori. O una tecnologia molto simile, seguita dalla vetratura per realizzare ceramiche (piatti, tazze, ecc.). Ancora più stampanti 3D specializzate possono creare materiali biocompatibili per stampare tessuti viventi per l'impianto, oggetti su scala nanometrica per realizzare macchine minuscole e macchine giganti per la costruzione di sezioni per l'architettura.

Scultura artificiale in arenaria 3D. Immagine di credito: EdytaZwirecka tramite Wikipedia

Materiali di stampa 3D

Per la più ampia gamma di materiali, cerca un servizio di stampa 3D con una gamma di macchine, ad esempio l'offerta di Shapeway. Stai guardando un numero di materie plastiche, metalli e ceramiche con proprietà diverse per soddisfare ciò che stai cercando di fare. 

Eccellente, potreste pensare: non ho bisogno di preoccuparmi di come funziona, finché funziona! Ma c'è il trucco: guarda ogni materiale che offrono e vedrai che hanno tutti requisiti diversi, spessori minimi delle pareti, dimensioni minime dei dettagli della superficie, spazi minimi, ecc. Potresti trovare bisogno di modificare il tuo design per lavorare con il materiale stai usando.
Se vai nella direzione opposta, procurandoti una stampante 3D per hobbyi, sei un po 'più limitato, ma non tanto quanto potresti aspettarti. C'è una gamma di filamenti là fuori che funzionerà su questo tipo di macchina. Ci sono filamenti flessibili, filamenti simili al legno, materiali traslucidi e plastiche con ogni tipo di caratteristiche differenti. 

Attenzione, tuttavia: questi materiali di solito hanno bisogno di un po 'di armeggiare con temperature ed eventualmente anche parti alternative nella stampante. La maggior parte delle persone con questo tipo di macchine amano armeggiare con cose del genere, comunque.

Modellazione per la stampa 3D

Esistono due grandi approcci alla modellazione 3D: modellazione di superfici e modellazione solida. 

• Modellazione di superfici tipicamente rappresenta un oggetto come punti, bordi e facce. 
• Modellazione solida invece, come suggerisce il nome, mantiene una rappresentazione dell'interno dell'oggetto. La modellazione solida è in genere più difficile da scrivere per il programmatore e più limitante per il designer da modellare, e per questo motivo la maggior parte dei modellatori che mirano solo al rendering di immagini da un modello 3D useranno un pacchetto di modellazione di superfici.

Per la modellazione 3D, è possibile utilizzare entrambi, anche se non ci sono avvertimenti. Ricorda che il software mirerà a suddividere il modello in sezioni e deve sapere qual è l'interno e l'esterno di tali sezioni. Ovviamente un pacchetto di modellazione che rappresenta gli oggetti come solidi non sarà ambiguo, il che è, ma la modellazione di superfici può produrre file dove non è così ovvio. 

Esiste un approccio molto rigoroso che è necessario adottare per produrre file validi con tale software, diversamente dal solito approccio per la realizzazione di un modello da renderizzare. In breve, il file deve essere "multiplo", cioè senza facce intersecanti, senza facce interne, senza buchi e tutti i vertici saldati non solo molto molto vicini. Il modello dovrebbe essere impermeabile se lo hai fatto da fogli di plastica. Prova a seguire questa guida per maggiori dettagli.

Quindi, a meno che tu non sia già abile con la modellazione di superfici, ti suggerirei di provare con un pacchetto di modellazione solido. Anche se sono meno espressivi, c'è meno da sbagliare per il tuo primo tentativo! 

Tendo ad usare Solidworks, ma è piuttosto costoso. Fortunatamente con l'aumento della stampa 3D arriva una proliferazione di pacchetti di modellazione solida gratuiti. La società che produce AutoCAD, un altro pacchetto 3D costoso ma molto potente, offre alcuni pacchetti. Di questi, alcuni dei più utili a questo scopo sono Tinkercad, un pacchetto CAD basato su browser di base e 123D Design, uno strumento offline con funzionalità simili. 

Il mio strumento gratuito è di solito Trimble Sketchup, che è gratuito per uso non commerciale, ma avrai bisogno di un'estensione per ottenere il giusto tipo di file.

Qualunque strumento tu usi, in genere dovrai finire con uno o più file stl. Questo è un formato di file molto semplice, ma ciò che la maggior parte degli strumenti di stampa 3D accetteranno.

Produrre la tua stampa 3D

Quindi conosci alcune tecnologie, conosci parte del software, forse hai persino creato un file e vuoi solo sapere come farlo stampare! Ci sono alcuni modi in cui puoi andare qui: puoi investire in una macchina, puoi usare un servizio di stampa 3D o puoi trovare da qualche parte una stampante 3D. Ognuno ha pro e contro.

Comprare la tua macchina può essere un buon investimento, anche se molto meno che in passato. Sarai limitato all'unica tecnologia utilizzata dalla tua macchina e quindi a quello (o pochi) materiali utilizzati in quella tecnologia. Supponendo che non sei fatto di soldi e sei stato in grado di ottenere una macchina professionale, potresti dover scavare nel lato tecnico della tua macchina se qualcosa deve essere sostituito o ricalibrato, sebbene molte macchine hobbistiche abbiano eccellenti comunità online per supportare questo. 

Tuttavia, dopo aver detto tutto ciò, avrai l'opzione più economica per parte che vuoi fare, quindi se ti agganci puoi sfornare parti a tuo piacimento. E sarai in grado di iterare rapidamente le parti: se sei come me e realizzi più parti da unire, ti capita di sbagliare la prima volta che lo fai!

Un modello in corso su Ultimaker, una popolare stampante 3D per hobbisti. Immagine di credito: Maurizio Pesce via Flickr

Un'altra opzione è rappresentata dai servizi di stampa 3D, online o dalla tua azienda di stampa 3D locale. Questo ha il vantaggio di non costi iniziali (anche se è considerevolmente più costoso per parte) e una gamma di tecnologie e materiali disponibili. L'altro svantaggio principale a parte il costo è il tempo, perché dovrai aspettare che lo facciano e spedirlo a te. Ci sono alcuni grandi servizi là fuori, come Shapeways o iMaterialise, ma guardati intorno e trova la soluzione che ha il miglior rapporto tra prezzo e velocità per te.

Parti stampate in 3D da Shapeways, un servizio di stampa 3D online. Credito immagine: Lunatics TV via Flickr

La terza opzione è una via di mezzo tra questi, ma dipende dalla ricerca di una stampante 3D che puoi usare localmente. Il movimento dei creatori ha portato a molti spazi per i produttori locali, che possono avere macchine disponibili a prezzo di ingresso e materiale, o anche solo qualcuno che è disposto a scambiare tempo su una macchina per le capacità di modellazione 3D dei propri progetti. Guardaci dentro!

O puoi fare quello che faccio e fare tutto questo! Prova rapidamente i modelli sulle tue macchine, invia i file per materiali alternativi e coinvolgi i produttori e gli studenti locali per fare qualcosa.

Conclusione

Così ora conosci un po 'della terminologia, alcune delle opzioni e i pro e i contro di ciascuno. Vai avanti e stampa in 3D qualcosa di interessante. Assicurati anche di tenere gli occhi aperti per i futuri tutorial approfondendo alcuni dettagli. Se hai domande, pubblicale nei commenti!

Per il tuo primo passo verso la stampa 3D, perché non provare a utilizzare un servizio di stampa 3D. Prova il nostro tutorial sulla creazione di una custodia per cellulare stampata in 3D.

Anteprima del credito dell'immagine: Seth Woodworth via Flickr