Cos'è la stampa 3D?

La stampa 3D è una raccolta di tecnologie che cercano tutte di rispondere a una domanda: "Qual è il modo migliore per realizzare un singolo oggetto fisico costruendolo strato dopo strato?" Con la stampa 3D in genere costruisci una pagnotta di pane fetta per fetta.

Le tecnologie funzionano tutte in modo diverso, ma una delle più comuni FDM (Fused Deposition Modeling) funziona con una testina di stampa alimentata da un filamento di plastica (solitamente ABS, la stessa plastica di cui sono fatti i LEGO).

Un file 3D viene controllato dal software per vedere se è stampabile.

Il software quindi taglia il file e lo invia a una macchina.

Un filamento di plastica viene alimentato attraverso la testina di stampa.

Il filamento si scioglie e la testa lo deposita su una piattaforma di costruzione.

La testa si sposta depositando il materiale in modo che costituisca la fetta inferiore dell'oggetto.

La testa ritorna nella sua posizione iniziale e la piattaforma di costruzione si abbassa.

La testa quindi costruisce il nuovo strato sopra il primo e questo viene ripetuto fino a quando l'oggetto non è finito.

Per una simulazione fai-da-te, spremi un tubetto di dentifricio sulla mano.

Se dovessimo costruire una forma di calice da vino incontreremmo un problema. Se volessimo stampare la ciotola del bicchiere, la plastica andrebbe dappertutto. Per questo motivo, anche le macchine avanzate (e presto anche le macchine desktop) depositano materiale di supporto. Con il materiale di supporto la testina di stampa ha due estrusori, uno che deposita il materiale di costruzione e l'altro il materiale di supporto. Quindi, quando costruisci un bicchiere da vino, in realtà costruisci una forma cilindrica che si estende fino ai limiti più remoti della coppa del bicchiere.

La testina di stampa estruderebbe il materiale di costruzione per le parti dello strato che finirebbero per essere il bicchiere di vino ed estruderebbe anche molto materiale di supporto in modo che, una volta costruita una struttura a sbalzo, il materiale di costruzione possa essere costruito sopra. Quindi ti ritrovi con un cilindro di plastica che contiene il tuo bicchiere di vino. Puoi quindi usare un distillatore d'acqua o un bagno di solvente (ci sono molti modi) per lavare via il materiale di supporto e ti rimane l'oggetto finale.

Ecco un video che mostra come funziona questo processo (divulgazione, il video è realizzato da Materialise, un'azienda per cui ho lavorato):

Ecco un altro video di Shapeways (divulgazione, lavoravo anche lì) che mostra del materiale di supporto e la sua rimozione:

FDM ti dà un'elevata precisione dimensionale, ma le parti sono generalmente meno attraenti di quelle realizzate con altre tecnologie.

Sinterizzazione laser selettiva

 

 

L'intering laser selettivo o sinterizzazione laser è un processo diverso in cui viene depositata una fine polvere di plastica (PA12 simile al nylon) e un laser sinterizza le parti che diventeranno il tuo modello. Il resto della polvere funge da supporto. Viene quindi applicato un nuovo livello e il processo si ripete. Ti rimane quindi un blocco di polvere fine che trattiene le tue parti. SLS ha una sensazione simile ai jeans e ha grandi proprietà meccaniche, ma il materiale è poroso quindi assorbe sporco e fluidi. Sopra c'è un'ala UAV costruita con SLS.

DMLS

 

 

Puoi anche stampare in 3D titanio e acciaio con DMLS (Direct Metal Laser Sintering) che funziona allo stesso modo, ma con polvere di titanio. Qui puoi vedere come viene realizzato un impianto mascellare:

DMLS offre parti metalliche e una resistenza molto elevata, ma oltre al supporto proveniente dalla polvere non sinterizzata, è necessario realizzare strutture di supporto aggiuntive a causa delle alte temperature che agiscono sulla parte. Questi devono essere rimossi a mano usando un flex o un'altra macchina utensile.

EBM

 

 

Electon Beam Melting (EBM) funziona con un fascio diretto di elettroni. L'EBM ha una struttura superficiale più ruvida rispetto ad altri processi, ma questo lo rende ideale per gli impianti. Ogni anno vengono realizzati oltre 30000 impianti ortopedici con l'EBM.

Stampa 3D

 

Il vero nome corretto per tutte le tecnologie di stampa 3D è produzione additiva, ma il pubblico ha scelto la stampa 3D come termine. La stampa 3D è in realtà il nome di una serie di tecnologie derivate dal brevetto di stampa 3D del MIT in base al quale una testina di stampa (la stessa della tua stampante Hewlett-Packard) passa sopra uno strato di polvere e lega questo materiale con un legante. Puoi stampare a colori con questo processo e questo è ciò che fanno le macchine Zcorp. Utilizzando la stessa tecnologia, ma con un processo più complesso, ExOne può stampare il metallo. Le parti Zcorp hanno colore, ma sono fragili. ExOne produce parti metalliche a buon mercato (una fede nuziale in acciaio costa $ 8), ma ha una precisione dimensionale inferiore e richiede un bel po 'di tempo in confronto.

Voxeljet utilizza la stessa tecnologia per stampare sabbia e PMMA e questo processo viene utilizzato per la fusione di molte pompe e altri macchinari industriali. Voxeljet ha attualmente la più grande stampante 3D al mondo che ha un volume di costruzione di 4 x 2 x 1 metri.

 

Stereolitografia

 

La stereolitografia è stata in realtà la prima tecnologia commercializzata ed è stata inventata da Chuck Hull presso 3D Systems. I laser si accumulano e creano oggetti in un bagno di resina. Questo processo offre una grande levigatezza e parti dall'aspetto piacevole, ma richiede una fase di polimerizzazione successiva e le strutture di supporto devono essere rimosse a mano. Nella foto sopra, puoi vedere le strutture di supporto che sostengono una replica della mummia di King Tut (nota la struttura di supporto reticolare che sostiene la testa). Le parti SLA sono anche in genere meno resistenti all'usura del mondo reale e vengono utilizzate per cose come i prototipi perché hanno un bell'aspetto e hanno un aspetto sorprendente una volta finite. Un esempio all'interno e al cruscotto della Citroen GT visto sotto, il video mostra una lampada realizzata con SLA.

 

Envisiontec

 

(Divulgazione, attualmente svolgo attività di consulenza per Envisiontec) Sebbene quasi tutte le tecnologie di stampa 3D funzionino strato per strato, ci sono delle eccezioni. Con Envisiontec viene utilizzata l'elaborazione della luce digitale (la stessa tecnologia che si trova nei proiettori DLP e nei televisori DLP). Una resina liquida viene polimerizzata e resa solida da un proiettore DLP che proietta su di essa l'immagine di un voxel (pixel volumetrico). La dimensione e la forma del voxel stampato risultante può variare e dipende dall'immagine. Envisiontec non può realizzare cose davvero grandi, ma realizza piccole cose altamente dettagliate come apparecchi acustici personalizzati, impianti dentali e stampi per gioielli. Sopra puoi vedere un vassoio di costruzione di apparecchi acustici. Oltre 10,000,000 paia di apparecchi acustici sono stati stampati in 3D. Il secondo video è in tedesco, ma mostra come la tecnologia viene utilizzata dai dentisti.

 

Oggetto

Objet funziona quando un fotopolimero viene depositato da una testina di stampa a getto d'inchiostro. Lo strato risultante viene quindi polimerizzato con una lampada UV. Tradizionalmente il problema con Objet era che le parti realizzate con esso erano molto fragili, ma hanno migliorato i materiali. La cosa più interessante di Objet è che può eseguire la stampa 3D multimateriale, quindi puoi creare oggetti con densità e durezza diverse, ad esempio. Il manico del rasoio in basso può essere reso flessibile in alcune parti e rigido in altre parti pur avendo cuscinetti morbidi dove lo tieni, tutto in una tiratura (stranamente, il rasoio in basso potrebbe essere un caso di violazione del copyright perché Gillette ha brevetti che coprono la realizzazione di rasoi stampati in 3D, 3D quindi questo potrebbe significare che questa è una forma che non ti è permesso fare. Brevetto EP2266727A1 - Un metodo per formare una cartuccia di rasoio funzionale e una cartuccia di rasoio funzionale)

 

Perché la stampa 3D è utile?

La stampa 3D ti consente di creare rapidamente forme uniche senza costi di avviamento. Nella tradizionale produzione di massa trascorri otto settimane a realizzare stampi e attrezzature e devi aspettare otto settimane prima che le tue cose arrivino dalla Cina. Uno stampo può costare da $ 10,000 a $ 200,000, ma una volta che hai impiegato tempo e denaro per realizzare questo stampo, può sputare un milione di cose identiche a un prezzo elevato per un costo molto contenuto.

Con una stampante 3D un oggetto deve essere costruito individualmente in una macchina. Non appena hai il disegno puoi iniziare a stampare. Ma, a causa del costo dei materiali e del costo della macchina e dello spazio che la parte occupa nella macchina (acquisto, volume interno e velocità) la tua cosa sarà in genere più costosa di un articolo stampato a iniezione. Quindi una lampada stampata in 3D potrebbe costarti $ 80 mentre la lampada stampata a iniezione sarebbe $ 1. Tuttavia, con la stampa 3D è possibile realizzare migliaia di variazioni di questa lampada e stamparle tutte senza costi o tempi aggiuntivi, ciascuna delle quali costa $ 80 (le lampade più grandi saranno più costose e potrebbe esserci un costo per la personalizzazione del design).

La stampa 3D eccelle nel creare cose uniche. Cose che devono essere fatte solo una volta, cose che sono personalizzate, cose che dovrebbero essere belle solo per una persona.

Perché la stampa 3D è rivoluzionaria?

Con la stampa 3D puoi stampare vicino al cliente o anche a casa tua. Poiché molte delle cose che ci circondano sono fabbricate in massa, queste cose fanno schifo. Sono pensati per essere prodotti a milioni perché è così che funzionano questi processi di produzione di massa. Quindi, hanno lo scopo di fare appello a un gran numero di persone senza soddisfare le esigenze di nessuno. Con la stampa 3D puoi creare e progettare cose uniche e creare cose per una sola persona. Puoi anche produrre forme che non possono essere realizzate con altri mezzi. Producendo in modo diverso puoi produrre cose su richiesta o iterare e testare il tuo progetto mentre fai continuamente cose migliori. Possiamo anche lavorare insieme e condividere progetti e migliorarli utilizzando il software e così facendo migliorare la qualità di tutte le cose. Saremo anche in grado di democratizzare la produzione e potenzialmente consentire a chiunque di produrre qualsiasi cosa. Questo avrà un impatto fondamentale sul nostro mondo.

Per ulteriori informazioni puoi controllare questa risposta:
Perché si dice che la stampa 3D sia la terza rivoluzione industriale?

Industria della stampa 3D

L'industria della stampa 3D è un'industria da $ 2,000,000,000 che è cresciuta del 26 percento all'anno di entrate dal 1989. Mentre i media si concentrano sulla stampa 3D domestica quasi il l'intero settore è business to business.

Molte aziende utilizzano stampanti 3D per prototipare le cose. Li usano per testare i progetti e sviluppare i prodotti più velocemente. Altre aziende utilizzano la tecnologia per parti a breve termine, pezzi di ricambio o produzione a basso volume. Viene utilizzato nelle corse automobilistiche per realizzare parti e anche nella personalizzazione delle auto e in cose come il cruscotto Veyron. Le parti del Dreamliner e dell'Airbus A380 sono stampate in 3D e vengono utilizzate in prototipi medici, guide chirurgiche e impianti. Ovunque vi sia la necessità di un articolo unico con un design specifico, è possibile trovare la stampa 3D. Al suo interno, la promessa della stampa 3D è come una tecnologia di realizzazione dei desideri che ci permetterà di sognare qualsiasi cosa e realizzarla.

Quali sono alcuni dei limiti della stampa 3D?

Le macchine sono troppo costose e non affidabili.
I materiali non sono abbastanza resistenti.
Molte parti stampate in 3D non hanno un bell'aspetto.
È troppo difficile progettare per la stampa 3D.
Il problema della tela bianca significa che spesso non siamo ispirati o addirittura temiamo di creare qualcosa.
Le macchine non sono abbastanza veloci.
Molte parti non sono abbastanza lisce.
eccetera.