Conoscere il mondo della stampa 3D ad uso hobbistico in 6 mosse!


Introduzione

In questo articolo cercheremo di dare una breve ma quanto più esaustiva panoramica sul mondo della stampa 3D ad uso hobbistico. Come al solito cercheremo di utilizzare un linguaggio comprensibile anche a persone senza uno specifico background tecnico (in pieno stile informatica37.it), andando a toccare tutti gli argomenti principali, come: le varie tipologie di stampanti, le loro caratteristiche costruttive e le componenti principali, i materiali di stampa ed una descrizione completa dell’intero processo di fabbricazione, senza tralasciare link ad approfondimenti esterni e qualche piccolo consiglio su come orientarsi sul mercato per un eventuale primo acquisto.

Tutti i contenuti della guida sono stati organizzati in 6 capitoli principali secondo il seguente indice:

  1. Fabbricazione digitale con la stampa 3D
  2. Principali tecnologie di stampa 3D
  3. Stampanti 3D a filamento
  4. Materiali per la stampa 3D FDM
  5. Processo di fabbricazione con stampante 3D FDM
  6. Conclusioni: il mercato, approfondimenti, community e fonti

1)  Fabbricazione digitale con la stampa 3D

La stampa 3D è una tecnologia di fabbricazione digitale con cui si possono realizzare oggetti fisici partendo da un modello 3D digitale che può essere realizzato grazie a dei software di modellazione 3D comunemente chiamati CAD (Computer Aided Design). La stampa 3D è una tecnologia di fabbricazione come lo è ad esempio la fresatura a controllo numerico (CNC) o il taglio laser.

Uno degli ambiti di applicazione in cui la tecnologia di stampa 3D ha trovato un terreno fertile è stato quello della prototipazione rapida, ovvero in tutte quelle applicazioni in cui è vantaggioso poter ottenere un prototipo di un oggetto in tempi brevi, senza bisogno di quantitativi minimi di produzione ed a basso costo. Realizzare un oggetto con “forme particolari” o “geometrie complesse” potrebbe essere impossibile o molto difficoltoso (quindi molto costoso) da realizzare con altre tecnologie alternative come ad esempio le frese CNC o la stampa ad iniezione. E’ infatti molto diffusa in ambito industriale la necessità di produrre a costi contenuti delle piccole tirature o singoli prototipi che altrimenti avrebbero un costo esorbitante se realizzati con processi che richiedano la configurazione di una macchina molto complessa e grandi quantitativi di pezzi per poter ammortizzare i costi fissi.

Tecnicamente la stampa 3D è definita una tecnologia di fabbricazione di tipo additivo in cui l’oggetto viene realizzando depositando materiale strato dopo strato, mentre le frese a controllo numerico (frese CNC), pur facendo parte delle tecnologie di fabbricazione, queste lavorano con una modalità sottrattiva, ovvero asportando materiale da un blocco di partenza. Facendo un grossolano confronto, la stampa 3D risulta essere una tecnologia meno complessa che permette di lavorare a velocità maggiori, non produce materiale di scarto (o ne produce in piccolissima parte) e permette la stampa di tanti materiali diversi. Ovviamente le stampanti 3D non sostituiranno mai le frese perché ci sono tipi di lavorazioni e materiali che sono lavorabili solo con questa tecnologia di fabbricazione. Le immagini che seguono dovrebbero chiarire meglio le differenze tra le due modalità di fabbricazione.

La stampa 3D è quindi presente da diversi anni in ambienti professionali ed industriali mentre più recentemente, grazie anche all’esplosione del movimento dei maker e la diffusione dei Fab Lab, le stampanti sono entrate in contesti artigianali e domestici. La diffusione delle stampanti 3D in contesti artigianali ed hobbistici è stata favorita anche dal notevole abbassamento dei costi di acquisto delle stampanti e alla facilità con cui si possono reperire informazioni per imparare ad utilizzarle o addirittura ad autocostruirsele.


Il processo di fabbricazione digitale, sia esso realizzato con la  stampa 3D, con la fresatura a controllo numerico (CNC) o con un laser da taglio, è sempre composto da due fasi principali:

  1. CAD (Computer Aided Design) – Il disegno tecnico assistito dall’elaboratore è la fase di creazione digitale dell’oggetto al computer grazie all’utilizzo di opportuni software per il disegno 2D e la modellazione 3D.
    Oggi esistono tanti software gratuiti e molto semplici da utilizzare che consentono anche a neofiti di poter progettare oggetti 3D da stampare, esiste a tal proposito anche tanta documentazione online per formarsi all’uso di software specifici. Come vedremo più avanti, la stampa 3D si è molto diffusa a livello domestico anche perché oggi si possono trovare online tanti oggetti 3D già disegnati che possono essere scaricati gratuitamente e stampati da chi non ha nessuna competenza di disegno tecnico e modellazione 3D. Una modalità alternativa per ottenere un modello 3D è quella dell’utilizzo di tecniche di reverse engineering (ingegneria inversa), dove grazie all’utilizzo di appositi dispositivi hardware è possibile effettuare la scansione 3D di oggetti fisici al fine di ottenerne una rappresentazione digitale. Ovviamente questa modalità è più molto più complessa e costosa, quindi è utilizzata principalmente in contesti professionali.
  2. CAM (computer Aided Manufacturing)La produzione assistita da computer è la fase in cui l’oggetto disegnato con il CAD viene elaborato da opportuni software al fine di ottenere una lista di istruzioni da inviare alla macchina che effettuerà la lavorazione. Con la fase CAM è possibile, nonché utile, ottenere anche una preventivazione dei tempi e dei costi della lavorazione stessa.
    Nel caso della stampa 3D la fase CAM è chiamata slicing (letteralmente: “fare a fette”), processo in cui il modello 3D viene letteralmente sezionato in strati (layer) di uno specifico spessore, in modo da ottenere le coordinate e le istruzioni per realizzare ogni singolo strato del modello stesso. Tutte le istruzioni vengono poi salvate in un file g-code che contiene tutte le istruzioni da inviare alla macchina affinché possa realizzare la lavorazione. Come vedremo più avanti in questa fase si andranno a definire molti parametri necessari alla fabbricazione che saranno per forza di cose legati alla caratteristiche della stampante, al materiale di stampa utilizzato e ovviamente anche alla conformazione dell’oggetto ed alla finitura che vogliamo ottenere.

In generale, i principali vantaggi della stampa 3D sono:

  • Creare oggetti geometricamente complessi senza costi aggiuntivi.
  • Nessun costo fisso per la preparazione della macchina o di stampi.
  • Prototipazione di pochi pezzi ad un costo molto basso.
  • Possibilità di utilizzare tanti materiali di stampa diversi.

Purtroppo ci sono anche dei punti deboli, sopratutto se parliamo di stampanti 3D non industriali, come:

  • Scarse proprietà meccaniche dei pezzi prodotti, non idonei ad applicazioni in cui sono richieste elevate prestazioni.
  • Svantaggiosa nella stampa di oggetti di grandi dimensioni.
  • Limitata accuratezza dimensionale, ovvero la scarsa capacità di produrre oggetti aderenti al progetto entro certe tolleranze dimensionali. Ad esempio la produzione di un pistone di un motore dovrà avere delle misure estremamente accurate rispetto a quelle di un vaso. In questi casi la fresatrice CNC offre accuratezza maggiore.
  • E’ necessaria una post-produzione dei pezzi, ovvero di un lavoro di rifinitura successivo alla produzione.

Riguardo alla post-produzione, essendo la stampa 3D una tecnologia additiva, la realizzazione di parti sospese richiede la presenza di “strutture di supporto” che non facciano collassare tali parti nella fase di stampa. Le parti di supporto andranno rimosse senza lasciare traccia e senza danneggiare il pezzo stesso.

Di seguito un esempio dei supporti prodotti da una stampante a filamento.

Esempio di strutture di supporto con stampa 3D a filamento (lettere H e T)

Ci sarà modo di approfondire il tema dei supporti di stampa quando parleremo più nel dettaglio della fase di slicing con le stampanti a filamento. Un altro esempio di post-produzione è ad esempio, nel caso in cui si stia realizzando un oggetto che deve essere gradevole anche esteticamente, è quello di lisciare la superficie con varie tecniche (in base al materiale) al fine di eliminale le tracce che si formano a causa della lavorazione additiva a strati.

Esempi di strati visibili con stampa 3D a filamento

Indice

  1. Fabbricazione digitale con la stampa 3D

  2. Principali tecnologie di stampa 3D

  3. Stampanti 3D a filamento

  4. Materiali per la stampa 3D FDM

  5. Processo di fabbricazione con stampante 3D FDM

  6. Conclusioni: il mercato, approfondimenti, community e fonti


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