Test e confronto di stampante 3d

• Cosa c’è da sapere
• Le stampanti 3D sono in grado di produrre modelli altamente precisi da diversi materiali.
• Un tempo erano estremamente costosi, ma oggi sono alla portata di tutti.
• Esistono processi produttivi diversi per usi diversi che hanno costi diversi.
• Alcuni kit includono solo una parte della stampante. I componenti aggiuntivi, come i connettori, possono essere prodotti dalla stampante stessa.

Che cos’è una stampante 3D?

In passato, la stampa 3D era una possibilità solo per gli appassionati con il portafoglio gonfio. Da allora, questa tecnologia è diventata fondamentale nell’industria e nella medicina e sta entrando sempre più spesso nelle stanze degli hobby e degli attrezzi. I prezzi partono ora da meno di 250 dollari, rendendo possibile l’acquisto per molti.

La stampa 3D è ampiamente utilizzata nell’industria. La tecnologia può essere utilizzata per produrre prototipi che vengono poi testati, esaminati e successivamente prodotti in serie. In medicina, la tecnologia svolge un ruolo importante. Ad esempio, le protesi possono essere realizzate con una precisione millimetrica, utile per interventi come la sostituzione dell’anca e della mascella, che devono essere estremamente precisi. Per gli hobbisti, la stampa 3D permette di realizzare pezzi di ricambio, come viti o altre parti di collegamento, o di provare a stampare un oggetto specifico, come un’action figure o un vaso di fiori.

Con le giuste istruzioni, una stampante 3D può riprodurre quasi tutti gli oggetti in modo dettagliato. Inoltre, questi modelli stampati sono riproducibili all’infinito. Rispetto ai metodi tradizionali, i tempi di produzione sono più brevi e la produzione individuale è più economica. Tutto ciò che serve, oltre alla stampante e al materiale di stampa, è un file con le istruzioni per la costruzione: si possono prendere le misure e progettare da soli o scaricare i file da Internet. Il dispositivo stamperà poi il modello uno a uno secondo questo piano di costruzione. La precisione delle stampanti 3D è estremamente elevata: alcuni modelli hanno una deviazione di appena lo 0,2%. Di conseguenza, è possibile una produzione in scala reale, anche con parti mobili e in versioni multicolore.

Produzione additiva (AM)

La stampa 3D è nota anche come produzione additiva (AM) e talvolta come prototipazione rapida. La terminologia è flessibile a seconda dell’uso (ad esempio, industriale o domestico), ma ciò che rimane invariato è che si riferiscono collettivamente a processi di produzione in cui una materia prima liquida o solida viene formata o assemblata in un oggetto tridimensionale a partire da un progetto al computer. Il materiale riscaldato e liquefatto viene applicato strato per strato attraverso un ugello in una camera di iniezione, costruendo gradualmente un oggetto. Additivo significa che il materiale viene aggiunto e non rimosso, come avviene nella fresatura o nella foratura.

Tecnologia precedente: fresatura e stampaggio a iniezione

La fresatura e la tornitura (ad esempio con un tornio) sono considerate i predecessori tecnici della stampa 3D. Queste tecnologie sono sottrattive, cioè rimuovono per creare nuovi oggetti. In questo senso, sono l’inverso della tecnologia 3D. Un pezzo grezzo di grandi dimensioni viene ridotto per asportazione e il nuovo oggetto viene modellato. Le piccole parti possono essere montate insieme per creare oggetti di grandi dimensioni. Per molti versi, il processo può essere considerato simile alla scultura.

Una forma più recente e avanzata è lo stampaggio a iniezione, utilizzato per produrre oggetti più grandi e complessi in un unico passaggio. In questo processo si usa comunemente la plastica. Viene riscaldata e poi pressata in forma con un negativo. Il primo esempio di prodotto realizzato in questo modo è il mattoncino Lego.

In un certo senso, la stampa 3D è simile allo stampaggio a iniezione. Tuttavia, la stampa 3D non richiede un negativo. Piuttosto, il modello digitale 3D viene tradotto in codice leggibile dalla macchina e la costruzione viene poi realizzata strato per strato.

Usi industriali

In passato, i prototipi industriali e i campioni di modelli venivano prodotti manualmente utilizzando cartone, schiuma o argilla. Oggi le stampanti 3D a controllo computerizzato svolgono questo compito perché sono molto più economiche e veloci.

Altre aree di utilizzo

Sia nella ricerca che nella produzione, le stampanti 3D sono presenti nei seguenti settori:

• Medicina (ad esempio impianti e protesi, dentiere, apparecchi acustici, bio-stampa).
• Ricerca scientifica (ad es. robotica, spazio)
• Moda e gioielli (ad es. modelli per anelli, collane)
• Trasporti (parti leggere per l’industria automobilistica e aerospaziale)
• Cibo (ancora in fase di sviluppo, potenziale di sostenibilità e soluzioni per lo spreco alimentare)

Kit o preassemblaggio?

Sul mercato sono disponibili modelli di stampanti 3D già completamente assemblati, ma anche modelli da assemblare da soli. Entrambe le varianti presentano vantaggi e svantaggi. La scelta a favore o contro l’una o l’altra dipende dal grado di libertà che si desidera per la personalizzazione della stampante.

Kit di stampanti 3D

Il vantaggio principale dei kit fai-da-te è che sono più economici delle stampanti 3D preassemblate. Inoltre, se si costruisce la stampante da soli, si ha una maggiore flessibilità nella scelta dei componenti aggiuntivi e nella personalizzazione della macchina in base alle proprie esigenze. In questo modo è molto più facile aggiornare la stampante con i componenti più recenti. I piani di costruzione sono in genere sempre open source, per cui è possibile dare un’occhiata prima dell’acquisto per capire a cosa si va incontro. Alcuni modelli, come le stampanti RepRap, possono stampare i propri componenti. Il principale svantaggio di costruire la propria stampante è che è necessaria una discreta conoscenza tecnica per farla funzionare.

RepRap

Le stampanti RepRap sono speciali perché sono progettate per essere auto-replicanti: costruiscono se stesse e altre stampanti. L’abbreviazione sta per Replicating Rapid Prototyper.  Il progetto è nato all’Università di Bath nel 2005 con l’obiettivo di sviluppare una stampante 3D a basso costo e da allora si è sviluppato in una comunità open-source globale. I progetti sono soggetti alla GNU General Public License, un insieme di accordi che garantiscono la libera ridistribuzione. Per questo motivo e per il fatto che la stampante può produrre da sé molti dei suoi componenti ogni volta che lo si desidera, i dispositivi RepRap sono relativamente economici.

I kit per stampanti 3D sono ideali per gli hobbisti e i tinker con una certa esperienza tecnica pregressa. Se non avete mai installato un circuito stampato o saldato un componente, non vi consigliamo di acquistarne uno. Detto questo, il vantaggio in termini di prezzo è convincente. Rispetto ai dispositivi assemblati, è possibile risparmiare fino a 400 dollari. I kit fai-da-te partono da poco più di 100 dollari. I modelli più economici di solito sono costituiti solo da un telaio di plastica. Per contenere i costi, la maggior parte delle stampanti non viene fornita con un involucro attraente. 

Modelli completi

Le stampanti 3D complete vengono fornite preassemblate. Ciò significa che si ottiene direttamente un prodotto finale sintonizzato con un software su misura. Nella maggior parte dei casi, questo è più facile da usare, in quanto è possibile utilizzare il proprio intuito per far funzionare la stampante, a differenza dei programmi per i dispositivi in kit. Tuttavia, i componenti e i progetti preassemblati possono rendere molto più difficile l’aggiornamento della stampante. Ciò significa che le stampanti possono diventare obsolete in tempi relativamente brevi. Le parti di ricambio possono essere ottenute solo dal produttore e sono spesso costose. Lo stesso vale per le riparazioni, che possono essere effettuate solo in officine specializzate.

Non è necessaria alcuna conoscenza tecnica per utilizzare una stampante preassemblata: è sufficiente disimballarla per iniziare a stampare. A seconda del modello, i prezzi variano da 200 a oltre 5000 dollari.

Consigli per gli acquisti

Il budget e l’uso previsto determinano il tipo di stampante da acquistare. Modelli diversi stampano con tecniche diverse e danno risultati di qualità diversa. Vediamo nel dettaglio cosa si deve cercare:

Metodi di stampa: liquido e polvere

Esistono diverse tecnologie di stampa quando si parla di stampa 3D, ognuna con i propri vantaggi e svantaggi. In linea di massima, è possibile classificare le stampanti 3D in base all’uso di materiali in tre diversi stati:

• Stampa 3D con materiale fuso
• Stampa 3D con materiale liquido
• Stampa 3D con polvere

Indipendentemente dalla tecnica, le stampanti 3D hanno tutte bisogno di un file da cui stampare, proprio come una normale stampante di carta. In base al file, la macchina muove la testina di stampa ed estrude il materiale di stampa. A tal fine, il modello virtuale tridimensionale, solitamente contenuto in un file CAD, viene suddiviso in fette bidimensionali, i cosiddetti strati. Questa procedura è chiamata anche slicing. Dopo la conversione, gli utenti ricevono un file in formato STL o AMF. Utilizzando questi tipi di file, la stampante 3D costruisce il modello strato per strato.

Alcune tecniche di stampa differiscono solo leggermente. Alcuni processi sono spesso protetti da brevetti e sono specifici per le aziende. Ecco alcune delle tecniche di stampa disponibili:

Materiali fusi

Il metodo più comune ed economico nella stampa 3D è l’uso di materie plastiche come ABS o PLA, che vengono fuse e poi applicate in forma liquefatta strato per strato (metodo free-space).

Questo processo è chiamato FDM (Fused Disposition Modelling) o FFF (Fused Filament Fabrication). L’FDM è stato sviluppato negli Stati Uniti e brevettato nel 1989. All’epoca, le stampanti FDM costavano 10.000 sterline. Quando il brevetto è scaduto nel 2009, gli appassionati hanno potuto copiare la tecnologia. Poiché il nome era ancora brevettato, la nuova tecnologia di replica è stata chiamata FFF. Queste repliche, spesso indicate anche come dispositivi RepRap, spesso non hanno un proprio alloggiamento, ma solo i componenti minimi necessari per la stampa. Se si desidera utilizzare più filamenti diversi contemporaneamente, è necessario disporre di più ugelli.

In linea di principio, l’intero processo è simile all’utilizzo di una pistola per colla a caldo: un materiale viene riscaldato ed espulso da un ugello allo stato liquido. Il materiale deve poi raffreddarsi per indurirsi. Movimenti orizzontali e verticali controllati dal computer applicano il filamento alle aree desiderate. Solo quando uno strato si è raffreddato, è possibile applicare lo strato superiore. A causa della gamma di materiali di stampa e dell’effetto che hanno le diverse forme dei modelli, è impossibile dire in generale quanto tempo dura un processo di stampa di questo tipo. Alcuni modelli hanno un display che mostra il tempo rimanente calcolato. Questi display sono talvolta presenti anche sulle stampanti preassemblate.

Non solo plastica

Al posto della plastica si possono utilizzare altri materiali per la stampa 3D, come il gesso, il vetro o il legno. Con questi diversi filamenti le possibilità di utilizzo si ampliano: ad esempio, con il metallo si possono realizzare stecche mediche e oggetti decorativi. Si sperimenta persino con alimenti come il cioccolato o il purè di patate! Tuttavia, in questo caso la stampa 3D è ancora troppo lenta e costosa per la produzione di massa. I produttori di stampanti 3D più noti sono Makerbot, Ultimaker, Flashforge, Creality 3D, Prusa e Geeetech.

Stampa 3D con materiale liquido

Questa tecnologia di stampa utilizza materiali plastici liquidi sensibili ai raggi UV, chiamati fotopolimeri. La tecnologia dei materiali liquidi ha quattro tipi diversi:

Stereolitografia (SLA o STL)

In un certo senso, la stereolitografia è il predecessore di tutti i processi di stampa 3D. È stata brevettata già nel 1984 dall’americano Chuck Hull. Questo processo è piuttosto complicato e costoso, in quanto tecnicamente molto sofisticato. In breve, la luce UV viene utilizzata per indurire una speciale plastica liquida, nota come fotopolimero. Il modello viene realizzato in un contenitore riempito con il fotopolimero liquido. A tal fine, il letto di stampa viene immerso nel liquido fotosensibile, appena sotto la superficie. Poi, un laser irradia il primo strato, indurendolo. Una volta completata questa fase, è possibile produrre lo strato successivo.

Per creare l’oggetto, il letto di stampa scende nella resina esattamente dello spessore di uno strato. Lo strato successivo viene poi indurito sulla superficie mediante applicazione laser. Questo avviene molte volte: ci vogliono ore per assemblare strati di spessore millimetrico. In molti casi, per sostenere l’oggetto durante la stampa sono necessarie strutture simili ad aghi, che vengono poi staccate in seguito. Sono fatte dello stesso materiale del prodotto finale. È anche possibile mescolare il fotopolimero con altri materiali, come la ceramica. In questo caso, dopo la stampa, l’oggetto in ceramica viene cotto. In questo modo i componenti ceramici si legano in modo permanente e i componenti in plastica vengono rimossi.

Elaborazione digitale della luce (DLP)

Questo processo funziona esattamente come la stereolitografia. Tuttavia, invece di un laser, viene utilizzato un proiettore DLP come sorgente di luce. Le stampanti Sone possono anche utilizzare proiettori standard.

Modellazione MultiJet (MJM)

La modellazione MultiJet, nota anche come modellazione PolyJet, è un mix di stereolitografia e tecnica FDM. In questo caso, una plastica liquida e sensibile alla luce viene applicata alla piattaforma di lavoro tramite una testina di stampa. La miscela viene poi immediatamente indurita da una fonte di luce nell’ugello di uscita.

Imaging a trasferimento di pellicola (FTI)

Il processo di imaging a trasferimento di pellicola utilizza una tecnica simile basata sulla luce, in questo caso il materiale viene polimerizzato con un proiettore. Tuttavia, in questo processo viene utilizzata una pellicola di trasporto. Una pellicola di materiale fotosensibile viene applicata sulla pellicola di trasporto e quindi polimerizzata con la luce. Successivamente, questo strato polimerizzato viene sollevato dalla pellicola e unito al resto del pezzo. Il processo viene ripetuto fino al completamento di tutti gli strati.

Stampa 3D con polvere

In generale, esistono due tipi di stampa 3D a base di polvere, talvolta noti come stampa a letto di polvere e stampa a getto d’inchiostro o a goccia su polvere. La polvere viene fusa o un materiale legante viene depositato da una stampante a getto d’inchiostro per formare l’oggetto strato per strato. In entrambi i casi, l’oggetto viene prodotto in un letto di polvere. I due processi sono:

Sinterizzazione laser selettiva (SLS)

Il termine sinterizzazione laser selettiva (o fusione laser) si riferisce al processo di creazione di oggetti tridimensionali mediante la fusione di materiali in polvere, come il gesso. Strati sottili di polvere vengono fusi per formare un oggetto 3D. Dopo che uno strato si è solidificato, un rullo assicura l’applicazione di nuova polvere sopra il pezzo da lavorare, che quindi sinterizza un nuovo strato in base al file del computer.

I singoli strati vengono uniti dal laser e il processo viene ripetuto fino al completamento del modello. La polvere in eccesso viene rimossa mediante aspirazione e riutilizzata. Altri materiali che possono essere utilizzati sono il nylon, gli elastomeri, le allumine o le poliammidi. Questo metodo è relativamente costoso. Alcuni materiali richiedono comunque una rifinitura per la pulizia o la stabilizzazione, ad esempio con la supercolla.

3DP: Incollaggio adesivo

Nel processo 3DP si utilizza anche la polvere, ma invece di essere fusa viene solidificata con un adesivo liquido. Questo viene applicato tramite un ugello a pressione, proprio come l’inchiostro in una stampante a getto d’inchiostro. Il modello assemblato emerge quindi da questi strati di polvere incollati. Anche in questo caso, la piastra di lavoro si sposta leggermente verso il basso prima di applicare ogni nuovo strato di polvere. I materiali possibili sono polveri di gesso e plastica, ceramica, vetro e altri materiali in polvere. Come per la tecnica SLS, questo processo è estremamente efficiente dal punto di vista delle risorse, poiché la polvere non incollata può essere riutilizzata.

Materiali di stampa: filamenti e pellet, polveri, resine e cere

A seconda della tecnica di stampa, è necessario utilizzare materiali di stampa diversi.

Stampa con liquido: filamento o pellet

L’estrusione si riferisce a metodi in cui il materiale viene forzato attraverso un ugello. Nella stampa 3D, i filamenti o i pellet di plastica vengono fusi per formare un liquido viscoso che può essere estruso prima che si indurisca. Il materiale più comunemente utilizzato oggi è il poliaccoppiato (PLA). Si tratta di una plastica a base di acido lattico, approvata per l’uso nel settore alimentare e nell’industria tessile perché non presenta rischi per la salute. Il fatto che il materiale si ammorbidisca rapidamente è un ulteriore vantaggio per la stampa.

Poiché il PLA è sensibile al calore, anche i modelli raffreddati e induriti sono sensibili al calore. L’uso di questa plastica per le tazze è un’opzione, ma solo se non vi si inserisce alcun liquido caldo, perché potrebbero deformarsi. Infatti, anche la luce diretta del sole e le alte temperature ambientali possono compromettere l’integrità strutturale di un oggetto stampato in PLA 3D.

Il copolimero acrilonitrile butadiene stirene (ABS) è meno sensibile al calore rispetto al PLA. Tuttavia, brucia più facilmente e può provocare odori sgradevoli se ciò accade durante la stampa.

Il materiale che si può utilizzare dipende dalla stampante di cui si dispone. Alcune stampanti 3D possono lavorare solo con un tipo di plastica. Se la stampante è in grado di utilizzare entrambi i tipi di plastica, in generale è meglio utilizzare il PLA, che è più ecologico e ha una tolleranza al calore di 50 °C (122 °F). Se avete bisogno di qualcosa che possa resistere a temperature comprese tra 185 e 212 °F (85-100 °C), l’ABS è l’opzione giusta. Se cercate una plastica colorata, il PLA colorato (CPLA) è quello che fa per voi: la plastica viene mescolata con l’inchiostro, il che significa che è possibile realizzare stampe multicolori.

Stampa con materiali liquidi: PolyJet, resina, cera

Nella stampa PolyJet, gocce estremamente piccole di un fotopolimero vengono applicate al letto di stampa e polimerizzate con l’aiuto della luce UV. Al posto del fotopolimero si possono utilizzare anche resine sintetiche e cere speciali. Al termine della produzione, i modelli vengono estratti dal liquido a testa in giù.

Stampa con polvere

La stampa 3D con polvere è ancora relativamente costosa, a causa del costo della polvere. La polvere da stampa viene fusa insieme al laser e unita tramite ugelli che estrudono speciali adesivi. Una volta completata la produzione del modello, la polvere in eccesso può essere rimossa con un pennello o un aspiratore e riutilizzata.

Suggerimenti per l’uso

Avete deciso di acquistare una stampante 3D, ma ora? La prima cosa da considerare è il luogo di installazione. Continuate a leggere per avere informazioni in merito, oltre a consigli per la creazione di modelli al computer, la stampa di oggetti e la pulizia.

Installazione: la posizione è fondamentale

La scelta della giusta posizione è essenziale, in quanto può influire notevolmente sulla qualità di stampa. State pensando di posizionare la stampante sul pavimento, su un tavolo o su un banco di lavoro? Se state pensando al pavimento, sappiate che la polvere si accumula maggiormente in questa zona. Quando le persone camminano nella stanza, sollevano polvere che può finire sul letto di stampa. Questo può causare problemi, soprattutto se la stampante non ha una custodia. La polvere può impedire al modello di aderire correttamente al piano di stampa, facendolo scivolare durante la stampa. Se la polvere è presente sul filamento, quando si scioglie per la stampa può intasare l’ugello di stampa. 

Ventilazione

Le materie plastiche come l’ABS e il PLA emettono vapori nocivi durante la fusione, quindi è essenziale installare la stampante in un luogo con una buona ventilazione. Una ventola di aspirazione o almeno una buona ventilazione con aria fresca è importante per evitare rischi per la salute dovuti ai fumi. Detto questo, non consigliamo di utilizzare la stampante 3D all’esterno: qualsiasi tipo di vento impedirà l’adesione. Il motore e la meccanica possono essere piuttosto rumorosi, quindi è meglio mettere la stampante lontano da salotti e camere da letto.

Come stampare

Dopo aver installato la stampante in una posizione adeguata, è necessario un file leggibile dal computer. Potete crearne uno voi stessi o scaricare un modello da Internet. Se siete alle prime armi con la stampa 3D, scaricare un file completo è un’ottima opzione per iniziare. Salvate il file su una scheda SD o una chiavetta USB per poterlo inserire nella stampante. Le connessioni dirette tra computer e stampanti 3D non sono comuni, dipende dal modello e in generale non è così semplice da configurare per i principianti. Dopo aver riscaldato il filamento o i pellet, la stampa può iniziare. Se il modello non aderisce al letto di stampa con i primi strati, è necessario ricominciare da capo.

Post-elaborazione e pulizia

Dopo la stampa, è necessaria una fase di post-elaborazione; i passi da compiere dipendono dal modello e dal tipo di stampante 3D di cui si dispone. Il modello potrebbe raffreddarsi completamente e indurirsi, oppure si potrebbe dover spazzolare o aspirare la polvere in eccesso. Alcuni modelli avranno bisogno di supercolla o di un altro tipo di stabilizzazione per aumentare la loro resistenza strutturale. A seconda del modello realizzato, potrebbe essere necessario rimuovere le strutture di supporto: questo può essere fatto a mano con carta vetrata o con un liquido che scioglie i supporti.

Se l’ugello è intasato, è possibile sbloccarlo spingendo manualmente un po’ di filamento attraverso l’elemento riscaldante. Se non funziona, provare a usare un ago. In casi estremi è necessario smontare la testina di stampa per pulirla. Alcuni modelli vengono forniti con filamenti di pulizia per assicurarsi che non rimangano residui.

Quando si tratta di pulire il letto di stampa, assicurarsi di utilizzare solo detergenti speciali, altrimenti si rischia di distruggere il delicato rivestimento adesivo.

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