La stampa 3D è in grado di tradurre un modello virtuale creato con CAD in oggetti fisici tridimensionali. L’oggetto viene creato strato su strato con tecnologie produttive che possono variare, dall’estrusione all’iniezione, dalla fotopolimerizzazione alla fusione di letti di polvere, etc. Per costruire il pezzo finito, non si elimina materiale dal bulk iniziale, né si impiega uno stampo in cui si inietta materiale, ma lo si aggiunge, localmente.

Un modello virtuale CAD viene creato in modo che ogni singolo elemento del volume totale sia definito. Da tale modello deriva poi un file .Stl (Surface Triangulation Language), cioè un formato riconosciuto dalla stampante, dove l'oggetto da stampare è rappresentato mediante una serie di triangoli, ripetuti lungo le coordinate X, Y e Z. Un software provvede poi a tagliare "in strati" il file .Stl, di modo da inviare alla macchina l'input opportuno per costruire il manufatto d'interesse.

I materiali impiegati spaziano da quelli polimerici ai metalli, dai materiali ceramici ai compositi. Alcuni esempi:

POLIMERI: termoplastici, termosets, elastomeri, idrogeli, tecnopolimeri, blends polimerici e compositi a matrice polimerica;

METALLI: bronzo, ottone, rame, alluminio e acciaio inossidabile;

CERAMICI: formulazioni fotopolimerizzabili a base di monomeri mono/multifunzionali, contenenti una fase ceramica;

COMPOSITI: matrice poliammide-rinforzo fibre di vetro/carbonio, oppure matrice acciaio inox SS 316L - rinforzo particelle di zirconia;

Un processo di stampa 3D può avere essenzialmente due scopi:

• La realizzazione di prototipi (prototipazione rapida)

In origine, le tecnologie di stampa additiva erano applicate alla costruzione di prototipi, in quanto

1. Hanno eliminato la necessità di costruire stampi, consentendo di realizzare prototipi in tempi molto più brevi e con costi decisamente più contenuti.
2. Hanno introdotto la possibilità di realizzare forme complesse non immaginabili con tecnologie tradizionali: se si progetta, ad esempio, un orologio a cucù e lo si stampa con stampa 3D additiva, il pezzo finito contiene tutte le componenti che gli consentono di funzionare.

• La produzione industriale

1. In questo caso, ci si riferisce ad una produzione su larga scala ed esistono molti fattori che concorrono alla fattibilità del processo.

 Vantaggi:

I vantaggi offerti dalla stampa 3D rispetto alle tradizionali tecniche di stampaggio, per esempio quello ad iniezione, sono diversi:

• L’eliminazione della necessità di impiegare uno stampo e la semplificazione del processo globale;
• La produzione decentralizzata di oggetti personalizzati su richiesta, grazie alla trasmissione ed al recupero di informazioni via Internet;
• La possibilità di realizzare oggetti dalle geometrie molto complesse o con componenti di materiale differente, anche a bassa densità e contemporaneamente resistenti;
• La riduzione dello spreco di materiale rispetto alle tecniche di produzione sottrattiva, in cui si esegue una rimozione progressiva del materiale dal bulk originario.

Prospettive future:

Le sfide principali per la stampa 3D si riferiscono a:

Velocità di produzione: per quanto denominata prototipazione rapida, e nonostante i tempi di design del prodotto risultino effettivamente ottimizzati, la stampa 3D non sostituisce lo stampaggio ad iniezione tradizionale per produzioni su larga scala.

Proprietà meccaniche del prodotto finito: le proprietà meccaniche di un prodotto stampato con additive manufacturing possono differire rispetto a quelle di un prodotto tradizionale e devono essere talvolta rivalutate: se in alcuni casi la stampa 3D consente la produzione di manufatti non progettabili con stampa a iniezione, d'altro canto il modo in cui questo è costruito (ad esempio layer-by-layer) e gli eventuali limiti sui materiali utilizzabili, possono riflettersi in caratteristiche di tipo meccanico differenti.

Risoluzione finale; la deposizione strato-su-strato del materiale porta alla formazione di rugosità superficiale, derivata da un effetto a gradini dovuto alla deposizione stratificata del materiale, che quindi può richiedere post-trattamenti. La prototipazione rapida permette di ottenere forme altamente complesse ma dalla superficie irregolare, che va quindi trattata (ad esempio con coatings, solventi, sabbiatura o fresatura). La rimozione poi del supporto, quando presente, può apportare ulteriori danni al prodotto finito.

Produzione di componenti multi-materiale: l’impiego di componenti fatti con materiali diversi e colori diversi è interessante dal punto di vista estetico ed a scopo dimostrativo. In alcuni casi (ad esempio mediante la tecnica di fotopolimerizzazione), l’unico modo di realizzare tale obiettivo è quello di trasferire l’oggetto da una macchina all’altra durante la produzione. Altre tecniche, ad esempio qulle basate sull’estrusione (FDM), il material/binder jetting, sono più adatte in quanto il cambio di materiale è facilitato dal fatto che si sfruttano ugelli che permettono di lavorare contemporaneamente con materiali diversi tra loro.

Biocompatibilità: uno degli scopi più promettenti per la stampa 3D è il settore biomedicale, dove la personalizzazione è fondamentale, per interventi chirurgici, per impianti odontoiatrici, per protesi, e così via. Il PLA, ovvero uno dei polimeri maggiormente impiegati a tale scopo, esibisce scarse proprietà meccaniche, mentre gli acrilati, meccanicamente più prestanti, sono citotossici, e andrebbero sostituiti da metacrilati meno reattivi e più biocompatibili, oppure da tiol-eni. Critica è l’ottimizzazione di tali materiali e l’ottenimento del giusto compromesso per un buon prodotto resistente e biocompatibile.

Nuovi materiali e prodotti multi-componente: in termini di prospettive future, la direzione è quella di puntare su nuovi materiali fino ad ora non impiegati nella stampa 3D, come leghe tecnologicamente avanzate. Inoltre, è necessario ottimizzare i processi per la produzione multi-materiale. Lo step successivo, sarà quello di passare dall’inserimento di un materiale diverso, o di un colore diverso, all’inserimento di unità funzionali, come elementi conduttivi o sensori in una matrice polimerica, apportando quindi una vera e propria modifica funzionale al manufatto finale.

Caratterizzazione di materiali stampati in 3D in RDLAB137

Da quanto sopra descritto, si comprende come, per caratterizzare i materiali e gli oggetti prodotti con manifattura additiva, siano necessari percorsi specifici che contemplino le peculiarità di tali prodotti.

Con queste finalità, RDLab137 si è da tempo dotata di una stampante 3D per lo studio dei materiali e si mantiene in costante aggiornamento sul tema della manifattura additiva.

È possibile condurre prove meccaniche, in modo da quantificare l’impatto che hanno l’anisotropia del materiale stampato, insieme agli stress accumulati all’interfaccia tra strati adiacenti, sul prodotto finale.

L’effetto a gradini sulla superficie può essere facilmente osservato mediante SEM (Scanning Electron Microscopy), in modo da controllare sia la rugosità superficiale, sia un’eventuale separazione di fase in caso di matrici additivate.

Secondo alcuni studi, variando il colore di un filamento di PLA, la percentuale di cristallinità del prodotto finito cambia. Inoltre, la relazione tra percentuale di cristallinità e temperatura di estrusione, e anche tra cristallinità e proprietà meccaniche, può essere determinata in laboratorio. Analisi termiche DSC, prove meccaniche, misure di ritiro volumetrico e microscopia elettronica rientrano tra le proposte di RDLab137 per un’analisi accurata.

Misure reologiche per determinare la viscosità di un materiale sono fondamentali, perché da essa dipendono la scelta della tecnica produttiva di stampaggio 3D e la finestra termica di lavorabilità e stampaggio del materiale. Un reometro capillare per esempio, consente di effettuare tale misura.

Per concludere, un riepilogo sulle proprietà di alcuni dei materiali polimerici comunemente più usati nella stampa 3D:

Martina Gardinetti & Maurizio Veronelli