Sin dalla sua creazione, a metà degli anni ottanta, la stampa 3D è stata in costante e rapida evoluzione. Nel corso degli anni, numerose tecnologie si sono affacciate sul mercato; per spiegare come funziona una stampante 3D mi concentrerò sulla tecnologia più diffusa: quella a filamento, nota anche come FDM (Fused Deposition Modeling) also sometimes referred as FFF (Fused Filament Fabrication).
- Le componenti di una stampante 3D
- Funzionamento di una stampante 3D: i vari passi
- Altri tipi di stampante:
Le componenti di una stampante 3D
Il telaio
Il telaio è una delle parti più importanti di una stampante 3D, dal momento che deve assicurare la rigidità della stessa. Può essere realizzato in metallo, lamiera o alluminio e deve resistere a tutte le sollecitazioni generate dalle varie componenti della stampante. La sua progettazione deve essere molto accurata per non inficiare sulla precisione o sulla velocità di stampa.
La testina di stampa
E’ il cuore della stampante; muovendosi sui tre assi, questo è il componente che crea l’oggetto durante la stampa. Il filamento entra in forma solida nella parte superiore della testa di stampa per essere riscaldato, liquefatto ed estruso dalla parte inferiore. La testina di stampa è composta da:
- un sensore di presenza filamento (opzionale)
- un estrusore che controlla il movimento del filamento da estrudere (velocità e lunghezza) in modo preciso tramite un motore stepper.
- un hotend, che riscalda il filamento e, tramite un ugello di misura variabile, deposita il materiale sulla superficie di stampa.
La superficie di stampa:
La superficie di stampa è composta da due parti: un elemento riscaldante e il piatto di stampa, dove viene depositato il materiale; quest’ultimo è solitamente realizzato in metallo, vetro o materiali compositi ed è rimuovibile. Il riscaldamento è necessario per consentire l’adesione dei primi strati della stampa, con temperature che variano a seconda del materiale utilizzato. Solitamente il piatto di stampa ha anche dei sistemi per regolarne il livellamento manualmente, anche se sono sempre più le stampanti che hanno sistemi di livellamento automatico integrato.
I 3 assi in una stampante cartesiana
La posizione della testina di stampa nello spazio è definita dalle coordinate dei tre assi: (X, Y e Z):
- L’asse X definisce il movimento nella larghezza, (destra/sinistra) della testina di stampa, questa è mossa da un motore stepper, utilizza due binari per una maggiore stabilità e ha un sensore di fine corsa per definire il punto zero.
- L’asse Y definisce il movimento nella profondità (avanti/indietro) della testina di stampa. Anche in questo caso è solitamente mossa da un motore stepper, su due binari e anche in questo caso è presente un sensore di fine corsa.
- L’asse Z defisce il movimento della testa di stampa nell’altezza. A differenza degli altri due assi, in questo caso il punto zero non viene definito da un sensore di fine corsa ma deve essere fissato manualmente o tramite sensori di livellamento automatico.
L’elettronica
E’ il vero e proprio “cervello” della stampante, che deve coordinare tutte le attività come:
- Leggere ed interpretare i codici di stampa ricevuti, sia via rete che via scheda SD.
- Calcolare i movimenti della testa di stampa, azionando i vari motori stepper e analizzandone il funzionamento
- Controllare e modulare le varie temperature di stampa tramite gli elementi riscaldanti di testina e superficie.
- Interpretare i vari segnali e mostrarli sullo schermo LCD sotto forma di informazioni per l’utente.
L’alimentatore
Come in ogni apparecchio elettronico, è compito dell’alimentatore convertire l’energia elettrica della rete e fornire ad ogni elemento della stampante il giusto voltaggio ed amperaggio per il corretto funzionamento.
I vari tipi di filamento
Quello dei filamenti per la stampa 3D è un mondo che viene aggiornato continuamente con nuovi materiali sempre più performanti. Tra i più comuni (e più utilizzati) possiamo trovare:
- PLA (Acido Polilattico o Polilattato): è uno dei materiali più utilizzati, per la sua estrema facilità di utilizzo e prezzo contenuto. E’ derivato principalmente dall’amido di mais, generalmente adatto al contatto col cibo ed è facilmente biodegradabile e compostabile. E’ disponibile in un’ampia gamma di colori ed è utilizzato in applicazioni industriali, mediche e decorative.
- PET/PETG (Polietilene Tereftalato/Polietilene Tereftalato Glicolico): Un materiale utilizzato per la sua solidità e generale resistenza agli agenti chimici e all’abrasione. Solitamente viene utilizzato in maniera maggiore il PETG, visto che il trattamento glicolico conferisce al PET ulteriore rigidità. Non è biodegradabile ma è facilmente riciclabile.
- ABS (Acrilonitrile Butadiene Stirene): insieme al PLA è uno dei materiali utilizzati da più tempo. E’ molto utilizzato perché, rispetto a PETG e PLA, ha una maggiore resistenza fisica, chimica e agli agenti atmosferici. Necessità però di una stampante a camera chiusa a causa della maggiore tendenza al fenomento del warping (deformazione durante il raffreddamento) e al possibile rilascio di fumi tossici durante il riscaldamento. Per stampare in ABS, inoltre, è obbligatorio avere un piatto di stampa riscaldato.
Funzionamento di una stampante 3D: i vari passi
Il filamento entra nella testina di stampa:
Che sia PLA, PETG o ABS, il processo è lo stesso: il filamento solido, avvolto in rotoli, deve essere inserito correttamente negli ingranaggi della testina di stampa. Se è presente un sensore di filamento, questo “farà sapere” alla stampante che può procedere con la stampa e il riscaldamento.
Movimento della testina di stampa (e/o del piatto).
La stampa 3D FDM si ottiene depositando materiale su livelli successivi fino a creare l’oggetto desiderato. Nelle stampanti cartesiane solitamente la testina di stampa si muove lungo l’asse X e Z (larghezza ed altezza( mentre il piatto di stampa segue l’asse Y (profondità). Ogni movimento e la relativa velocità di spostamento è coordinato dall’elettronica della stampante, che invia ai motori le relative istruzioni. Questo vale per ogni livello, fino al completamento dell’oggetto.
Estrusione del Filamento Filament extrusion
L’estrusore è uno degli elementi più importanti in una stampante 3D, dal momento che si occupa della quantità di materiale da deporre, una volta liquefatto, sul piatto.
Ci sono due tipi di estrusore:
- Direct Drive: l’estrusore è montato direttamente sulla testa di stampa e si muove con essa. Tra i vantaggi ci sono un’ottima precisione di stampa, in particolare sui filamenti molto flessibili; tra gli svantaggi, l’incremento del peso della testina, che limita la velocità di stampa.
- Estrusore di tipo Bowden: in questo caso l’estrusore non è fissato alla testa di stampa ma è solitamente fissato al telaio. Il filamento viene quindi “spinto” verso l’hotend compiendo un tragitto più o meno lungo (a seconda del modello) prima di essere liquefatto. La testa di stampa è quindi più leggera e può muoversi a velocità più alte, mantenendo una precisione accettabile ma le sollecitazioni sul filamento tra estrusore ed hotend hanno una maggiore probabilità di causare problemi di stampa.
Una volta che il filamento raggiunge l’hotend, questi viene sciolto da un heating-block, la cui temperatura è regolata in maniera molto precisa dall’elettronica di stampa e varia a seconda dei materiali e del tipo di oggetto da stampare. Infine, il filamento raggiunge l’ugello di stampa, dal diametro e materiale variabile, a seconda delle varie applicazioni, e viene depositato sul piatto di stampa. Questo procedimento viene ripetuto per ogni livello.
Altri tipi di stampante:
- Delta: in questa configurazione la testa di stampa è controllata da tre paia di barre, posizionate a triangolo; la Monster Kossel che propongo utilizza questa tecnologia.
- Polar: La superficie di stampa si muove e ruota attorno ad un asse. L’effetto 3D viene ottenuto dalla testa di stampa che si muove verticalmente.
- Core XY: In una stampante core-XY la testa di stampa si muove lungo gli assi X e Y (larghezza e profondità) ma non in altezza; al completamento di ogni livello, la superficie di stampa si abbassa. Di solito questa tipologia di stampa è associata ad un estrusore di tipo bowden, per ottenere una velocità di stampa molto elevata.
- Stampante a cinghia: in questo caso l’asse Z è praticamente infinito, visto che i livelli vengono stampati su un tappeto rotante. Molto utile quando si devono stampare pezzi dalle dimensioni contenute negli assi X e Y ma molto lunghi sull’asse Z.
Come abbiamo visto, la stampa 3D comprende un numero molto ampio di combinazioni di tecnologia e materiali, ognuna con le proprie applicazioni; all’inizio potrebbe non essere facile capire quale sia la migliore soluzione alle proprie esigenze. In questo caso, sono a disposizione e vi invito a contattarmi per ogni domanda.