Il punto di forza della stampa 3D risiede nella sua versatilità la quale ha fatto sì che venisse adottata in numerosi ambiti sia industriali, di ricerca, educativi ed amatoriali sotto svariate forme più o meno avanzate. Poiché è una tecnologia di manifattura di tipo additivo, la complessità dell’oggetto da stampare non aggiunge costi e scarti supplementari come accade in altri metodi di produzione come quelli sottrattivi (es. la fresatura). Inoltre, la varietà dei materiali utilizzabili per la stampa 3D sono molteplici: dalle plastiche ai metalli, le resine e al cemento per citarne solo alcuni. Le dimensioni di stampa variano da oggetti molto piccoli ed estremamente dettagliati come i gioielli a oggetti funzionali di media dimensione fino ad arrivare a edifici ed elementi costruttivi in malte cementizie per opere di ingegneria civile.
Stampa 3D: definizioni ed utilizzi pratici
La stampa 3D è stata adottata inizialmente a livello industriale per la prototipazione rapida di nuovi prodotti, per la fabbricazione di artefatti con forme impossibili da realizzare tramite tecniche sottrattive come, per esempio, nel settore aerospaziale e la produzione di stampe uniche personalizzate in ambito medico e dentale. Erede di una serie di tecniche di stampa e produzione sviluppatesi nel tempo, le prime stampanti 3D realizzate risalgono agli anni ottanta ed erano di tipo stereolitografico: tramite un fascio laser si innesca un processo di fotopolimerizzazione di resine liquide che si trasformano in una plastica dura.
Esistono diverse tipologie di stampanti 3D (a deposizione, polvere, resina, stampa a getto, ecc.) e ciò che le accomuna è la natura additiva del processo di realizzazione dell’oggetto stampato; il materiale è depositato/indurito/fuso uno strato alla volta andando a legarsi allo strato precedente. Questa lavorazione ripetitiva di aggiunta del materiale a strati crea un volume e una forma che rappresenta l’oggetto finale. Questo processo è completamente digitale, ovvero l’oggetto di partenza è un file tridimensionale generato dal computer tramite programmi di disegno CAD (computer aided design) o di modellazione parametrica o generativa. Il file è successivamente elaborato in un programma di “slicing” (dall’inglese affettare) il quale traduce il disegno tridimensionale digitale in istruzioni interpretabili dalla macchina, ovvero la posizione di ogni strato di materiale che la macchina dovrà estrudere e depositare per stampare l’oggetto finale.
Con il progetto open source RepRap, nel 2005 Adrian Bowyer all’Università di Bath (Inghilterra) si pose l’obiettivo di sviluppare una stampante 3D a basso costo che potesse stampare i pezzi necessari per creare altre stampanti identiche usando componenti facilmente reperibili. Grazie al fatto che in quegli anni scaddero i brevetti legati alla stampa 3D, questo assieme ad altri progetti hanno reso la stampa 3D finalmente disponibile al grande pubblico per i prezzi assolutamente raggiungibili e la facilità d’uso. Oggi per qualche centinaia di franchi è possibile acquistarne una a filamento (FDM, fused deposition modeling).
I materiali, i processi, le tecniche e le applicazioni della stampa 3D sono oggi talmente ampi e variegati che non è possibile darne una restituzione completa ed esaustiva in un solo articolo. Per questo motivo saranno illustrati di seguito alcuni esempi di progetti pratici realizzati al Laboratorio di fabbricazione digitale FabLab del Dipartimento ambiente costruzioni e design DACD a Mendrisio in collaborazione con altri settori di ricerca del dipartimento della SUPSI.
La stampa 3D nella ricerca nel settore della costruzione, dell’architettura e del design: alcuni casi studio
Nell’ambito del progetto di ricerca “Scarti di cava per la produzione di conglomeratisostenibili e tecnologicamente innovativi” un gruppo di ricerca interdisciplinare della SUPSI che ha visto coinvolto un gruppo di ricerca interdisciplinare della SUPSI in collaborazione con il Politecnico Federale di Zurigo ha sperimentato l’uso della stampa 3D con aggregati di scarti di cava locali per valutare la fattibilità tecnica e le condizioni economiche per uno sviluppo della digital fabrication nel settore dell’edilizia ticinese.
Figura 1 – I disegni schematici mostrano le tre tecniche di stampa 3D esplorate nel progetto
1) stampa 3D a estrusione di malte cementizie (Fused Deposition Modelling),
2) stampa a reazione di geopolimeri (Powder Bed Binder Jetting) e
3) stampa del cassero con polimero plastico o silicone e getto di silicone.
La stampa a estrusione di malta cementizia ha il potenziale per rivoluzionare il mondo dell’edilizia e attualmente vengono già stampati edifici, ma allo stato dell’arte della tecnica questa tecnologia necessita di un ingente investimento di capitale e di risorse umane. Per essere pienamente adottata, essa necessita di un drastico cambio di mentalità da parte di tutti gli attori nel mondo dell’edilizia perché va a stravolgere il modo tradizionale di costruire.
La stampa a reazione di geopolimeri (binder jetting, figura 1 schema 2) è una tecnica agli albori la cui commercializzazione è vincolata da incertezze legate al materiale, alla performance della stampante e al costo dell’elemento stampato (il costo del geopolimero è di 4-5 volte superiore ai tradizionali cementi). Rispetto alla tecnica a estrusione, questa stampante permette più libertà nelle geometrie e soprattutto durante la stampa non ha criticità reologiche, il che semplifica il funzionamento della stampante e la sua manovrabilità da parte dell’operatore. Inoltre, il geopolimero non emette CO2, il che lo rende particolarmente sostenibile da un punto di vista ambientale. Nonostante ciò, si intravvede un potenziale di business nell’ambito della produzioni di elementi di facciata altamente personalizzati.
La stampa del cassero con polimeri plastici rPLA e getto della malta cementizia è una tecnica che può essere implementata per la produzione ripetuta di piccoli elementi (<1m). Dalla ricerca emerge che gli attori del settore della costruzione potrebbero integrarla con un investimento minimo, ma l’utilizzo di resine plastiche comporterebbe la creazione di scarti tossici e, per questo, non è sostenibile per l’ambiente.
Figura 2 – Stampa a reazione del geopolimero (Powder Bed Binder Jetting) con scarti di
cava locali per elementi di facciata altamente personalizzabili realizzati con un prototipo di stampante sviluppato dal
D-BAUG e dal dbt del Politecnico federale di Zurigo (dettagli sotto
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/588/4/042056).
Figura 3 – Partendo dalla stampa 3D in PLA (Polylactic Acid) dell’oggetto finale è stato
realizzato il negativo in silicone che è stato usato in seguito per colare delle malte
cementizie e realizzare un piccolo modello in scala di un elemento di studio per il
contenimento e correzione fluviale.
Figura 4 – Lo stesso modello è stato realizzato in modo differente stampando in 3D
direttamente il cassero usato per colare il cemento che è stato in seguito disassemblato per liberare l’elemento solidificato.
Figura 5 – Varie fasi della progettazione del tetrapodo: (a) tetrapodo in forma digitale, (b)
rappresentazione in 3D del cassoro, (c) cassero stampato e fissato con barre e viti.
Dalla mappatura della filiera dello scarto di cava e dall’analisi economica si evince che l’attuale filiera può fornire aggregati di cava per conglomerati cementizi innovativi sfruttando il canale esistente dei frantumatori. I cavisti e i costruttori di prefabbricati sarebbero gli attori che potrebbero beneficiare maggiormente dello sviluppo di queste tecniche 3D.
Per i primi il prodotto stampato permette di valorizzare qualcosa che rappresenta un costo di smaltimento. Per i secondi, il processo di stampa potrebbe essere utilizzato per personalizzare interni ed esterni di edifici realizzati con elementi prefabbricati, diventando in questo modo più competitivi.
Stampa 3D a supporto di progetti didattici
Il secondo caso studio presenta un contesto applicativo molto originale: la produzione di parti per kit educativi. Il progetto si chiama TAC Tecnologia Ambiente e Competenze e punta a sviluppare un programma sperimentale di attività didattiche dedicato ai bambini delle scuole elementari per lo sviluppo di competenze legate all’utilizzo di particolari sensori nell’ambiente (umidità, temperatura, luminosità ambientale, rumore) connessi alla rete (IoT), la lettura dei dati e delle informazioni generate dai sensori (data literacy) e riflettere sui comportamenti del singolo cittadino entro un contesto collettivo e urbano.
Nell’ambito del progetto ne sono stati realizzati 45 dispositivi completi tramite stampa a filamento. La scelta di utilizzare la stampa 3D è stata spinta dalla necessità di integrare componenti elettronici e sensori anch’essi sviluppati internamente durante il progetto. Il bisogno era di effettuare modifiche al design e testare i diversi componenti del kit (interfaccia, design, interazione, sensorica, elettronica, ecc.) . Sono state sviluppate diverse prove e iterazioni sul prodotto e la stampa 3D ha permesso di svolgere queste prove velocemente.
Figure 6 – I kit sono stati stampati in filamento plastico ASA (Acrylonitrile Styrene Acrylate). Il modello 3D è stato realizzato per alloggiare i sensori ambientali, batteria, elettronica e un’antenna LoRa ed avere una chiara interfaccia utente intuitiva.
Figura 7 – Da sinistra a destra, l’evoluzione della soluzione tecnica e del design attraverso il quale è stata definita la versione “finale” (quella a destra). L’agilità della modellazione 3D combinata con la stampa 3D è estremamente versatile per il design del prodotto. Molteplici opzioni e soluzioni possono essere testate praticamente e validate o scartate in poco tempo per generare un “prodotto” il più funzionale possibile.
Video introduttivo alla stampa 3D
Il video seguente è stato realizzato dal Fablab SUPSI per le introduzioni alle abilitazioni all’uso della stampante 3D che viene condiviso con studenti, ricercatori e collaboratori per passare le conoscenze di base e il processo che sta dietro alla realizzazione di stampe 3D.
Per il video è stato scelto un linguaggio semplificato e non sempre scientificamente corretto, ma volutamente per poter passare i concetti di base a chi si avvicina al tema per la prima volta. Nel caso ci sia interesse del lettore di iniziare ad addentrarsi nella stampa 3D se ne invita caldamente la visione.
https://www.youtube.com/watch?v=v3rqBl6S4t0
Risorse disponibili online
Nell’ambito della stampa 3D esistono molti contenuti e risorse gratuite disponibili online, che sono stati creati dagli utenti del web, varie community e produttori. La condivisione di file 3D e risorse legate al tema fa parte della filosofia dell’open source che per buona parte è alla base di questa realtà.
Per concludere, di seguito alcune risorse online gratuite e alcune open source. La scelta delle risorse indicate è da considerarsi come un punto di inizio al tema, non è esaustiva ed è semplicemente basata sulla conoscenza personale diretta, ne esistono molte altre sicuramente altrettanto valide.
Collezioni di modelli 3D:
Thingiverse
https://www.thingiverse.com/
MyMiniFactory
https://www.myminifactory.com/
Prusa Prints
https://www.prusaprinters.org/prints
Terrain.Party, generatore di terreni 3D partendo dalle mappe di openstreetmap
https://terrain.party/
Geodati messi a disposizione dall’Ufficio Federale di topografia swisstopo
https://www.swisstopo.admin.ch/it/geodata.html
Programmi di modellazione 3D:
Tinkercad, modellazione 3D semplificata online
https://www.tinkercad.com/
Fusion360 per uso personale, modellazione parametrica
https://www.autodesk.com/products/fusion-360/personal
Blender, modellazione su mesh e rendering
https://www.blender.org/
OpenSCAD, modellazione parametrica tramite programmazione
https://openscad.org/
Autori: Marco Lurati, Serena Cangiano, Filippo L. Schenker, Samuel Antonietti, Victor Blazquez
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