In questo articolo andremo ad analizzare le stampanti 3D più commercializzate e vendute, ovvero quelle a filamento (FDM).
Cos’è la stampa FDM?
La fabbricazione additiva FDM è un processo di stampa particolarmente economica che consente di realizzare in un solo pezzo oggetti di dimensioni notevoli e di geometria complessa a costi contenuti, caratterizzati da un’ottima resistenza chimica, termica e meccanica.
La fabbricazione additiva FDM produce oggetti depositando una serie di strati di materiale che vengono scaldati fino al punto di fusione e depositati su un piano fino a formare l’oggetto finale.
La fabbricazione additiva FDM è una tecnologia comunemente utilizzata per la creazione di prototipi, modelli e per diverse applicazioni industriali. Questa tecnologia è stata sviluppata da S.Scott Crump alla fine degli anni ’80 e in seguito commercializzata nel 1990 (https://en.wikipedia.org/wiki/S._Scott_Crump).
Perché scegliere una stampante FDM?
È una tecnologia di stampa semplice da utilizzare e ideale per la creazione di geometrie complesse e cavità che sarebbero problematiche da utilizzare con altre tecnologie.
A suo favore inoltre, il prezzo, si possono infatti trovare ottime stampanti in termini di risoluzione e qualità del pezzo finale sotto i 500 euro.
Principio di funzionamento di una stampante FDM
Un filo di plastica o di metallo viene srotolato da una bobina collegata direttamente ad un ugello di estrusione che può muoversi sul piano orizzontale e verticale grazie ad un meccanismo di controllo numerico.
L’ugello viene settato ad una temperatura prestabilita a seconda del materiale utilizzato. Una volta raggiunto l’ugello, il filamento andrà incontro a fusione e solo successivamente verrà depositato sul piatto di stampa sotto forma di piccole perle di materiale termoplastico.
Dopo l’estrusione dall’ugello il materiale fuso si raffredda e solidifica uno strato alla volta, dal basso verso l’alto, fino alla completa formazione dell’oggetto.
In seguito vengono rimossi i supporti dalle parti stampate.
Illustrazione principio funzionamento stampante FDM (www.informatica37.it).
I vari strati di materiale sono raffreddati da una ventola di raffreddamento, che può essere settata a diverse velocità in base al tipo di materiale che si sta utilizzando per la realizzazione del pezzo. Le impostazioni riguardanti il comportamento di tale ventola nelle diverse fasi di lavorazione vengono impostate nella fase di slicing.
In seguito vengono rimossi i supporti dalle parti stampate.
Steps da seguire per la fabbricazione del prototipo
Qui di seguito vengono elencati i diversi passaggi necessari per la produzione dell’oggetto:
Costruzione del modello tridimensionale dell’oggetto tramite CAD 3D
Slicing del modello nei vari strati che lo costituiscono
Generazione del corrispondente file GCODE per la stampante 3D
Stampa dell’oggetto: In questo passaggio è fondamentale incorporare strutture di supporto per la realizzazione di pezzi con geometrie complesse, infatti un mancato utilizzo degli stessi potrebbe causare un collasso della struttura con conseguente fallimento della realizzazione dell’oggetto.
Rimozione del supporto: l’utente rimuove il materiale di supporto e la parte è pronta per essere utilizzata.
''Schematizzazione passaggi da seguire per la fabbricazione del prototipo ''
Materiali e Applicazioni
Prima di procedere con l’acquisto di una stampante a filamento è necessario domandarsi quale sia il materiale che verrà utilizzato per la realizzazione dell’oggetto. Infatti, in base al materiale scelto, è fondamentale riflettere sui seguenti punti:
L’ugello può raggiungere la temperatura di estrusione richiesta dal materiale?
Qual è la temperatura richiesta dal piatto di stampa per far aderire il materiale? Per facilitare la scelta del materiale, qui di seguito sono elencati i principali materiali utilizzabili con questa tecnologia di stampa. Ciascuno di essi presenta specifiche proprietà termiche e resistenze che è bene tenere in considerazione nella fase di progettazione dell’ oggetto. Per una guida completa dei materiali utilizzabili consultare il sito https://www.easymake3d.it/filamenti/.
PLA (Acido polilattico) - Materiale economico e biodegradabile
Il PLA è il filamento maggiormente utilizzato nella stampa 3D a tecnologia FDM. È una bioplastica derivata da sostanze vegetali, completamente biodegradabile. Gli oggetti stampati in PLA sono caratterizzati da una buona rigidità e resistenza meccanica e risultano quindi idonei alla realizzazione di prototipi. Lo svantaggio di questo materiale è che a causa della biodegradabilità gli oggetti realizzati in PLA vanno incontro ad un precoce deterioramento causato dall’assorbimento dell’umidità e alla sensibilità ai raggi UV da parte del materiale. Per questo motivo è consigliabile l’utilizzo di questo materiale per la realizzazione di repliche anatomiche che non verranno a contatto con il paziente, ma che serviranno esclusivamente come studio clinico del paziente nel proprio laboratorio.
ABS (Acrilonitrile Butadiene Stirene)
L’ ABS è una termoplastica non biodegradabile derivata dal petrolio, particolarmente robusta e resistente agli urti. Presenta buone proprietà meccaniche, è meno fragile del PLA. Gli oggetti costruiti con tale materiale conservano le proprietà meccaniche originarie in un ampio range di temperature (-20°C ÷ +80°C), non risentono dell’umidità e possono essere variamente colorati. Il contro di questo materiale è che durante la stampa gli oggetti realizzati tendono a deformarsi. Per far fronte a questo problema e garantire una maggiore resistenza meccanica è stato creato l’ ABS +.
TPU (Poliuretano termoplastico)
Il TPU essendo un materiale termoplastico, è in grado di reagire con il calore ammorbidendosi, consentendo quindi la modellazione (anche ripetuta) per la realizzazione di prodotti finiti. È un materiale dotato di una notevole flessibilità, resistente all’abrasione e agli urti, elastico e capace di deformarsi senza perdere la forma originaria. Caratteristica importante del materiale è la sua atossicità una volta stampato.
Infatti è utilizzato in ambito biomedico per la realizzazione di cerotti transdermici, cateteri, protesi mammarie e vasi sanguigni di cuori artificiali.(http://www.ipcb.cnr.it/index.php/it/ricerca/materiali-innovativi/266-poliuretani-termoplastici).
PC (Policarbonato)
Il PC è un polimero termoplastico, caratterizzato da una certa flessibilità e resistenza termica. Inoltre, risulta essere resistente agli urti e una volta stampato va incontro ad un basso ritiro dimensionale. È uno dei materiali più duri e resistenti attualmente in commercio, ed è particolarmente indicato per la stampa di oggetti complessi. Il contro è che essendo un materiale igroscopico, i suoi filamenti devono essere accuratamente conservati al riparo dell’umidità.
Temperature richieste
Nella tabella seguente sono riportate le temperature dell’ugello e del piatto di stampa consigliate per la realizzazione degli oggetti con i materiali precedentemente descritti.
Nel prossimo articolo andremo a trattare 5 stampanti FDM interessanti dal nostro punto di vista.
PER MAGGIORI INFORMAZIONI O CHIARIMENTI:
Dott.ssa Giada Violo, Ingegnere Biomedico.
Laureata in Ingegneria Biomedica presso il Politecnico di Torino e specializzata in Rehabilitation engineering and Biomaterials presso l’Università degli studi Genova. Il confronto costruttivo e multidisciplinare mi ha spinta ad intraprendere percorsi importanti durante la mia carriera universitaria, ovvero il tirocinio della laurea triennale presso il Centro traumatologico Ortopedico di Torino (CTO) e successivamente il tirocinio della laurea specialistica presso l’Università Tecnica della Danimarca, DTU, della durata di sei mesi.
Attualmente sono coinvolta in una collaborazione di ricerca presso l’Università Sigma Clermont, in Clermont Ferrand (Francia), dove mi occupo dell’ottimizzazione dal punto di vista ingegneristico di un fotoreattore utilizzato per la produzione di Idrogeno.
Contatti: giada.violo@gmail.com - +39 320 9286988
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