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Stampa 3D a filamenti – Cos’è e Come funziona?

Filamenti-materiali-Stampa-3D

La scelta della giusta stampante 3D spesso porta con se una serie infinita di dubbi e questioni, a maggior ragione se ci si approccia a questo mondo per la prima volta. Certo ci sono delle caratteristiche generali che possono aiutare nella decisione, le stampanti a resina ad esempio producono oggetti più lisci ed esteticamente piacevoli, quelle a filo invece vengono spesso descritte come le più semplici da utilizzare ma, come spesso accade, la verità sta nel mezzo.
Non esiste un tipo di stampante perfetto, ma esiste il tipo più adatto a seconda dell’obiettivo che si vuole raggiungere.
In questo articolo ci concentreremo prevalentemente sulle stampanti a filo e sulle differenti tipologie di filamenti disponibili, gli obiettivi per i quali sono stati pensati, i loro punti di forza e di debolezza, cercando di dare un quadro completo a chi volesse approfondire ulteriormente questa incredibile tecnologia.

Processo-Stampa-3D-Filamenti-Schema

Stampanti FDM / FFF: Come funzionano?

Le stampanti 3D a filamento sono senza ombra di dubbio le più semplici da utilizzare e le più comode da avere in casa. Rappresentano quindi la scelta ideale nel caso si voglia acquistare una prima stampante per approcciarsi all’utilizzo di questa tecnologia per la prima volta.
La stampa avviene tramite tecnologia FDM (Fused Deposition Model) o FFF (Fusament Filament Fabrication). Le differenze tra i due acronimi sono semplicemente di nomenclatura, in quanto la tecnologia FDM è di proprietà di Stratasys e coperta da copyright mentre la FFF è una sua fedele riproduzione open source. Questo processo utilizza filamenti di plastica polimerici sottoposti a un processo di fusione ed estrusione per andare a finire sul piatto di lavoro tramite lo schema di progettazione preimpostato, un modello 3D dell’oggetto da riprodurre diviso in sezioni per facilitarne la composizione stratificata.  Ad ogni strato concluso, l’asse z della stampante si alza e prosegue nel depositare i successivi filamenti fino alla realizzazione dell’oggetto completo.

Il materiale appena uscito dall’estrusore si solidifica immediatamente legandosi al layer di materiale sottostante e andando quindi a formare un’unica struttura. Gli oggetti creati con questa procedura manifestano ottime proprietà meccaniche e sono particolarmente adatti come prototipi o in applicazioni manifatturiere.

Queste apparecchiature, una volta calibrate a dovere, permettono di ottenere ottimi risultati e variano in configurazione a seconda del materiale utilizzato per la stampa. Ad esempio le stampanti a PLA possono essere aperte mentre quelle che utilizzano l’ABS devono necessariamente essere chiuse poiché i fumi risultanti dal processo di stampa sono nocivi.

Quali sono i Pro e i Contro?

+  L’attrezzatura, se confrontata con altri macchinari del settore, ha un costo di acquisto molto ridotto particolarmente adatto soprattutto per chi vuole incominciare ad approcciarsi al mondo della stampa 3D.

+  É una delle stampanti più semplici da usare, non richiede accertamenti particolari al di là del settaggio iniziale.

+  I filamenti di base hanno costi relativamente contenuti, rendendoli il prodotto ideale per chi è agli inizi o semplicemente vuole sperimentare nuove tecniche/materiali di produzione.

+  La qualità di stampa è molto buona (risoluzione di stampa solitamente compresa tra i 250 e i 50 micron) soprattutto considerando il prezzo contenuto di materiali, macchinario e la semplicità di utilizzo dello stesso.

   L’unico vero inconveniente può essere dovuto alla necessità di un ambiente controllato per l’immagazzinamento dei filamenti in quanto l’ambiente di stampa deve essere controllato in termini di temperatura e tasso di umidità. Questo piccolo problema può però essere facilmente evitato a monte, optando per una conservazione sottovuoto dei materiali necessari alla produzione.

Applicazioni-Stampa-3D-Filamenti

Quali sono i materiali più indicati per queste tecnologie di stampa?

Questo tipo di processo vede, come anticipato, nella velocità di stampa e nella economicità dei materiali i suoi principali punti di forza. Infatti grazie a queste caratteristiche può essere sicuramente un tipo di lavorazione consigliata in progetti di ricerca (ad esempio per sperimentare diverse soluzioni di realizzazione), prototipazione e modellismo. La vera possibilità rivoluzionaria, è  però offerta non dalla sua velocità o semplicità di utilizzo, bensì dall’immensa varietà di materiali con cui è possibile stampare oggetti e prototipi; infatti grazie all’evoluzione della tecnologia negli anni, sono stati migliorati i materiali già utilizzati, ma anche introdotti una serie di filamenti “esotici” ampliando il ventaglio di possibilità di questa rivoluzionario sistema di produzione.

  • ABS: Questo materiale (Acrilonite-butadiene-stirene) è un termopolimero incredibilmente diffuso per via della sua leggerezza e rigidità, pur essendo economico possiede ottime proprietà meccaniche, rivelandosi incredibilmente utile per la manifattura rapida. Non risente sensibilmente dell’umidità e può essere usato in un range di temperature compreso tra i -20° e gli 80° risentendo però degli agenti atmosferici e rendendosi dunque inadatto alla produzione di oggetti “esterni”.
  • PLA: L’acido polilattico è un materiale tra i più diffusi ed utilizzati per la stampa 3D ed essendo molto economico e biodegradabile è tra i più indicati per impararne i principi. Essendo rigido, abbastanza resistente e naturalmente trasparente, viene utilizzato spesso per uso domestico ed alimentare. Tuttavia, a causa della bassa temperatura di fusione, si rivela inadatto a molte applicazioni poiché dopo solo qualche ora sotto il sole gli oggetti creati tendono ad ammorbidirsi e deformarsi.
  • Ultem: Questo innovativo materiale offre proprietà termiche, meccaniche e chimiche di alto livello (è infatti il materiale più adatto alle applicazioni industriali e all’ingegnerizzazione di prodotti)  grazie all’elevato rapporto peso-resistenza ed alla sua caratteristica biocompatibilità si rivela una termoplastica ideale per applicazioni nel settore aerospaziale, automotive, medicale ed alimentare.
  • Filamenti esotici: Grazie al continuo utilizzo ed al conseguente sviluppo di questa nuova tecnologia, è stata riservata una grande attenzione alle innovazioni in termini di nuovi materiali e possibilità di produzione. Uno degli sviluppi più interessanti in ambito estetico e funzionale è stata la creazione di filamenti modificati intrecciati con materiali in grado di garantire nuove caratteristiche e proprietà alle termoplastiche già presenti sul mercato. Stonefill ad esempio, è un filamento di PLA riempito gravimetricamente per il 50% di pietra in polvere. Questa sua caratteristica, oltre ad accentuare la resa estetica dell’oggetto stampabile, gli conferisce una densità del 37% superiore al PLA “normale”. PLA Wood è invece, come possiamo intuire dal nome, una termoplastica caricata a legno. Le caratteristiche principali di questo materiale sono più organolettiche che funzionali, odora di legno durante la stampa, ha un ottima finitura e ricorda in tutto e per tutto del vero legno, a parte ovviamente le caratteristiche venature, impossibili da replicare. Essendo un materiale semi organico è tuttavia meno resistente, molto più sensibile a cambiamenti di temperatura ed umidità (anche minimi) e generalmente meno pratico in fase di stampa. Grazie a queste proprietà particolari esso è infatti un tipo di materiale più indicato per la realizzazione di dettagli estetici e particolari finiture (architettura e oggetti di design) che non per motivi funzionali e pratici.