Seminario sulle Stampanti 3D Autori : Fabio Bisi - INFN-BO Fiorenzo Degli Esposti - Ex INFN-BO

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1 Seminario sulle Stampanti 3D Autori : Fabio Bisi - INFN-BO Fiorenzo Degli Esposti - Ex INFN-BO 1

2 Stampanti 3D Concetti fondamentali Tipologia delle stampanti 3D Materiali Software Attivita amatoriali 2

3 3

4 Cos e la stampa 3D? Concetti fondamentali Per stampa 3D si intende la possibilita di costruire elementi solidi stampandoli con una tecnica analoga a quella utilizzata dalle stampanti a getto di inchiostro e comunque da macchine a deposizione di materiali. Attualmente per ottenere oggetti solidi si adottano 4 procedimenti : 1 - Fusione in stampi 2 - Estrusione con macchina 3 - Asportazione del materiale ( tornio, fresa ) 4 - Adduzione del materiale ( stampante 3D ) 4

5 La Fusione e l Estrusione per grandi quantita di oggetti sono tutt ora irraggiungibili dal punto di vista economico. Guardiamo invece le differenze, per piccoli volumi, tra la tecnica sottrattiva e quella additiva La tecnica sottrattiva richiede l uso di vari macchinari e passaggi di lavorazione ed inoltre comporta l asportazione e la perdita di materiali e quindi incide negativamente sul costo del lavorato finale La tecnica additiva, in genere usa una sola macchina, tipo le stampanti 3D e presenta il vantaggio di non comportare scarti in quanto deposita solo il materiale che serve. Quindi anche dal punto di vista economico l uso di questa tecnica e favorevole e cio ha suscitato il grande interesse di cui godono oggi le stampanti 3D 5

6 Tipologia delle stampanti 3D-1 Le tecnologie per la stampa 3D per addizione si differenziano in genere per i materiali impiegati e, soprattutto, per il modo di trattarli: per sinterizzazione tramite laser, per laminazione, per deposizione di materiali liquidi che vengono poi trattati con lampade a ultravioletti e così via. L impiego di una piuttosto che l altra è una scelta da valutare secondo una serie di parametri che sono molto variegati: la velocità di realizzazione del prototipo, costo finale, l investimento necessario per la stampante, la resistenza, le finiture dei materiali adottati e così via. Allo stato attuale non esiste una tecnologia che vada bene per ogni impiego, tanto che la maggior parte dei service che offrono la prototipazione rapida sono praticamente obbligati a dotarsi di almeno tre o quattro sistemi differenti 6

7 Tipologia delle stampanti 3D-2 In linea generale le tecniche di stampa 3D (anche se più correttamente bisognerebbe parlare semplicemente di tecniche di prototipazione rapida per addizione) si possono suddividere in tre filoni basati sulla materia prima di partenza: polvere, liquido, solido. 7

8 Tipologia delle stampanti 3D-3 Alla categoria delle stampanti a polvere appartengono quelle a un componente basate sulla sinterizzazione laser selettiva (SLS) e quelle che usano polveri e legante (3D Print). Sul fronte delle tecnologie a materiale liquido vi sono da una parte quelle che si basano sulla fotopolimerizzazione tramite lampade UV o raggi laser e dall altra quelle che stampano a getto (Multijet modeling e Drop on demand). Infine, i dispositivi per la stampa 3D che impiegano componenti di partenza allo stato solido si suddividono nei modelli che impiegano una tecnologia basata sull incollaggio (LOM Laminated Object Manufacturing) o sull estrusione (FDM Fused Deposition Modelling). 8

9 Materiali Polveri: Polveri metalliche, polimeri, termoplastici, ceramici Liquidi: Polimeri allo stato liquido. Solidi: Carta, Metallo, PLA, ABS, Nylon, etc.. 9

10 PP - PolyJet PP Plaster-based 3D Printing: Un metodo di stampa 3D consiste nell utilizzare una testina inkjet che stampa su un letto di polvere (gesso, amidi, resine) un legante, procedendo di strato in strato fino al completamento del modello. La stampante crea il modello uno strato alla volta, spargendo uno strato di polvere (gesso o resine) e stampando con il getto d inchiostro un legante nella sezione trasversale della parte. Il processo viene ripetuto finché non è stampato ogni strato. Questo metodo permette anche di realizzare sporgenze, infatti la polvere non raggiunta dal legante fa da supporto al modello, e in questo modo è possibile creare praticamente qualsiasi sottosquadro. È inoltre riconosciuto come il metodo più veloce. Tra i punti di forza di questa tecnologia citiamo la possibilità di realizzare prototipi in di forme molto complesse, l elevata precisione di stampa (± 0.1mm ogni dieci centimetri) e la velocità. I pezzi ottenuti hanno una resistenza inferiore a quelli realizzati con stereolitografia. 10

11 PP-PolyJet 11

12 SLS, Selective Laser Sintering È una tecnologia sviluppata dalla Darpa (Agenzia governativa del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti incaricata dello sviluppo di nuove tecnologie per uso militare). Tecnologie e licenze sono poi passate alla DTM Corporation e quindi alla 3D Systems. La SLS fa uso di un laser per sinterizzare (fondere) polveri termoplastiche o silicee. La macchina stende strato dopo strato le polveri su una tavola che si abbassa progressivamente. Il principale vantaggio di questa tecnologia sta nel fatto che si possono impiegare vari tipi di materie prime (anche in grado di restituire elevate rese meccaniche e termiche) e che non sono necessari supporti perché è la polvere non sinterizzata stessa che provvede a sostenere i piani superiori. 12

13 SLS, Selective Laser Sintering 13

14 DMLS, Direct metal laser sintering praticamente uguale alla già citata SLS, cambia solamente il materiale di stampa, infatti si riescono a stampare metalli. Gli oggetti sono costruiti strato dopo strato tramite la fusione laser locale di polveri di metallo con una granulometria molto fine, tale da permettere la costruzione con layer fino a 20 micron. Con questa tecnica si possono realizzare oggetti in molte leghe metalliche tra cui: Acciaio (GP1 17-4), Acciaio inossidabile (PH1), Cromocobalto (MP1), Alluminio (AlSi10Mg) e leghe di Titanio (Ti64 Grado 5). La tecnologia DMLS risulta estremamente innovativa e offre l opportunità di realizzare prototipi e parti direttamente in metallo, senza bisogno dello sviluppo di attrezzature e per essere testate e utilizzate in maniera funzionale. La possibilità di sviluppare componenti con un grado di precisione elevato e un livello di dettaglio accurato consentono di produrre parti anche per il settore orafo, favorendo post-lavorazioni sui materiali sviluppati, portando ad un risparmio di tempo e ad un annullamento dei costi dello sviluppo di attrezzature. 14

15 DMLS, Direct metal laser sintering 15

16 EBM, Electron beam melting Fusione a Fascio di Elettroni, è una tecnologia mediante la quale una sorgente di elevata energia, composta da un fascio opportunamente concentrato e accelerato di elettroni, colpisce un materiale in forma micro granulometrica provocandone la fusione completa (nel nostro caso saranno i metalli come titanio o alluminio). Il processo di produzione è completamente sottovuoto e permette quindi la lavorazione anche su materiali che altrimenti reagirebbero immediatamente con l ossigeno producendo composti indesiderati. Il processo di fusione dei materiali avviene a temperature comprese tra i 700 e i 1000 C così da ottenere parti sostanzialmente prive di tensioni residue, pertanto non necessitano di trattamenti post-produzione. Questa tecnica è stata sviluppata dall azienda svedese Arcam ed è particolarmente apprezzata nei settori aeronautico, aerospaziale e biomedicale. La lega con cui si possono realizzare oggetti è il Titanio in lega Ti 6 Al 4 V o puro. 16

17 EBM, Electron beam melting 17

18 SLA, Stereolitografia Questa tecnologia per la stampa 3d è anche la prima tecnica di prototipazione rapida ad essere stata introdotta sul mercato. Si basa sulla polimerizzazione di una resina liquida per effetto di un laser che, focalizzato sul piano di lavoro mediante sistemi ottici, provvede a costruire il prototipo strato su strato dall alto verso il basso. La stereolitografia consente di produrre pezzi con geometri complesse e con finiture di superficie migliori rispetto ad altri processi additivi. Non è una tecnologia che appartiene a un solo produttore e quindi è relativamente competitiva rispetto ad altre tecnologie per la stampa 3D. Per contro, i prototipi ottenuti sono più delicati rispetto a quelli realizzati con resine industriali e non sono adatti per collaudi funzionali. 18

19 SLA 19

20 DLP digital light processing A seconda del tipo di luce impiegata per solidificare selettivamente il materiale, si parla di SLA, che generalmente utilizza una sorgente laser, o di DLP, che impiega proiettori LED o LCD per polimerizzare, generalmente dal basso, uno strato in una vasca contenente il fotopolimero allo stato liquido. Questo polimero è esposto alla luce di un proiettore DLP in condizioni di luce inattinica, quindi il liquido esposto si indurisce, la piastra di costruzione si muove in alto di pochi decimi di millimetro e il polimero liquido è di nuovo esposto alla luce. Il processo si ripete finchè il modello non è finito. Questa tecnologia, all origine impiegata per realizzare stampanti professionali e industriali dai costi particolarmente elevati, vive oggi un processo di democratizzazione e promette l avvento nel mercato di stampanti ad alta risoluzione dai prezzi popolari. Si possono realizzare oggetti in fotopolimeri. 20

21 DLP digital light processing 21

22 LOM Laminated Object Manufacturing alcune stampanti 3D utilizzano come materiale dei laminati, che costituiscono lo strato che viene processato con sistemi di taglio tangenziale o laser per separare la sezione che interessa il modello dal materiale di scarto. Quest ultimo a sua volta costituisce un valido materiale di supporto, che verrà rimosso a stampa finita. Apparse inizialmente attorno agli anni 90, queste stampanti impiegavano meccaniche derivate da comuni stampanti laser in bianco e nero. Attualmente alcune aziende come Mcor Technologies Ltd impiegano una stampa laser a colori usando la deposizione selettiva di adesivo, mentre il taglio dello strato avviene con una lama in metallo duro, e questo consente di produrre modelli in full color con una resa cromatica migliore rispetto all uso di polveri e collante, ed una maggiore robustezza meccanica. Altre aziende offrono stampanti che utilizzano sottili laminati plastici e metallici. Con questa tecnica possono essere realizzati oggetti in carta, metallo e materiale termoplastico. 22

23 23

24 FDM, Fused Deposition Modeling FFF, fused filament fabrication E stata sviluppata alla fine degli anni 80 da Scott Trump, cofondatore in seguito di Stratasys, produttore di macchine e materiali per la stampa 3D. La FDM è a tutt oggi un marchio commerciale di Stratasys, anche se il suo brevetto è scaduto nel I materiali che possono essere usati sono soprattutto ABS, PLA (polimero basato sull amido vegetale che ha il vantaggio di essere più biodegradabile dell ABS), PPSF (polyphenylsulfone), policarbonato e politermide. E una tecnologia di produzione additiva usata comunemente per la modellazione, la prototipazione e la produzione di oggetti. 24

25 L FFF lavora su un principio additivo rilasciando il materiale su strati. Un filamento plastico è srotolato da una rocchetta che fornisce il materiale ad un ugello di estrusione da cui si può avviare e fermare il flusso di plastica fusa. L ugello è riscaldato per poter sciogliere il materiale e può essere spostato in direzione orizzontale sugli assi X Y da un meccanismo di controllo numerico, controllato direttamente da un software. Mentre si depositano i vari strati, il piano di lavoro (asse Z) si abbassa comandato sempre dal software del movimento voluto a seconda della dimensione dello strato (layer) che si vuole ottenere Il software di gestione della stampante è in grado di generare anche i supporti necessari per le parti a sbalzo e per sostituire le parti piene con telai in modo da rendere l oggetto leggero e comunque resistente, risparmiando materia prima. 25

26 Principi di funzionamento di una stampante FFF 26

27 27

28 Software necessario Un programma di CAD generico per il disegno 3D della struttura con uscita in file.stl Oggigiorno si trova molto software free che permette di utilizzare una stampante 3D anche in modo amatoriale. Ad esempio SketchUp o Freecad Un programma di conversione tra i files. STL in un tipo di file gcode che possa pilotare direttamente la stampante. Ad esempio Cura o Slic3r (o a software che li gestiscono entrambi come Repetier Host) 28

29 SketchUp 29

30 Cura 30

31 Attivita amatoriali Attualmente la stampante piu diffusa e la FFF che spesso viene anche autocostruita. Esistono modi e meccaniche molto diverse per il movimento degli assi X,Y e Z Come controllore viene usato un Arduino Mega con il Firmware scaricato dai tanti siti free Come interfaccia verso la stampante la RAMPS di Pololu 31

32 Estrusore con termoresistenza e sensore 32

33 Arduino Mega e Display LCD 33

34 Interfaccia RAMPS e Driver per motori P.P. 34

35 Stampante amatoriale autocostruita FIOREbot 35

36 Software amatoriale free di base Firmware Marlin per Arduino dal sito GitHub Per il CAD spesso viene usato SketchUp, molto utilizzato dagli architetti per creare i loro modelli Per il convertitore Cura, creato da Ultimaker nota ditta di stampanti 3D 36

37 Alcuni FabLab di Bologna Un FabLab è un laboratorio aperto al pubblico equipaggiato con macchine per la fabbricazione digitale. È un luogo dove individui e imprese hanno accesso ad attrezzature, processi e persone in grado di trasformare idee in prototipi e prodotti. MakeInBo Piazza dei Colori 25/b Bologna RaspiBo Via Canonica 28/a Casalecchio di Reno FabLab ValSamoggia Piazza della Liberta Monteveglio 37

38 A cosa serve, a livello amatoriale una stampante 3D? A tutto! L unico limite e la nostra fantasia. Esempio : Mia figlia ha una piccola attività di intrattenimento ed io le produco un po di gadget. A volte essa stessa mi manda, via mail, il file che ha generato con un CAD ed io ( dopo aver controllato le misure ) passo alla stampa. 38

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