Materiali innovativi e applicazioni della stampa 3D in settori diversi e adiacenti al manifatturiero tradizionale

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1 STAMPA 3D PROFESSIONALE - DESIGN, PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE Materiali innovativi e applicazioni della stampa 3D in settori diversi e adiacenti al manifatturiero tradizionale Giorno dopo giorno la lista di materiali stampabili si allunga, arricchendosi in continuazione anche di nuove combinazioni. Come abbiamo già accennato si può già stampare, già da adesso, con quasi tutti i materiali più comuni. Ma non solo: in alcuni casi è possibile stampare micro strutture in modo tale da risaltare le caratteristiche di plastiche, metalli e ceramiche. Il MIT - Massachusetts Institute of Technology, ha condotto recentemente esperimenti su combinazioni di materiali aumentandone la resistenza in rapporto di 1 a Oggetto di queste ottimizzazioni possono essere anche elasticità, conduttività e meccanica (i cosiddetti metalli intelligenti che assumono forme particolari in base alla conduzione). Quindi bisogna pensare a questi materiali, non solo in termini di caratteristiche naturali ma anche di quelle ottenibili in base a una progettazione intelligente, con risultati spesso impossibili con i sistemi di produzione tradizionali. Figura 8.9 Lista sommaria dei materiali utilizzabili con le stampanti 3D. Oltre alla già considerevole lista di materiali plastici, si aggiungono anche quelle delle polveri metalliche che utilizzano metodi di sintering, cioè la concentrazione di uno o più laser per fondere e sommare strati di materiale, oppure quelli più sofisticati di EBM sottovuoto. Questi processi non solo stanno erodendo il mercato delle macchine utensili specializzate e dei loro prodotti, ma anche quello dell elettronica. Se a materiali conduttori tradizionali si aggiungono polveri sporche, siamo in grado di stampare semiconduttori e quindi entriamo di fatto in un vasto settore che abbraccia qualsiasi tecnologia elettronica moderna, stampandola direttamente nel pezzo con un evidente vantaggio in termini di robustezza e durabilità. Non è quindi impossibile ipotizzare, in un prossimo futuro, la realizzazione di componentistica modulare per cellulari, televisioni e tant altro

2 CAPITOLO 8 - IL FUTURO E LE STAMPANTI 3D Figura 8.10 Stampa 3D di un circuito elettronico. Dopo esserci riferiti all utilizzo di plastiche, resine e metalli, già oggetto di questo libro, un ulteriore area di materiali è quella dei catalizzatori per il cemento e miscele per il legno. Un nostro compatriota, Enrico Dini è stato il primo a realizzare una stampante tridimensionale di grosse dimensioni, chiamata D-Shape per realizzare strutture con miscele a base di sabbia e collanti (cementi): case e sculture sono entrate così anche nel novero di produzione di tale tecnica. Come è già stato scritto da Werner nel capitolo 1, recentemente una ditta cinese ha realizzato 10 case, di modeste dimensioni, in 24 ore, dimostrando una velocità e flessibilità mai riscontrata prima

3 STAMPA 3D PROFESSIONALE - DESIGN, PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE Figura 8.11 Realizzazioni artistiche realizzate con la stampante 3D D-Shape di Enrico Dini. Uno dei vantaggi principali nel realizzare grosse strutture con questa tecnica, è quello di poter inglobare sensoristica e componentistica direttamente nel pezzo, o per usare un termine comune nel settore, realizzare una domotica integrata. Sarà possibile inserire sensori per l umidità, temperatura, calcolare gli spostamenti strutturali e inclinazioni, ma si potrebbe distribuire il rapporto termico sui lati esposti della casa e tanto, tanto altro. Anche nel campo delle ristrutturazioni, la ricreazione di pezzi non più economicamente realizzabili manualmente, e la sovrapposizione ad hoc su strutture fatiscenti, costituiscono un ampio mercato

4 CAPITOLO 8 - IL FUTURO E LE STAMPANTI 3D Sempre nell ambito delle costruzioni edilizie, la NASA sta studiando delle stampanti su ruote un grado di atterrare su pianeti e usare materiali in loco, mischiati con aggregatori, per realizzare edifici in grado di offrire una certa protezione ai futuri coloni. Figura 8.12 Stampante tridimensionale per realizzare strutture su altri pianeti. Anche se apparterrebbero più al settore delle resine e delle colle, sono apparsi sul mercato compositi a base polvere di legno: sotto forma di filamenti, una volta riscaldate queste miscele vengono depositate creando un oggetto dalle stesse caratteristiche fisiche degli oggetti in fibra intera. Questo materiale promette molte applicazioni come isolanti, riempimenti, creazione di giocattoli, e per tutti processi di prototipazione rapida dove si vuole dare un tocco di naturalezza all oggetto finito. Inoltre, i prodotti realizzati possono essere tagliati, levigati o dipinti più facilmente della versione naturale e delle altre materie plastiche/metalliche. Inoltre in un prossimo futuro il suo costo potrebbe essere tra i più bassi in assoluto rendendolo particolarmente gradito in caso di ulteriori manipolazioni o come materiale di supporto. È anche molto apprezzato per la sua scarsa deformabilità

5 STAMPA 3D PROFESSIONALE - DESIGN, PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE Figura 8.13 Filamento per stampare con il Legno. Vetro, ceramica e argilla sono anch essi nel novero dei materiali comuni che possono essere utilizzati sia per prodotti tradizionali, quali piatti, bicchieri, vasi, gioielleria ma anche isolanti elettrici e parti di ricambio. Come avviene per la stampa di alcuni metalli che vengono, all inizio, legati debolmente da una prima applicazione di energia oppure da un terzo aggregatore, anche per questa categoria può essere richiesto un successivo passaggio di temperatura in un forno. Studi interessanti sono stati fatti anche riposizionando e polarizzando la loro struttura atomica al fine di ottenere caratteristiche di non repulsione di liquidi, facilitandone la pulizia, aumentandone l igiene e incrementando la durata degli alimenti in essi contenuti

6 CAPITOLO 8 - IL FUTURO E LE STAMPANTI 3D Figura 8.14 Ceramica stampata. Sempre parlando di alimenti, si arriva a quello che potrebbe essere una delle applicazioni più popolari in assoluto del 3d printing e che potrebbe potenzialmente ridurre al minimo le nostre cucine: le stampanti per alimenti. Due sono gli approcci su cui si basa questo settore: il primo utilizza ingredienti reperibili al supermercato, come olio, farina, puré di verdure, paté di carne o pesce, cacao, aromi etc, mentre l altro molto più sofisticato è quello che utilizza colture di cellule sparate su un supporto biodegradabile che promette di ricreare alimenti a base proteica, quali carni. Recentemente è stato stampato il primo hamburger artificiale della storia; i più coraggiosi che lo hanno assaggiato sono rimasti delusi del sapore in quanto il gusto della carne viene dato essenzialmente dalla presenza di cellule di grasso arrostite/bruciate durante la cottura. Riprenderemo questo secondo argomento riguardo le culture biologiche quando parleremo del settore medico. Già alcune pasticcerie stanno utilizzando impasti e cioccolati che richiedono un alto grado di precisione nelle forme e nelle decorazioni, ma il panorama alimentare potrebbe uscirne stravolto creando diete bilanciate per coloro che sono affetti da malattie o da eccessi di peso, senza rinunciare a sapori che potranno essere calibrati per soddisfare anche i gusti più raffinati. Del resto esistono già esempi di cibi-sosia, come il Surimi succedaneo della polpa di granchio

7 STAMPA 3D PROFESSIONALE - DESIGN, PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE Figura 8.15 Le stampanti 3D per uso alimentare

8 CAPITOLO 8 - IL FUTURO E LE STAMPANTI 3D Parliamo del settore che potrebbe portare più benefici in termini di salute e benessere. L ipotesi di stampare/dosare medicine direttamente in casa è stata avanzata da più università e già sono stati realizzati alcuni esperimenti. I vantaggi sarebbero quelli stampare farmaci da remoto, sotto prescrizione medica, variando le dosi in base alla situazione giornaliera del paziente. In realtà questa possibilità va di pari passo con la realizzazione di due altre tecnologie che dovrebbero, almeno sulla carta, rivoluzionare il settore della salute pubblica: il primo sistema è quello di intelligenza artificiale dell IBM, chiamato Watson, in grado di abbinare sintomi e suggerire soluzioni in tempo reale ai medici, e il secondo la realizzazione del Tricorder, un piccolo laboratorio portatile in grado di controllare gli indici vitali del paziente in qualsiasi momento e locazione. L uso combinato di questi tre sistemi sarebbe capace di rilevare le malattie all insorgenza delle stesse o addirittura preparare il sistema immunitario prima dell insorgenza di problemi. Al momento della stesura di questo libro sono previste ancora una decina d anni prima della realizzazione di questi sistemi complessi e rivoluzionari, che dovrebbero avere un impatto considerevole sull aspettativa di vita. Comunque l utilizzo iniziale più probabile sarà all interno delle farmacie e ospedali al fine di creare composti efficaci e personalizzati per il cliente in tempo reale. Figura 8.16 La stampante 3d per medicinali, il Tricorder e il sistema di intelligenza artificiale Watson

9 STAMPA 3D PROFESSIONALE - DESIGN, PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE Sempre nel settore delle stampanti 3D ad alimentazione biologica segnalo lo studio e la realizzazione di organi quali cuore, fegato e reni utilizzando cellule umane. La tecnica consiste essenzialmente di due procedure di stampa, una volta a creare una struttura portante biodegradabile, e la seconda una stampa di cellule specializzate, oppure di staminali. Sebbene vi siano stati molti successi con i primi prototipi di organi, permangono molte problematiche per la creazione di arterie, vene e capillari, relativi al loro stampaggio e al loro posizionamento. Sicuramente ci vorranno ancora diversi anni, ma la strada è aperta a un futuro dove organi danneggiati verranno riparati o ricostruiti con le proprie cellule evitando così problemi di rigetto. Figura 8.17 Immagine concettuale di stampa di organi (cuore). Altro settore già in avanzatissima fase di sperimentazione è quello che riguarda le stampanti 3D che depongono strati di pelle sulle parti ustionate. Le cellule sane del paziente verrebbero fatte moltiplicare all interno di una cartuccia con elementi nutritivi e poi stampata su un foglio biodegradabile poggiato direttamente sulla parte ferita. Come per gli organi, alla scomparsa della struttura di sostegno corrisponde l aderenza delle nuove cellule, in questo caso della pelle. Per il processo in questione possono essere utilizzate sia le stampanti tradizionali che quelle 3D, le quali però sono in grado di depositare con maggiore precisione le cellule riducendo gli sprechi. Processi simili vengono utilizzati anche per la creazione di ossa e cartilagini

10 CAPITOLO 8 - IL FUTURO E LE STAMPANTI 3D Figura 8.18 Stampaggio e deposizione pelle su ustioni. Dopo aver parlato di quelli che sono i maggiori campi di studio e applicazione delle stampanti 3D, ci occuperemo del futuro dei settori adiacenti a quello manifatturiero tradizionale e quelli per la casa/hobby. Ma prima di parlare di questi due settori dobbiamo innanzitutto definirli: ci riferiamo a tutti quegli ambiti produttivi che non comprendono quelle piccole e medie realtà industriali, che richiedono ancora macchinari specifici per la realizzazione di prodotti, spesso brevettati. Il nostro obiettivo, invece, sono tutte quelle industrie che producono pezzi ad alto contenuto tecnologico, spesso su progettazione, e anche a quelle grosse imprese che producono utilizzando automazione e vorrebbero snellire i processi stampando componenti complessi in pezzi unici. Questi due gruppi sono di fatto quegli enti che nel breve periodo sono in grado di generare forti investimenti per l introduzione della produzione per addizione. Lo stesso vale per il settore casa/hobby; anch esso dovrebbe essere in grado di generare, in un immediato futuro, un volume di interesse per creare stampanti che soddisfino necessità nella vita di tutti i giorni. Il concetto è essenzialmente che nel lungo periodo l interesse si sposterà sue due tipi di stampanti: quella di grosse dimensioni con alto grado di precisione e quella piccola a uso domestico, ma altrettanto tecnologica. Il settore aerospaziale Partendo dalle imprese ad alto contenuto tecnologico e progettuale, il settore Aerospaziale spicca primo tra tutti perché in esso è fondamentale aumentare le prestazioni dei pezzi, in termini di leggerezza e robustezza, riducendo il numero degli stessi e la necessità della loro manutenzione. È stato calcolato che per ogni chilogrammo di alleggerimento, una compagnia aerea di grosse dimensioni può risparmiare fino a litri di Avio in un anno. La possibilità di consolidare più pezzi in uno, anche con parti mobili, implica per le aziende aeronautiche una riduzione in termini di grandezza dei magazzini, tipicamente voluminosi. Inoltre, le stampanti tridimensionali localizzate in aeroporti e centri di manutenzione possono ridurre notevolmente le costose linee di rifornimento di pezzi semplificando anche la logistica