4. STAMPANTI 3D
4.3. ESEMPI DI STAMPANTI 3D
Questa ricerca è stata fatta per capire che tipo di stampati sono presenti in commercio e che caratteristiche tecniche hanno. Il mercato delle stampanti 3D è ora in forte ascesa ed è quindi impossibile trattare e descrivere tutte le stampanti presenti in commercio. In questo capitolo si parlerà di tre aziende in particolare: la 3D System e la MakerBot, macchine presenti anche nel laboratorio dell’Università di Bologna e la WASP, ditta ravvenate leader nelle stampe 3D.
Una azienda a cui si è fatto riferimento è la 3D SISTEMS (Zcorp website) e di seguito verranno riportati alcuni esempi di stampanti con relative descrizioni e prodotti realizzati. Questa azienda ha realizzato prodotti che stampano direttamente da dati CAD e BIM e rappresentano lo standard in termini di velocità, resa del colore, convenienza e semplicità d'uso e sono in grado di soddisfare le esigenze più diverse, dall'istruzione superiore agli ambienti commerciali più esigenti. La possibilità di utilizzo del colore produce modelli con colori realistici senza l'uso di vernici, rendendo possibile valutare al meglio l'aspetto e lo stile dei design dei prodotti. Grazie alla presenza di più testine di stampa, è possibile garantire una gamma di colori precisi e reali a 24 bit, come una stampante 2D.
I costi di esercizio sono minimi cioè un quinto rispetto ai costi delle altre tecnologie in quanto il costo del materiale per le parti finite è pari a $ 0,20 al centimetro cubo ed il materiale non sfruttato viene riutilizzato per la stampa successiva, eliminando quindi gli scarti.
La stampante presente anche nel laboratorio SILAB del Dipartimento di Architettura dell’Università di Bologna è la ZPrinter 310 (Figura 61). È una stampante monocromatica ed è una delle più convenienti.
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Figura 61: Stampante ZPrinter 310.
Il principio di funzionamento è il PP (plaster based 3D printing) e all’interno è dotata di una polvere costituita dal 90% di gesso, di un liquido (90% di acqua) ed infine una testina di stampa. La macchina scarica l’inchiostro in un serbatoio apposito, e lo sostituisce con la colla. All’interno sono presenti due vasche, una rappresenta il piano di lavoro, l’altra invece funge da serbatoio, entrambe piene di polvere, le quali vengono alzate e livellate tramite un carrello, lo scopo è quindi quello di ottenere un piano perfettamente orizzontale. Una volta livellati i due piani, la testina spruzza la colla nel piano di lavoro e realizza un layer (uno strato), successivamente questo piano si abbassa di circa 8 decimi di millimetro e viene spolverato un velo di polvere dalla vasca del serbatoio al piano di lavoro ed infine viene inserita altra colla nello strato appena eseguito e così via. In sostanza, strato dopo strato viene costruito l’oggetto. Una volta finita questa procedura ci sarà la vasca del serbatoio quasi vuota e nell’altra vasca, nascosto in mezzo alla polvere, ci sarà il modello. Il modello viene estratto e pulito con una pistola ad aria compressa dalla polvere in eccesso con grande delicatezza in quanto il materiale è assai fragile (Figura 62). L’ultimo passo è quello di rendere l’oggetto meno fragile e più robusto infiltrando il modello con della resina epossidica. Questo processo è del tutto manuale in quanto la resina deve essere spennellata sull’oggetto. Per ottenere un modello colorato si può inserire del colorante nella resina.
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Figura 62: Esempio di un modello stampato.
Le caratteristiche di questo tipo di stampante sono:
Colore: monocromatica;
Risoluzione: 300 x 450 dpi;
Velocità di costruzione verticale: 25 mm/ora;
Dimensioni di costruzione: 203 x 254 x 203 mm;
Materiali disponibili: materiale composito ad alte prestazioni, materiale per fusione diretta o a cera persa, materiale elastomerico;
Spessore dello strato: 0,089÷0,203 mm;
Numero di getti: 304;
Formati di file per la stampa: STL, VRML, PLY, 3DS, ZPR;
Dimensioni dell'apparecchiatura:74 x 86 x 109 cm;
Peso dell'apparecchiatura: 115 kg.
Un altro tipo di stampante è la ZPrinter 250 (Figura 63). È una stampante dalla massima convenienze e crea modelli 3D di elevata qualità e multicolore (Figura 64). Le caratteristiche di questo tipo di stampante sono:
Colore: 64 colori esclusivi (colore spot di base);
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Risoluzione: 300 x 450 dpi;
Velocità di costruzione verticale: 20 mm/ora;
Dimensioni di costruzione: 236 x 185 x 127 mm;
Materiale: composito ad alte prestazioni;
Spessore dello strato: 0,1 mm;
Numero di getti: 604;
Formati di file per la stampa: STL, VRML, PLY, 3DS, ZPR;
Dimensioni dell'apparecchiatura: 74 x 79 x 140 cm;
Peso dell'apparecchiatura: 165 kg.
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Figura 64: Esempio di un modello stampato.
Un altro tipo di stampante è la ZPrinter 650 (Figura 65). È una stampante automatica che crea modelli 3D di qualità superiore, massima risoluzione, multicolore e massima dimensioni di costruzione (Figura 66).
Le caratteristiche di questo tipo di stampante sono:
Colore: 390.000 colori (5 testine di stampa, compresa quella del nero);
Risoluzione: 600 x 540 dpi;
Dimensione minima per caratteristica: 0,1 mm;
Automazione: completa (impostazione e monitoraggio automatici/caricamento automatico della polvere/recupero e rimozione automatici della polvere/cartucce di collante a scatto/pannello di controllo intuitivo);
Velocità di costruzione verticale: 28 mm/ora;
Dimensioni di costruzione: 254 x 381 x 203 mm;
Materiali disponibili: materiale composito ad alte prestazioni;
Spessore dello strato: 0,089 ÷ 0,102 mm;
Numero di getti: 1520;
Formati di file per la stampa: STL, VRML, PLY, 3DS, ZPR;
Dimensioni dell'apparecchiatura: 188 x 74 x 145 cm;
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Figura 65: Stampante ZPrinter 650.
Figura 66: Esempio di modelli stampati.
Un’altra azienda a cui si è fatto riferimento è la MakerBot Replicator (MakerBot website). Una stampante di questa azienda presente in laboratorio è la MakerBot Replicator (Figura 67).
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Figura 67: Stampante MakerBot Replicator.
E’ una stampante a filo, il suo principio di funzionamento è il FDM, e utilizza una bobina di materiale PLA (plastiche di acido poliattico) che si fonde a 200°C e, non avendo ritiro, è molto semplice da utilizzare ma le sue proprietà meccaniche non sono eccezionali. Il concetto di funzionamento è che c’è un filo che va ad una testina, la testina a sua volta ha un estrusore (cioè ha un motorino che spinge fuori il filo) sotto ad esso è presente un riscaldatore controllato elettronicamente e quindi consente di gestire la temperatura. Infine è presente un ugello quindi il filo da un diametro di partenza diventa molto più sottile. In questo modo si ha la possibilità di cambiare la temperatura e di aumentare o diminuire la velocità di estrusione: combinando questi due elementi si può decidere se il filo all’uscita sia più grosso o più sottile in termini di diametro. La testina viene posizionata sul piano di lavoro e viene costruito l’oggetto. Il limite di questa tecnologia è la difficoltà di gestire i sottosquadri e questo problema viene superato in quanto la stampante si crea un supporto, detto raft (Figura 68), cioè un elemento di sostegno che essa si costruisce automaticamente per poter creare il modello. È dotata di uno schermo LCD full color 3.5 pollici di interfaccia utente che ha lo scopo di accedere alla libreria degli oggetti, visualizzare le anteprime del file modello 3D e il tempo che serve per terminare la stampa.
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a) b)
Figura 68: Esempio di modello stampato prima della pulizia (a) e dopo la rimozione del raft (b).
Le caratteristiche di questa stampante sono:
Colore: monocromatico;
Tecnologia di stampa: Fused Deposition Modeling (FDM);
Risoluzione dello strato: 0.1 mm;
Materiali: PLA filamento;
Diametro del filamento: 1.75 mm;
Diametro dell’estrusore: 0.4 mm;
Software bundle incluso: MakerBot Desktop;
Dimensione del prodotto: 528 x 441 x 410 mm;
Dimensione della stampa: 252 x 199 x150 mm;
Tipi di file supportati: STL, OBJ, THING, MAKERBOT;
Peso del prodotto: 16 kg.
Un ulteriore esempio di stampante 3D sempre della stessa azienda è la MakerBot Replicator Z18 (Figura 69). Il principio di funzionamento di questa stampante è lo stesso descritto per la stampante precedente ma può fabbricare modelli di dimensioni extra-large.
Le caratteristiche di questa stampante sono:
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Tecnologia di stampa: Fused Deposition Modeling (FDM);
Risoluzione dello strato: 0.1 mm;
Materiali: PLA filamento;
Diametro del filamento: 1.75 mm;
Diametro dell’estrusore: 0.4 mm;
Software bundle incluso: MakerBot Desktop;
Dimensione del prodotto: 493 x 565 x 861 mm;
Dimensione della stampa: 300 x 120 x180 mm;
Tipi di file supportati: STL, OBJ, THING, MAKERBOT;
Peso del prodotto: 41 kg.
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Un’ultima azienda di stampanti 3D è la WASP (WASP website).
Una stampante propria di questa azienda italiana è la DeltaWASP 2040 Turbo (Figura 70). Il piano riscaldato e l’ambiente a temperatura controllata garantiscono un ritiro controllato del materiale e risultati migliori a livello di stampa finale. La stampante è molto veloce per ottenere il modello stampato, fino a 1000 mm/s per passare dall’idea all’oggetto.
Figura 70: Stampante DeltaWASP 2040 Turbo.
Le caratteristiche di questo tipo di stampante sono:
Tecnologia utilizzata: FDM;
Area di stampa: 20 x 40 cm;
Definizione di stampa: 0.05 mm;
Diametro del filamento: 0.4 mm;
Velocità massima: 600 mm/s;
Tipi di file supportati: STL, OBJ, GCODE;
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Peso: 20 kg.
Un’altra tipologia di stampante è la DeltaWASP 60100 (Figura 71). Ha un’area di stampa molto generosa in grado di offrire prodotti di grande dimensioni (Figura 72).
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Figura 72: Esempio di un modello stampante
Le caratteristiche di questa stampante sono:
Tecnologia utilizzata: FDM;
Area di stampa: 60 x 100 cm;
Definizione di stampa: 0.01 mm;
Diametro del filamento: 0.4 mm;
Velocità massima: 200 mm/s;
Tipi di file supportati: STL, OBJ, GCODE;
Dimensioni della macchina: 267 x 122 x 127 cm;
Peso: 250 kg.
Una tra le più rivoluzionari stampanti di questo settore è il prototipo BigDelta (Figura 73) con un’altezza pari a 12 m.
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Figura 73: Stampante BigDelta.
La costruzione della BigDelta (chiamata così in quanto è la stampante “gigante” per la stampa di case) procede per tappe nel corso di tre anni, a partire dal 2012. La stampa 3D è incentrata sulla deposizione di materiale, per questo motivo è il campo di sperimentazione per eccellenza per quanto riguarda i materiali compositi. La ricerca in questo senso è ancora tutta da esplorare. Per quanto riguarda l’obiettivo di una casa a km 0, il vantaggio dell’additive manufacturing è proprio quello di fornire diverse soluzioni legate al territorio, consentendo di impastare materiali sul posto. La WASP sviluppa diversi tipi di estrusori per impasti fluido-densi, dunque il cambiamento di stato del materiale depositato avviene tramite l’evaporazione di un solvente che può essere di diversa natura, tra cui l’acqua stessa. Questo tipo di sperimentazione crea una serie di infinite combinazioni di materiali utilizzabili. E’ evidente che, al fine di incentivare l’autoproduzione e il benessere, quello della scelta dei materiali e la ricerca ad essa attinente sono un punto cruciale.
Era necessario un cambiamento: usciti dalla logica dei materiali plastici, la ricerca è stata rivolta verso materie prime che fossero donate dalla terra, ad alto rendimento, con un costo di produzione basso, per la crescita delle quali non servissero concimi chimici
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e che fossero coltivabili ovunque. Una casa in argilla non è nulla di nuovo, è anzi un’applicazione antichissima. La tecnologia 3D consente però di realizzare costruzioni molto gradevoli esteticamente in tempi brevi e con una necessità di manodopera praticamente pari a zero. La ricerca sui materiali è un’esigenza primaria e si dimostra quindi incessante: l’innovazione davvero sorprendente che è attualmente allo studio per impedire che l’argilla si ritiri seccandosi è l’inserimento dei semi di alcune graminacee all’interno dell’impasto da stampare. L’approccio delta è stato scelto proprio perché i tre assi verticali consentono bassi consumi energetici, quello che si muove è solo l’estrusore. I bracci della BigDelta trasportano all’incirca 70 kg, per un consumo ridotto a meno di un decimo rispetto alle stampanti a portale ed equivalente a circa 300 watt, perfettamente gestibile quindi con una batteria e pochi metri quadri di pannelli solari. Oltre a ciò, la BigDelta è stata progettata per essere montata in tempi brevi: a tre persone occorrono circa due ore.
Un’ulteriore passo avanti è stato l’evoluzione di un nuovo estrusore in grado di gestire la ritrazione, cioè può interrompere il lavoro e ritirare il materiale estruso in modo da poter riprendere l’erogazione in maniera micrometrica. Esso consuma pochissimo e ha un controllo costante a tutte le velocità e, grazie all’ugello rotante, il materiale non viene solo estruso ma anche impastato in uscita in modo da permettere una corretta adesione dei layer uno sull’altro (Figura 74).
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