Le tecnologie e le materie prime utilizzate nei processi di stampa 3D sono numerose e non è facile orientarsi in questo nuovo e vasto mondo in rapidissima espansione. Office Automation giugno 2014

1. Le tecnologie e le materie prime utilizzate nei processi di stampa 3D
sono numerose e non è facile orientarsi in questo nuovo e vasto mondo
in rapidissima espansione.
60 giugno 2014
STAMPA 3D
Come i computer e internet hanno permesso la
‘dematerializzazione’ dei documenti e di tutti
gli altri contenuti multimediali (dagli atomi ai bit),
le stampanti 2D, i plotter e le stampanti 3D con-
sentono la ‘materializzazione’ (dai bit agli atomi)
dei contenuti digitali. In particolare, le stampanti
3D permettono di realizzare oggetti fisici parten-
do da modelli matematici prodotti dai computer.
Mentre nel caso della stampa 2D la scelta delle
tecnologie di stampa (inkjet, laser, trasferimento
termico, aghi), delle sostanze stampanti (toner e
inchiostri) e dei supporti (carta, plastica, tessuti),
ha un’ampia offerta commerciale ma è abbastanza
limitata dal punto di vista dei materiali di base, nel
caso della stampa 3D, che permette virtualmente di
produrre qualsiasi oggetto, la scelta di tecnologie
e di materie prime è molto più ampia e quindi non
è facile orientarsi in questo nuovo e vasto mondo
in rapidissima espansione.
Il termine ‘stampa 3D’ è semplice e suggestivo ma
tecnicamente non è preciso.
Infatti, un qualsiasi processo di stampa (digitale o
tradizionale) consiste nel trasferire uno o più in-
chiostri su un supporto, mentre le stampanti 3D
generalmente fabbricano un oggetto depositando
una serie successiva di strati (layer), pertanto è più
TUTTI I COLORI
DELLA STAMPA 3D
GIANCARLO MAGNAGHI
corretto parlare di produzione (o fabbricazione)
additiva e di materiali di produzione. Le analogie
tra le varie tecnologie di produzione additiva però
finiscono qui, poiché i materiali utilizzati, i tratta-
menti che subiscono per giungere al prodotto finito
e le operazioni di finitura variano sensibilmente tra
le varie tecnologie, che sono riportate nella tabella
riassuntiva.
Le tecnologie di produzione additiva appartengo-
no al settore della Fabbricazione Digitale (Digital
Fabbrication o Fabbing) a cui appartengono anche
tecniche di produzione sottrattiva come il taglio
laser e la fresatura/tornitura con macchine uten-
sili a controllo numerico CNC (Computer Numeri-
cal Control). Cominciano ad apparire sul mercato
anche macchine ibride in grado di utilizzare sia le
tecniche additive sia quelle sottrattive.
I principali materiali
per la produzione additiva
Ogni giorno vengono resi disponibili nuovi materiali
con caratteristiche esclusive sviluppati apposita-
mente per le stampanti 3D, quindi non è possibile
fornire un elenco completo di quanto è disponibile
in questo mercato in rapidissima evoluzione.
La sola Amazon attualmente offre quasi 1.000 arti-

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coli catalogati come ‘materiali di stampa 3D’, cor-
rispondenti per la maggior parte a resine plastiche
di acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) o acido po-
lilattico (PLA) in vari colori e formati.
Nel seguito sono elencati alcuni dei principali ma-
teriali utilizzati per la produzione additiva.
Gli ‘inchiostri’ delle stampanti 3D a basso costo
che utilizzano la tecnologia FDM (Fused Deposi-
tion Modelling), come le stampanti RepRap, sono
numerosi materiali termoplastici, come PLA, ABS,
PA, HIPS, PVA, PET, TPU e ultimamente anche la
fibra di carbonio, confezionati in rotoli di polimero
in filo. I materiali più utilizzati sono principalmente
PLA (Poly Lactic Acid o Polylactide), ABS (Acrylo-
nitrile Butadiene Styrene).
PLA è una plastica vegetale derivata dall’amido di
mais, biodegradabile, utilizzata anche in applicazio-
ni biomedicali. Disponibile in colori pieni e brillanti,
permette di realizzare pezzi finiti senza necessità
di verniciatura finale, comunque sempre possibile
con vernici acriliche e con qualsiasi altra finitura,
previa preparazione del supporto con un primer. Il
PLA, avendo colori molto più lucidi dell’ABS, per-
mette di stampare oggetti con un aspetto molto
gradevole e accattivante. Per oggetti di uso mec-
canico è preferibile invece l’ABS, la cui proprietà
fisica più importante è la resistenza, che consente
di ottenere pezzi robusti e verniciabili.
I poliuretani termoplastici sono sostanze gommose
che hanno la caratteristica di restare flessibili anche
a temperatura ambiente.
Gli oggetti realizzati in fibra di carbonio posso-
no avere una durezza fino a 20 volte superiore e
una resistenza cinque volte maggiore rispetto alle
Processi/tecnologie Descrizione dei processi Materiali Prodotti/Mercati
Binder Jetting
• 3D Printing (3DP)
• Ink Jetting (IJ)
Processo di produzione additiva in
cui un legante liquido è depositato
selettivamente per aggregare ma-
teriali in polvere
Polimeri, metalli,
sabbia da fonderia,
ceramica
• Prototyping
• Stampi per fonderia
• Parti funzionanti
Directed Energy Deposition
• Direct Metal Deposition
• Laser Deposition
Processo di produzione additiva in
cui un’energia termica concentrata
è usata per fondere i materiali che
vengono depositati (simile alla sal-
datura)
Metalli in polvere
e fili
• Riparazioni
• Parti funzionanti
Material Extrusion
• Fused Deposition modeling (FDM)
• Detta anche
• Fused Filament Fabrication (FFF)
Processo di produzione additiva in
cui i materiali sono depositati selet-
tivamente da un ugello. Sviluppata
da Stratasys. Dopo la scadenza il
brevetto, è utilizzata dalla stampanti
open source RepRap che chiamano
questa tecnologia Fused Filament
Fabrication (FFF) poiché FDM è un
trademark di Stratasys
Polimeri termopla-
stici (ABS, PLA, Po-
licarbonato, Ultem)
Fiberglass, Nylon,
Kevlar
Fibra di carbonio
• Prototyping
• Piccoli oggetti
• Medicali
Material Jetting
• Polijet
• Ink-Jetting
Processo di produzione additiva in
cui sono depositate selettivamente
gocce di materiale
Polimeri, cere • Prototyping
• Stampi per fonderia
Powder Bed Fusion
• Selective Laser Sintering (SLS)
• Direct Metal Laser Sintering (DMLS)
• Selective Laser Melting (SLM)
• Electron Beam Melting (EBM)
Processo di produzione additiva
in cui un’energia termica fonde se-
lettivamente porzioni di un letto di
polveri
Polimeri, metalli,
acciaio inox, cera-
miche, sabbia, vetro
Leghe di titanio e
di cobalto, inconel,
alumide
• Prototyping
• Parti funzionanti
Sheet Lamination
• Laminated Object Manufacturing
(LOM)
Processo di produzione additiva in
cui fogli di materiale vengono uniti
per formare un oggetto
Fogli di carta, di pla-
tica o di metalli e
colla materiali ibridi
• Prototyping
• Parti funzionanti
Vat Photopolymerization
• Stereolitografia (SLA)
Processo di produzione additiva in
cui un fotopolimero liquido in un ser-
batoio è solidificato selettivamente
tramite una polimerizzazione attiva-
ta dalla luce
Fotopolimeri, cera-
miche
• Prototyping
Classificazione dei processi di fabbricazione additiva (Additive Manufacturing)

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plastiche tradizionali (come ABS), superando nel
rapporto forza-peso anche l’alluminio prodotto con
macchine a controllo numerico.
Ultem è un tecnopolimero ad alte prestazioni con
un’eccellente resistenza meccanica, chimica e ter-
mica (da -30°C a 165°C). Richiede stampanti FDM
di fascia alta, che costano fino a 500.000 euro.
Il Peek è un polimero con altissime prestazioni mec-
caniche, chimiche e termiche simili a quelle dei mi-
gliori metalli (adatto per l’industria automobilistica
e aerospaziale), altamente biocompatibile (e quin-
di ottimo per le protesi). Richiede macchine HTLS
(High Temperature Laser Sintering) che possono
costare oltre 1 milione di euro.
Nylon. Questo materiale consiste in una polvere
di poliammide (nylon) sinterizzata al laser. È un
materiale estremamente versatile, che può avere
una resistenza tale da renderlo ideale per la stam-
pa 3D di parti con struttura resistente. Una volta
stampati in poliammide bianca, gli oggetti posso-
no essere immersi in un bagno colorante. Possono
essere stampati elementi con uno spessore minimo
di 0,8mm: in questo caso le parti risultano flessibili
e possono essere curvate. Sopra i 2mm di spesso-
re, gli elementi diventano rigidi. Il nylon stampato
in 3D si presta come materiale per creare oggetti
dagli usi differenti, da case o cover per dispositivi
elettronici fino ai gioielli.
Alumide è una miscela di polveri di nylon e allumi-
nio. È un materiale resistente, leggermente flessi-
bile e che può supportare alcune pressioni quando
viene curvato. Adatto per macchine SLS, (Selective
Laser Sintering). Questo materiale è più rigido e
più friabile rispetto al nylon. L’aspetto è granuloso,
poroso, ma la polvere di alluminio dona brillantezza
alla superficie. È ideale per stampare oggetti con
parti mobili come giunti o cerniere e per oggetti
complessi. Resiste al calore fino a 172°C.
Resina bianca. Rigida, opaca, con una superficie
liscia, questa resina è ideale per la realizzazione di
oggetti molto dettagliati. Gli oggetti ottenuti con
questo materiale sono molto simili a quelli prodotti
con le tecniche tradizionali. L’oggetto viene crea-
to con tecnologia SLA a partire da un composto
liquido fotopolimerico, solidificato strato per strato
da una sorgente UV. La risoluzione di questo ma-
teriale è pari a 28 micron (0,028mm). Si possono
stampare parti mobili, come giunti o articolazioni. È
possibile rifinire l’oggetto una volta stampato ver-
niciandolo, carteggiandolo o lucidandolo. Resiste
al calore fino a 48°C.
Ceramica smaltata. Disponibile in vari colori, come
la normale ceramica, è adatta all’uso alimentare, re-
sistente all’acqua e al calore fino a 500° C è ricicla-
bile e ha una superficie liscia e brillante. La stampa
viene realizzata con una polvere ceramica specifica,
poi smaltata con un procedimento atossico a una
temperatura superiore ai 1000°C. La superficie è
completamente liscia. Gli usi più comuni per questo
materiale sono tazze, bicchieri, piattini, ma anche
statuine e piccole sculture.
Cere per fusioni e microfusione. Si utilizzano soprat-
tutto con la tecnologia Multi-Jet-Modelling (MJM)
e permettono di realizzare molte applicazioni di
fonderia, per produrre modelli in cera accurati e ad
alta definizione per microfusioni a cera persa per il
mercato orafo, dell’energia, dei prodotti di consu-
mo, del tempo libero, del medicale, dell’educazione
e altri mercati verticali.
La stampa 3D di metalli ha avuto un grande im-
patto sul settore industriale, dove viene utilizzata
per costruire prototipi o prodotti finiti di progetti
complessi. A differenza del tradizionale processo
sottrattivo, la stampa 3D di metalli richiede poca
materia prima per creare un oggetto, quindi que-
sta opzione riduce notevolmente il costo della pro-
duzione. Il processo di stampa 3D di metalli può
utilizzare varie tecnologie. In tutti i casi, la materia
prima è una polvere metallica di acciaio, titanio,
cromo cobalto, alluminio, argento, ottone, inconel
(lega di nichel e cromo), allumiuro di titanio o al-
tre leghe. Per esempio, per l’acciaio inox si utilizza
Stampa 3D
Una formella del Brunelleschi realizzata con la stampa 3D

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prevalentemente il processo SLS (Selective Laser
Sintering) in cui la stampante deposita alternativa-
mente un sottile strato di polvere di acciaio e un
legante, e asciuga il legante fino al raggiungimento
della forma completa. Il modello ottenuto, fragile
e poroso, è posto in un forno per alcune ore per
consolidarsi. Un processo più sofisticato utilizza il
laser o un fascio di elettroni al posto del legante
per unire gli strati di polvere di metallo. Il titanio
stampato in 3D, per esempio, è ottenuto utilizzando
il processo di Dmls (Direct Metal Laser Sinthering)
o EBM (Electron Beam Melting). I prodotti ottenuti
in questo modo hanno un alto grado di precisione
(tolleranze di poche decine di micron) e proprietà
meccaniche comparabili con prodotti ottenuti con
processo sottrattivo classico.
Ottone e argento. Il modello digitale 3D è stampa-
to in cera usando una stampante ad alta risoluzio-
ne. Poi il modello di cera viene immerso in gesso
liquido che poi solidifica. Il modello di cera viene
fuso in forno e quindi rimane lo stampo. L’argento
o l’ottone fuso viene versato nello stampo e quando
si è solidificato, lo stampo viene rotto. Di seguito
può esserci un processo elettrolitico per aggiun-
gere nikel e/o una placcatura in oro o altri metalli.
Questi materiali sono perfetti per gioielli lucenti e
dettagliati.
Esistono anche stampanti 3D in grado di produrre
oggetti multi-colore o multi-materiale. Il principio
alla base del funzionamento è simile a quello di una
stampante 2D a getto di inchiostro, poiché consiste
in un triplo getto che combina tre diversi materiali
colorati ciano, magenta e giallo. Ciò permette di
ottenere migliaia di combinazioni di colori e, grazie
alla possibilità di scegliere il tipo di materiale, di ri-
creare svariate proprietà e finiture della superficie.
Cosa si può fare con le stampanti 3D
I campi di utilizzo delle stampanti 3D sono estre-
mamente variegati: architettura, edilizia, design
industriale, industria meccanica, automobilistica
e aerospaziale (anche per applicazioni in orbita),
ingegnerie varie, industria biomedicale e biologica,
farmaceutica, chimica, moda, calzature, gioielleria,
occhiali, strumenti musicali, alimentare, arte e re-
stauro e persino armi.
In campo medico, la stampa 3D viene già utilizzata
per la produzione di protesi e apparecchi acustici
e dentali personalizzati, ma lo sviluppo ulteriore
di questa tecnologia è destinato a rivoluzionare il
mondo della medicina tradizionale, poiché esistono
già i primi esemplari di ‘bio-stampanti’, in grado di
riprodurre tessuti e organi umani.
Oggi le stampanti 3D vengono utilizzate soprattut-
to per la creazione di modelli e prototipi di nuovi
prodotti, che poi vengono realizzati tramite i pro-
cessi produttivi classici. Tuttavia l’evoluzione della
tecnologia permette di creare anche prodotti finiti
sempre più solidi e raffinati.
Nel settore aerospaziale, alcune parti fabbricate
con i processi di produzione classici sono state
sostituite con quelle ottenute con la stampa 3D.
Per esempio, con queste tecnologie si ottengono
pale per turboreattori che pesano la metà di quel-
le tradizionali, resistono a temperature più elevate,
e permettono di realizzazione motori d’aereo più
leggeri e affidabili e che consumano meno.
Attualmente molti sviluppatori di varie università e
centri di ricerca stanno lavorando su progetti open
source per creare stampanti 3D per metalli a basso
costo, non solo per la produzione industriale, ma
anche per la fabbricazione di piccole produzioni.
Esistono già a livello mondiale migliaia di centri di
produzione additiva (centri servizi e FabLab) ac-
cessibili a chiunque, che stanno crescendo a una
velocità sorprendente.
Un esempio di piccole produzioni è offerto dai ser-
vizi di stampa 3D dedicati a designer e artisti. Sha-
peways, imaterialise, Ponoko, offrono fra i servizi
anche la stampa 3D di plastica, resine e metalli. Gio-
ielli, miniature, sculture, possono essere facilmente
create e messe in vendita direttamente aprendo un
negozio e-commerce sul loro portale web.
Molti analisti prevedono che, nel medio periodo,
i costi di produzione tra Oriente e Occidente sa-
ranno equiparabili a causa delle nuove tecnologie
produttive (stampanti 3D e robot) e dell’aumento
del costo del lavoro nei paesi emergenti. Le nuove
tecnologie riporteranno molte attività produttive/
manifatturiere a una dimensione locale e non più
globale, invertendo la tendenza alla delocalizzazio-
ne (re-shoring), in quanto i costi di spedizione e di-
stribuzione incideranno più di quelli di produzione.