Bozza:Stampa 3D multimateriale
La stampa 3D multimateriale[1][2] è la procedura di produzione additiva che prevede l'utilizzo di più materiali contemporaneamente per fabbricare un oggetto. Simile alla produzione additiva mono-materiale, può essere realizzata tramite metodi quali la stampa 3D FFF, SLA e Binder Jetting. Espandendo lo spazio di progettazione a materiali diversi, stabilisce le possibilità di creare oggetti stampati in 3D di colore diverso o con diverse proprietà del materiale come elasticità o solubilità. La prima stampante 3D multimateriale Fab@Home è diventata disponibile al pubblico nel 2006. Il concetto è stato rapidamente adottato dall'industria, seguito da molte stampanti 3D multimateriale pronte per il consumatore.
Tecnologie di stampa 3D multimateriale
modificaFabbricazione a filamento fuso (FFF)
modificaLa fabbricazione a filamento fuso (nota anche come modellazione a deposizione fusa - FDM) descrive il processo di estrusione continua di una linea di materiale termoplastico per formare un modello tridimensionale[3]. Il processo FFF supporta una varietà di materiali che vanno da quelli biodegradabili come il PLA al PETG, ABS e materiali di grado ingegneristico come il PEEK. Questa tecnologia consente inoltre l'uso di materiali flessibili come il TPU[4]. Due possibili soluzioni per realizzare una stampante 3D FFF multimateriale sono:
Design a ugello singolo
modificaIl design a ugello singolo combina i diversi materiali precedenti o nella zona di fusione della testina di stampa in modo che i materiali vengano estrusi attraverso lo stesso ugello[4]. Ad esempio: i diversi filamenti possono essere tagliati e riuniti a un singolo filamento di un filamento misto prima di essere immessi nella camera di fusione. Tale tecnica è implementata nella Mosaic Palette[5]. Un altro esempio è l'aggiornamento multimateriale di Prusa3d, che è montato sulla parte superiore di una stampante mono-materiale per aggiungere capacità multimateriale[6]. Utilizza un sistema di estrusione in stile Bowden con un asse aggiuntivo per tagliare e selezionare il materiale. Per evitare impurità all'interno dell'oggetto, una camera di fusione combinata deve essere liberata dal materiale precedente prima che ne possa essere utilizzata una nuova. A seconda dell'implementazione, la quantità di materiale di scarto prodotto durante il processo di stampa può essere significativa[4]. In alcune implementazioni, il materiale precedente può essere utilizzato come riempimento per evitare sprechi o per stampare simultaneamente un oggetto diverso in cui il colore non ha importanza.
Design multi-ugello
modificaIl design multi-ugello presenta un ugello separato per ogni materiale[7]. L'ugello può essere montato sulla stessa testina di stampa o su testine indipendenti. Affinché questo approccio funzioni, i diversi ugelli devono essere calibrati esattamente alla stessa altezza rispetto alla superficie di stampa per aggirare l'interferenza di un ugello inattivo con l'oggetto stampato. Tale design riduce significativamente la quantità di materiale di scarto durante il processo di stampa[7] rispetto a un design a ugello singolo che non utilizza il materiale precedente come riempimento o per stampare un altro oggetto.
Stereolitografia (SLA)
modificaLa stereolitografia è il processo di solidificazione di un fotopolimero con un laser strato per strato per formare un oggetto tridimensionale. Per realizzare stampe multimateriale[8] con questa tecnologia, si possono usare più serbatoi per diversi fotopolimeri. Un problema importante con questo approccio è la rimozione del materiale non ancora polimerizzato poiché la stampa può contenere cavità riempite con il vecchio materiale, che devono essere svuotate prima che il materiale successivo possa essere utilizzato[8]. Le resine fotopolimeriche utilizzate per SLA possono avere proprietà fisiche molto diverse, essendo generalmente più fragili e avendo una temperatura di deflessione del calore inferiore. Le resine standard SLA sono disponibili in diversi colori e opacità. Oltre ai materiali di grado ingegneristico come la resina simile all'ABS o simile al PP, esistono quelli biocompatibili utilizzati per applicazioni mediche e resine flessibili[4].
Material jetting
modificaIl processo di material jetting, spesso chiamato anche stampa 3D a getto d'inchiostro, è simile alla procedura di stampa a getto d'inchiostro 2D[4]. La testina di stampa è composta da più piccoli ugelli che emettono gocce di fotopolimeri su richiesta. Ogni ugello può estrudere un materiale diverso, il che consente la creazione di parti multimateriale[4]. Le gocce di materiale vengono quindi immediatamente polimerizzate utilizzando una sorgente di luce UV montata sulla testina di stampa. Contrariamente al processo di stampa FFF, uno strato non viene formato spostando la testina di stampa lungo un percorso pre-calcolato, ma eseguendo la scansione dello strato riga per riga. La Statasys J750, ad esempio, consente stampe a colori. I materiali supportati dal processo di stampa a getto d'inchiostro sono simili a quelli del processo SLA e quindi condividono proprietà simili[4]. Inoltre ci sono stati progressi nel campo del material jetting dei metalli sospendendo nano particelle metalliche in un fluido. Dopo la rimozione del materiale di supporto, l'oggetto stampato deve essere sinterizzato per creare una parte metallica finale.
Binder Jetting
modificaUna stampante 3D Binder Jetting utilizza particelle di polvere a grana fine, che vengono fuse insieme utilizzando un legante, per formare un oggetto tridimensionale[4]. In linea di principio, è composta da due camere separate: una funziona come serbatoio per il materiale in polvere, l'altra come camera calda. Per fabbricare uno strato di un oggetto, una lama spinge il materiale fuori dal serbatoio e lo distribuisce sulla superficie di stampa per creare uno strato sottile di polvere. Una testina di stampa simile a quella presente in una stampante a getto d'inchiostro 2D applica quindi il legante allo strato per solidificarlo e legarlo a quello precedente[4]. Sebbene il Binder Jetting non consenta il supporto multimateriale, esistono stampanti che presentano una seconda testina di stampa per applicare il pigmento allo strato dopo il legante per consentire stampe a colori[4].
Flusso di lavoro
modificaProgettazione
modificaLa progettazione di un oggetto tridimensionale è il primo passo nel flusso di lavoro della stampa 3D. Questo processo di progettazione può essere supportato dal software. Tale software CAD è in grado di creare, gestire e manipolare diverse figure geometriche 3D, fornendo al contempo un feedback all'utente tramite un'interfaccia grafica[9]. La maggior parte dei programmi CAD supporta già l'annotazione di una figura geometrica con un materiale. La combinazione di diverse geometrie forma quindi un singolo oggetto multimateriale[9]. Tuttavia, non tutti i formati di file supportano l'annotazione dei materiali insieme alla geometria dell'oggetto.
Slicing
modificaLo slicing è il processo di suddivisione di un modello 3D in strati per trasformarli in una sequenza di istruzioni G-Code[10]. Queste istruzioni possono essere elaborate da una stampante 3D per produrre il modello corrispondente in modalità top-down, bottom-up o anche da sinistra a destra. Prima di generare le istruzioni, è possibile aggiungere strutture di supporto per collegare le sezioni sporgenti del modello alla superficie di stampa o ad altre parti del modello. Le strutture di supporto devono essere rimosse in una fase di post-elaborazione al termine della stampa[10].
Il processo di slicing per stampe multimateriale varia a seconda dell'hardware utilizzato. Per le macchine basate su FFF, devono essere aggiunte istruzioni per cambiare il materiale. Ciò comporta molteplici sfide computazionali come la gestione di due testine di stampa contemporaneamente senza che interferiscano tra loro o la pulizia della camera di fusione dal materiale precedente[11]. Per le stampe multimateriale basate su SLA, il software di slicing deve gestire i gradi di libertà aggiuntivi derivanti dalla possibilità di spostare la stampa da un vassoio di resina a quello successivo[12]. La procedura di slicing per stampanti a getto di materiale comporta la generazione di più immagini bitmap che rappresentano i voxel dell'oggetto.
Post-elaborazione
modificaGli oggetti stampati in 3D potrebbero dover essere post-elaborati prima di poter essere utilizzati come prototipo o prodotto finito. Tali fasi di post-elaborazione potrebbero includere la levigatura della superficie dell'oggetto per renderla più liscia o la verniciatura per abbinarla ai colori del design. A seconda del metodo di stampa e della geometria degli oggetti, potrebbe essere necessario rimuovere le strutture di supporto[10]. L'uso della stampa 3D multimateriale riduce la quantità di post-elaborazione necessaria per ottenere lo stesso risultato, poiché i colori possono essere stampati direttamente. Inoltre, è possibile utilizzare un materiale idrosolubile per stampare le strutture di supporto, poiché la loro rimozione comporta solo il posizionamento dell'oggetto in un'apposita vasca con acqua[13].
Applicazioni
modificaStampa 3D di alimenti
modificaLa tendenza crescente della stampa 3D di alimenti[14] supporta la personalizzazione di forma, colore, sapore, consistenza e nutrizione di diversi pasti. La stampa 3D multimateriale consente di utilizzare più ingredienti come burro di arachidi, gelatina o impasto nel processo di stampa, che è essenziale per la creazione della maggior parte degli alimenti.
Applicazioni mediche
modificaLa tecnologia di stampa 3D multimateriale è spesso utilizzata nella produzione di protesi stampate in 3D[15]. Consente l'uso di materiali diversi come un poliuretano morbido sui punti di contatto con il corpo e un materiale rigido in fibra di carbonio per il corpo delle protesi. Le protesi possono quindi essere adattate per soddisfare le diverse esigenze e desideri di un individuo.
Un altro caso di utilizzo medico è la generazione di strutture di tessuto artificiale[16]. La ricerca si concentra sulla creazione di tessuto che imita quello umano in termini di sensazione, elasticità e struttura. Tali tessuti artificiali possono essere utilizzati dai chirurghi per allenarsi e imparare su modelli realistici, il che è altrimenti difficile o costoso da ottenere[17].
La ricerca attuale si concentra sui sistemi di somministrazione di farmaci stampati in 3D[18] per distribuire in modo efficiente un medicinale o un vaccino. Attraverso l'uso della stampa multimateriale, creano strutture biocompatibili che possono interagire con il corpo umano a livello cellulare.
Proprietà fisiche
modificaLa capacità di passare da un materiale all'altro è essenziale per controllare le proprietà fisiche di un oggetto stampato in 3D, come le proprietà meccaniche ed elettriche[19]. Oltre a poter manipolare la resistenza di un oggetto attraverso microstrutture, l'utente può passare da materiali più duri a più morbidi nel processo di stampa per influenzare la rigidità dell'oggetto. La combinazione di materiali duri e morbidi viene anche applicata per fabbricare strutture biomimetiche con le proprietà desiderate[20]. L'uso di materiali di diverso colore o elasticità può influenzare l'aspetto e l'aptica dell'oggetto risultante. Inoltre, è possibile ridurre la quantità di post-elaborazione necessaria scegliendo un materiale adatto per le strutture di supporto[21].
Prototipazione rapida
modificaLa stampa 3D multimateriale consente ai progettisti di produrre e testare rapidamente i loro prototipi. L'uso di più materiali in una singola parte consente al progettista di creare prototipi funzionali e visivamente accattivanti. Un esempio di come la stampa 3D può essere inclusa nel processo di progettazione è l'industria automobilistica[22]. In quel campo è necessario testare e verificare rapidamente un prototipo per ottenere l'approvazione del progetto per la produzione. I passaggi di post-elaborazione ridotti indotti dalla tecnologia di stampa 3D multimateriale si traducono in un tempo di fabbricazione più breve e riduce anche il numero di parti dei prototipi prodotti rispetto ai metodi di fabbricazione tradizionali come la fresatura o lo stampaggio, perché l'assemblaggio di più parti con materiali diversi non è più necessario.
Formati di file
modificaEsistono diversi formati di file per rappresentare oggetti tridimensionali adatti alla stampa 3D. Tuttavia, non tutti supportano la definizione di materiali diversi nello stesso file della geometria. La tabella seguente elenca i formati di file più comuni e le loro capacità[23][24]:
| Formato file | Modalità di funzionamento | Supporto multimateriale | Osservazioni |
|---|---|---|---|
| STL | superficie triangolata grezza e non strutturata | NO | Il supporto multimateriale può essere ottenuto salvando una mesh STL per materiale, il che si traduce in più file per gli stessi oggetti 3D. |
| OBJ | vertici, texture mapping, normali dei vertici e facce | NO | Il supporto multimateriale può essere facilmente ottenuto con il formato file complementare MTL. |
| 3MF | vertici e triangoli salvati come XML | SÌ | Supportato dal consorzio 3MF come nuovo formato di file standard per la stampa 3D. |
| VRML | vertici e spigoli, texture mappate UV | SÌ | Progettato appositamente per il World Wide Web. Predecessore del formato file X3D. |
| X3D | vertici e spigoli, texture mappate UV | SÌ | Offre la possibilità di includere animazioni. |
| PLY | vertici, facce e altro | NO | Successore di STL con supporto per i colori. |
Galleria d'immagini
modifica-
Design FFF a ugello singolo -
Design FFF multi-ugello -
Un design multimateriale SLA -
Schema di una stampante 3D Binder Jetting -
L'upgrade multimateriale per le stampanti Prusa -
Una stampante con due testine che condividono 2 gradi di libertà
Note
modifica- ^ Nunzia A, Tutto quello che c'è da sapere sulla stampa 3D multimateriale, su 3Dnatives, 19 febbraio 2024. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ Stampa 3D - Stampa multimateriale, su igus. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ (EN) Ian Gibson, David W. Rosen e Brent Stucker, Extrusion-Based Systems, Springer US, 2010, pp. 160–186, DOI:10.1007/978-1-4419-1120-9_6, ISBN 978-1-4419-1120-9. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ a b c d e f g h i j Gebhardt, Andreas (2011). Understanding Additive Manufacturing. Hanser. ISBN 978-3-446-42552-1.
- ^ Multi-Material & Multi-Colour Printing with Palette 2: The next generation of 3D printing is here, su Mosaic Manufacturing. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ (EN) Original Prusa MMU3 | Original Prusa 3D printers directly from Josef Prusa, su Prusa3D by Josef Prusa. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ a b Design and development of multi-nozzle extrusion system for 3D printer, su researchgate.net.
- ^ a b Jae-Won Choi, Ho-Chan Kim e Ryan Wicker, Multi-material stereolithography, in Journal of Materials Processing Technology, vol. 211, n. 3, 1º marzo 2011, pp. 318–328, DOI:10.1016/j.jmatprotec.2010.10.003. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ a b (EN) M. M. M. SARCAR, K. MALLIKARJUNA RAO e K. LALIT NARAYAN, Computer Aided Design and Manufacturing, PHI Learning Pvt. Ltd., 5 maggio 2008, ISBN 978-81-203-3342-0. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ a b c (EN) Brian Evans, 3D Printer Toolchain, Apress, 2012, pp. 27–47, DOI:10.1007/978-1-4302-4393-9_2, ISBN 978-1-4302-4393-9. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ (EN) Felipe Castaneda, Get started with Cura: Printing with two colors, su UltiMaker, 19 maggio 2023. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ Jae-Won Choi, Ho-Chan Kim e Ryan Wicker, Multi-material stereolithography, in Journal of Materials Processing Technology, vol. 211, n. 3, 1º marzo 2011, pp. 318–328, DOI:10.1016/j.jmatprotec.2010.10.003. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ (EN) Fei Ni, Guangchun Wang e Haibin Zhao, Fabrication of water‐soluble poly(vinyl alcohol)‐based composites with improved thermal behavior for potential three‐dimensional printing application, in Journal of Applied Polymer Science, vol. 134, n. 24, 20 giugno 2017, DOI:10.1002/app.44966. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ Jie Sun, Zhuo Peng e Weibiao Zhou, A Review on 3D Printing for Customized Food Fabrication, in Procedia Manufacturing, vol. 1, 1º gennaio 2015, pp. 308–319, DOI:10.1016/j.promfg.2015.09.057. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ (EN) Mazher Iqbal Mohammed, Joseph Tatineni e Brenton Cadd, Advanced auricular prosthesis development by 3D modelling and multi-material printing, in KnE Engineering, vol. 2, n. 1, 9 febbraio 2017, pp. 37–43, DOI:10.18502/keg.v2i2.593. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ Method for fabricating simulated tissue structures by means of multi material 3D printing, su worldwide.espacenet.com.
- ^ Medical Visual Communication Part 2: Application to the Industry, su garagefarm.net. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ (EN) David A. Gregory, Yu Zhang e Patrick J. Smith, Reactive Inkjet Printing of Biocompatible Enzyme Powered Silk Micro‐Rockets, in Small, vol. 12, n. 30, 2016-08, pp. 4048–4055, DOI:10.1002/smll.201600921. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ (EN) Antonio M. de Oliveira Neto, João F. Justo e Wesley Beccaro, Designing and building radio frequency devices with tailored dielectric properties using additive manufacturing, in Microwave and Optical Technology Letters, vol. 65, n. 3, 2023-03, pp. 777–784, DOI:10.1002/mop.33571. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ Muhammed Kamrul Islam, Paul J. Hazell e Juan P. Escobedo, Biomimetic armour design strategies for additive manufacturing: A review, in Materials & Design, vol. 205, 1º luglio 2021, pp. 109730, DOI:10.1016/j.matdes.2021.109730. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ Continuous Property Gradation for Multi-material 3D-printed Objects, su researchgate.net.
- ^ (EN) Leslie Langnau, How Audi uses full color multi-material 3D printing in automotive design, su Engineering.com, 8 giugno 2018. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ (EN) 3D Printing File Formats Compared: STL, AMF, 3MF and OBJ, su Xometry Pro. URL consultato il 19 ottobre 2024.
- ^ (EN) 9 Most Common 3D Printing File Types, su www.xometry.com. URL consultato il 19 ottobre 2024.
