Questo articolo intende presentare alcuni spunti relativi al presente e al futuro di questa innovazione di cui non si parla tanto quanto altre, ma che ha già un impatto considerevole in numerosi ambiti e in cui l’Italia gioca un ruolo importante.
Additive Manufacturing
La Stampa 3D, che per sineddoche indica comunemente tutte le tecnologie di Additive Manufacturing, promette di rivoluzionare sia il mondo industriale sia, in un futuro non troppo remoto, quello domestico.
Con il termine “Additive Manufacturing” ci si riferisce a quella famiglia di tecnologie che consentono di produrre oggetti tridimensionali per aggiunta di materiale anziché asportazione (come avviene nelle tecnologie tradizionali) partendo da un modello digitale in 3D.
Questi processi prevedono l’addizione, strato dopo strato, di materiale che, a seconda del principio chimico/fisico che caratterizza la tecnologia, si unisce con gli strati precedentemente realizzati andando così a costituire il pezzo finito.
La fase preliminare alla lavorazione vera e propria consiste nell’”affettare” (in inglese “slicing”) il modello 3D virtuale tramite appositi software, indicando quindi alla macchina in quali zone depositare materiale e i relativi parametri di processo.
In base al tipo di tecnologia impiegata, è possibile spaziare in un vastissimo campo di materiali (dalle plastiche al metallo, dalla ceramica ai materiali biologici) ed applicazioni, rendendo possibile la realizzazione di componenti impensabili sino a qualche anno fa.
È interessante notare quanto numerosa sia la famiglia delle tecnologie additive e soprattutto quanto siano variegati i materiali e i principi di funzionamento adottati.
Applicazioni industriali
Oltre alle ormai diffuse ed economiche stampanti 3D con cui gli appassionati realizzano in casa modellini, ricambi e oggetti personalizzati, l’Additive Manufacturing si sta imponendo in numerosi ambiti industriali andando a sostituire tecnologie tradizionali in quelle applicazioni in cui quest’ultime presentano evidenti limiti.
Si pensi, prendendo ad esempio il settore aeronautico, ai micro-condotti di raffreddamento all’interno di una paletta di turbina che con tecnologie tradizionali sarebbero praticamente impossibili da realizzare a causa della loro geometria interna (immagine 3c).
(a. sezione del semilavorato; b. prodotto finito; c. scansione a raggi x dei condotti interni)
Con tecnologie a letto di polvere (come DMLS o EBM, in cui polvere metallica viene selettivamente fusa da un potente raggio laser o un fascio di elettroni) è possibile realizzare le palette direttamente in materiali metallici come la lega di titanio.
Questo del settore aeronautico è solamente un esempio delle applicazioni in ambito industriale in cui l’Additive Manufacturing diventa essenziale, ma ce ne sono tanti altri.
Oltre ai settori industriali, ci sono innumerevoli casi anche nella produzione energetica e biomedicale, come la realizzazione di protesi ossee in strutture lattice (che favoriscono la osseo-integrazione) o valvole cardiache o, per ora ancora in via sperimentale, parti di organi.
Altre applicazioni
La “stampa” di materiali biologici / biocompatibili viene usata anche nella sperimentazione alimentare per la produzione di carni sintetiche. Ma l’ambito alimentare non è nuovo a questa tecnologia: già da anni si utilizza per creare cibi con geometrie particolari per scopi estetici.
È proprio questo aspetto, quello estetico, che sta vedendo la stampa 3D come un’importante alleata: infatti, in ambito artistico e architettonico, questa tecnologia consente di creare agevolmente modellini architettonici e, unita al reverse engineering, riprodurre statue e altri reperti come avvenuto recentemente per il celebre David di Michelangelo. Qui il video.
Si stanno anche affermando nuove figure come i Digital Artist, ossia quegli scultori che, anziché usare marmo e scalpello, modellano la propria opera virtualmente per poi realizzarla fisicamente con stampanti 3D.
L’Additive Manufacturing, così come è utile per miniature di strutture architettoniche, lo è anche per quelle di dimensioni naturali: l’azienda romagnola Wasp da qualche anno ha messo a punto macchine capaci di “stampare” unità abitative e inoltre sta sperimentando le modalità con cui far ciò sulla Luna e su Marte impiegando i materiali disponibili in loco.
I motivi del successo
Questi esempi evidenziano la versatilità di queste tecnologie, mostrando come l’Additive Manufacturing stia rivoluzionando i paradigmi del mondo produttivo:
- Flessibilità di produzione: è possibile creare oggetti di qualsiasi forma e dimensione, a partire da semplici oggetti di uso quotidiano fino a componenti complessi per l’industria aerospaziale poiché non è necessario adattare di volta in volta le macchine ai singoli pezzi da realizzare, consentendo così un’agevole fabbricazione di pezzi custom;
- Rapidità: in poche ore è possibile ottenere un componente finito, riducendo al minimo i tempi tra progettazione e ottenimento del pezzo completo. Ciò si presta benissimo alla realizzazione di prototipi ad un costo relativamente basso;
- Ottimizzazione delle risorse e sostenibilità: a differenza delle tecnologie per asportazione di truciolo, quasi la totalità della materia prima viene impiegata nel pezzo finito riducendo al minimo gli sprechi;
- Precisione: alcune tecnologie riescono a raggiungere risoluzioni dell’ordine dei micron;
- Complessità geometrica: non vi sono limiti sulla complessità delle forme ottenibili, rendendo possibili, come già visto per la paletta di turbina, geometrie sino a poco tempo fa irrealizzabili;
- Customizzazione: è possibile realizzare componenti altamente personalizzati;
- Versatilità: l’ampio spettro di materiali permette la produzione di oggetti per tutte le esigenze, dai polimeri flessibili alle superleghe metalliche, dai ceramici ai materiali biologici;
- Riduzione componenti negli assiemi: la possibilità di stampare e assemblare parti composte da diversi materiali con diverse proprietà fisiche e meccaniche in un singolo processo di costruzione;
- Metal replacement: alcuni polimeri, solitamente combinati con fibre di carbonio o vetro, possono sostituire componenti metalliche senza perdita di performance meccaniche con un relativo abbattimento dei costi di produzione e soprattutto, sfruttando la bassa densità di questi materiali, delle masse (aspetto che nell’ambito dei trasporti implica una riduzione del consumo di energia motrice e dunque di immissione di CO2). A riguardo, interessante l’esempio della realtà pugliese Roboze, che ha fatto del metal replacement il suo mantra.
I limiti
Di contro però la produzione con tecniche additive presenta dei limiti per la produzione su larga scala di pezzi in serie: infatti, in termini di tempistiche, diventa sconveniente per lotti di produzione numerosi dove è preferibile adottare metodi tradizionali con maggior velocità e costi minori. Per quest’ultima ragione, la stampa 3D è indicata per prototipazione e produzioni di piccoli lotti o di prodotti custom. È comunque adottata per produzione industriale in quegli ambiti precedentemente citati in cui altre tecnologie sarebbero inefficaci.
Inoltre, presenta anche un altro limite molto banale: non è facile da usare. Se in ambito industriale ci sono risorse specializzate e competenti, non altrettanto a livello “domestico”: finché l’usabilità delle stampanti 3D non sarà simile a quella delle stampanti tradizionali, difficilmente le macchine, che attualmente sono per uso hobbistico, potranno prendere piede al di fuori della cerchia degli appassionati.
Ma in aiuto è pronto ad intervenire un alleato che proprio nelle ultime settimane è salito alla ribalta: l’Intelligenza Artificiale. Grazie ad essa, tutte le problematiche sul “come stampare” verrebbero automaticamente risolte tramite implementazione nei software già usati per la messa in stampa, rendendo questa tecnologia veramente alla portata di tutti. Molte università e aziende stanno già lavorando in questa direzione.
Conclusioni
La stampa 3D è una tecnologia in rapida crescita con una vasta gamma di vantaggi e applicazioni. Offre flessibilità, personalizzazione e riduzione degli sprechi e sta trovando applicazioni pratiche in molti settori, dalla medicina all’industria aerospaziale. Anche se ci sono alcuni svantaggi da considerare, il futuro della stampa 3D sembra brillante e pieno di opportunità.
Ci teniamo infine ad evidenziare che gli esempi riportati sono di aziende italiane, a dimostrazione del fatto che il Bel Paese ha un ruolo da protagonista nello sviluppo di queste incredibili tecnologie.
Per approfondire
- https://www.3dnatives.com/it/stampa-3d-cibo-18022022/
- https://www.3dnatives.com/it/carne-stampata-3d-130120219/
- https://www.3dnatives.com/it/david-michelangelo-stampa-3d-111120219/
- https://www.3dwasp.com/case-costruite-con-stampante-3d/
