Stampa 3D: un viaggio nel mondo degli oggetti tridimensionali

Tra gli approfondimenti della categoria #tech, una lettura sul funzionamento della stampa 3D rappresenta un’occasione per i meno esperti di approcciarsi al fantastico mondo dell’innovazione, mentre per i professionisti del settore è un modo per scoprire come BionIT Labs impiega la stampa 3D per Adam’s Hand.

Le origini della stampa 3D

La stampa 3D, nota anche come “Additive Manufacturing” (AM), “Rapid Prototyping” (RP), or “Solid Freeform Fabrication” (SFF), è un processo di manifattura additiva che unisce materiale, strato su strato, per realizzare oggetti tridimensionali creati a partire da da modelli 3D.

La prima tecnologia di prototipazione rapida commerciale venne chiamata stereolitografia da Charles Hull, che nel 1986 sviluppò anche il formato di file STL (Surface Tessellation Language).

Il processo di stampa 3D

Questa tecnologia crea oggetti attraverso la stratificazione di materiali, riducendo materiale di scarto e ottenendo una precisione geometrica soddisfacente.

La prima fase del processo consiste nella creazione di un modello 3D, che può essere ottenuto da immagini ricavate tramite scansioni 3D di oggetti reali o da modelli elaborati con software CAD (computer-aided design). Successivamente, viene comunemente generato un file STL, che viene caricato in un software di stampa.

Questo software consente di suddividere ulteriormente l’elaborazione con una mesh, creandone un file di costruzione 2D che viene inviato alla macchina di stampa 3D.

Infine, la stampa 3D utilizza un processo di fabbricazione additivo in base al quale i prodotti sono costruiti strato su strato, attraverso una serie di sezioni trasversali.

Se necessario, si procede all’eliminazione di eventuali supporti e nel caso della stereolitografia il prodotto stampato (green part) necessita di una fase di post-curing utilizzando una postazione di polimerizzazione UV, che renderà il componente stampato più solido e resistente.

I materiali utilizzati nella stampa 3D

I materiali che possono essere utilizzati nella tecnologia di stampa 3D sono sostanze polimeriche termoplastiche, come acrilonitrile butadiene stirene (ABS), acido polilattico (PLA), poliammide (PA) e policarbonato (PC), nonché materiali polimerici termoindurenti come le resine epossidiche.

dal sito 3Dnatives

ABS, PLA, PA e PC vengono solitamente utilizzati con la tecnologia FDM (Fusion Deposition Modeling) che parte da materiali solidi sotto forma di filamenti.

Le resine epossidiche, invece, sono materiali reattivi che richiedono un indurimento termico o assistito da raggi UV per completare il processo di polimerizzazione. Inizialmente presentano una bassa viscosità, che aumenta man mano che procede l’indurimento.

Pertanto, le resine epossidiche sono adatte a processi di stampa come la stereolitografia (SLA), l’elaborazione della luce digitale (DLP) o la tecnologia LCD UV.

Le applicazioni e gli usi della stampa 3D

Solo negli ultimi anni che la stampa 3D è stata pienamente utilizzata in vari settori, per ottenere risultati che vanno dal prototipo iniziale alla produzione di oggetti funzionanti e pronti all’uso. In particolare, la stampa 3D di polimeri ha trovato applicazione in ambiti come:

  • le industrie aerospaziali, per la creazione di strutture leggere e complesse
  • l’architettura, per la realizzazione di modelli di strutture
  • l’arte, per la replica di manufatti a fini educativi e divulgativi
  • la medicina, per la stampa di tessuti e organi personalizzati.

Tuttavia, l’ampia applicazione industriale dei polimeri stampati in 3D è limitata da numerosi inconvenienti, fra i quali una ridotta resistenza, che ne limita l’utilizzo per parti funzionali e portanti.

Man mano che nuovi materiali e metodi AM vengono implementati, comunque, emergono nuove applicazioni per questa tecnologia, che presenta indubbi vantaggi rispetto alla tradizionale manifattura sottrattiva (SM).

I vantaggi della stampa 3D

L’uso della stampa 3D agevola i processi produttivi in diversi contesti. Si potrebbe dire che, tra gli altri, vi sono tre vantaggi principali relativi all’utilizzo della stampa 3D rispetto alla manifattura sottrattiva:

  • produzione di geometrie estremamente complesse, che sarebbero impossibili da realizzare attraverso tecniche SM standard;
  • possibilità di personalizzazione, che permette la produzione di oggetti unici e personalizzati a costo ridotto;
  • possibilità di combinare un assieme di parti in un singolo componente, riducendo il peso complessivo e ottimizzando le proprietà meccaniche dell’assieme.

La possibilità di produrre piccole quantità di prodotti personalizzati con costi relativamente bassi è particolarmente rilevante in campo biomedico, per il quale sono generalmente richiesti prodotti unici personalizzati per ogni paziente. In effetti, le innovative tecnologie di stampa 3D consentono una personalizzazione estremamente spinta del nostro dispositivo, Adam’s Hand.

Stampa 3D e Adam’s Hand: il valore aggiunto per un prodotto di qualità

In BionIT Labs utilizziamo la stampa 3D per realizzare alcuni dei componenti di Adam’s Hand, principalmente durante la fase di prototipazione e di validazione della progettazione. Anche in fase di produzione, in particolare per la realizzazione delle dita di Adam’s Hand e della sua cover, la stampa 3D ricopre per noi un ruolo fondamentale.

Per la produzione delle falangi impieghiamo la tecnologia FDM, utilizzando la stampante 3D Roboze One e tecnopolimeri speciali ad alta resistenza per applicazioni meccaniche di fascia alta, come il CarbonPA.

Questa tecnologia è una tecnica di prototipazione rapida in cui un filamento di plastica, principalmente composto da un polimero termoplastico, passa all’interno dell’ugello di estrusione riscaldato che lo porta alla fusione, cosí da poter essere depositato strato su strato sul piatto di stampa.

Per la produzione della cover utilizziamo invece la stereolitografia, mediante resine fotosensibili che polimerizzano attraverso un raggio laser. Nel nostro laboratorio utilizziamo Formlabs Form3, una stampante basata sulla tecnologia LFS (stereolitografia a bassa forza). Questa tecnologia ci consente di ottenere livelli molto elevati di dettaglio grazie a una calibrazione intelligente della potenza del laser in base alla geometria del modello.

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