Da quanto tempo esistono le stampanti 3D?
Sembra incredibile ma, le stampanti 3D industriali esistono già dai primi anni '80. Tuttavia, è stato Charles Hull a richiedere per la prima volta un brevetto per la stampante 3D nel 1986. Le prime macchine per la stampa 3D sono state inizialmente utilizzate nell'industria aeronautica e automobilistica, nonché per fini militari. Nel 2009, per i fornitori di servizi è finalmente arrivato il momento di svolgere anche lavori su commissione. I primi utilizzatori privati erano designer e artisti, che desideravano utilizzare la stampa 3D per produrre i loro prototipi nel modo più rapido ed efficiente possibile.
Come funziona la stampa 3D?
Le stampanti 3D non sono stampanti “normali”. Non funzionano in modo bidimensionale: piuttosto, costruiscono oggetti tridimensionali per sovrapposizione di strati sottilissimi, aggiungendo o applicando materiale. Per molto tempo, la stampa 3D non ha utilizzato solo la plastica, ma anche acciaio inossidabile, alluminio, titanio e cobalto-cromo. Anche l'uso di biomateriali sta diventando più comune.
A differenza dei "processi sottrattivi" in cui del materiale fresato, tornito o forato viene rimosso dall'oggetto, la stampa 3D viene quindi definita come un "processo generativo" o "produzione additiva". Il modello è quasi sempre un modello digitale. In genere si tratta di un file CAD (Computer Aided Design), che viene convertito in un codice leggibile dalla macchina.
Quali sono i vantaggi e gli svantaggi della stampa 3D rispetto ai metodi di stampa convenzionali?
La stampa 3D consente di creare strutture e forme che non sono ottenibili con i metodi tradizionali. In molti casi, è necessario sostituire i pezzi di ricambio per impianti obsoleti, per i quali non sono più disponibili o prodotti kit di riparazione. In questi casi, gli ingegneri possono scansionare le parti difettose e poi riprodurle al computer. Le stampanti 3D consentono inoltre di ricreare strutture presenti in natura. Fino ad ora, questo cosiddetto "design bionico" poteva essere utilizzato solo in misura limitata.
I materiali generati da una stampante 3D si raffreddano e si solidificano più velocemente, hanno una grana più fine e sono spesso più leggeri. Sebbene l'oggetto sia fabbricato a partire da una polvere o un liquido, il risultato finale è altrettanto forte e durevole di un oggetto artigianale tradizionale. Inoltre, viene utilizzato pochissimo materiale rispetto a quello necessario per la parte. Grazie alla stampa 3D, è possibile realizzare quasi ogni forma geometrica immaginabile: la flessibilità di progettazione è significativamente maggiore. Un altro vantaggio è la velocità: con la produzione additiva, è possibile fabbricare in poche ore prodotti su misura altrimenti disponibili solo dopo diversi giorni o settimane tramite un processo di produzione convenzionale.
Tuttavia, in alcuni casi, questo tipo di produzione si è rivelato uno svantaggio in quanto il metallo stampato è meno elastico e quindi più soggetto a rotture. Oltre a ciò, la stampa 3D odierna non soddisfa ancora i requisiti industriali per la tecnologia delle superfici, in particolare i materiali a base di metallo. Per la produzione di massa, il processo richiede troppo tempo ed è ancora troppo costoso per la maggior parte dei prodotti.
In quali aree viene utilizzata la stampa 3D?
Anche nel 2023, le stampanti 3D sono ancora troppo complesse per la produzione di massa. Tuttavia, lo sviluppo è ben avviato: oggi con la produzione additiva si costruiscono case, si fabbricano utensili e si stampano persino tessuti viventi. La tecnologia è diventata ampiamente accettata, soprattutto nell'industria. Oltre alla stampa di prototipi (rapid prototyping), anche la produzione in serie beneficia sempre più della stampa 3D. I prototipi sono più ampiamente utilizzati in settori come l'ingegneria meccanica, la medicina, il design e l'architettura.
La tecnologia dimostra i suoi punti di forza anche nella produzione su misura. Qui, la stampa 3D aiuta a produrre pezzi di ricambio (rari), singole corone dentali e apparecchi acustici o persino gioielli. Uno dei principali vantaggi della stampa 3D è la sua flessibilità: ad esempio nel settore aerospaziale, le parti di ricambio possono essere comodamente prodotte in loco, eliminando la necessità di lunghi tempi di consegna. O, ancora più semplice: strumenti danneggiati o altri oggetti possono essere riparati con l'aiuto della stampa 3D; le aree danneggiate possono essere semplicemente ricostruite.
L'industria sta aumentando la sua dipendenza dalla stampa 3D
Nonostante alcuni svantaggi, la stampa 3D si è già affermata in molti settori dell'industria. Le industrie automobilistica e aeronautica sono state tra le prime a riconoscerne e sfruttarne i vantaggi. Airbus stampa autonomamente alcune parti da diversi anni e non le ordina più dai fornitori. General Electric sfrutta la tecnologia degli iniettori di carburante per i motori degli aerei, rendendoli più leggeri e durevoli. Nell'industria automobilistica, Ford produce parti prototipo come il blocco motore del motore EcoBoost, che fornisce molta potenza con una minore cilindrata.
Anche l'ingegneria meccanica sta beneficiando sempre più delle nuove tecnologie 3D: la produzione additiva viene ora utilizzata anche per produrre parti stampate da diversi materiali con proprietà individuali come conduttività elettrica e resistenza più variabile, rendendo le macchine più leggere, più veloci e più efficienti. Negli ultimi anni, la stampa 3D si è affermata in tutti i settori della produzione di utensili. Ad esempio, le apparecchiature di misurazione o gli stampi a iniezione vengono spesso prodotti utilizzando il processo additivo.
Una rivoluzione in medicina
La medicina sta attualmente attraversando una vera rivoluzione con la stampa 3D. Ad esempio, i pezzi di ricambio necessari possono essere realizzati su misura, in particolare per i trapianti di organi. Grazie a una tecnologia innovativa, dei medici a Pechino hanno prodotto una vertebra dorsale artificiale e l'hanno impiantata in un paziente di dodici anni. Nei Paesi Bassi, a un paziente è stata impiantata una calotta cranica artificiale prodotta tramite un processo di stampa 3D. Alla Cornell University, negli Stati Uniti, sono in corso ricerche su orecchie e trachee artificiali.
La stampa 3D consente inoltre di produrre farmaci che spesso sono troppo porosi a causa della loro composizione. Entro la fine di luglio 2015 è stato approvato il primo farmaco stampato in 3D: grazie alla tecnologia 3D, il farmaco utilizzato per trattare l'epilessia negli adulti e nei bambini ha una maggiore concentrazione di principi attivi e può quindi essere proposto in pillole più piccole. Ad oggi, le rigide normative sull'industria farmaceutica hanno impedito una svolta.
Altre applicazioni attuali per la stampa 3D in medicina:
- Dispositivi ortodontici
- Produzione di impianti e protesi su misura, come impianti del ginocchio o dentali
- Modelli anatomici di parti del corpo in preparazione per interventi chirurgici
- Fabbricazione di dispositivi medici
- Scopi educativi per futuri medici
Quali sono le tendenze emergenti?
Ingegneri ed esperti dell'industria di massa non vedono la stampa 3D come un sostituto, piuttosto come un complemento alla produzione di massa. Ci saranno sempre parti migliori e più facilmente fuse o iniettate. Tuttavia: la stampa 3D sta diventando sempre più popolare nel settore.
Secondo l'istituto di ricerche di mercato Ricerche di mercato alleate (in inglese), l'industria internazionale della stampa 3D ha già generato un fatturato di 13,2 miliardi di dollari nel 2020. Si prevede una crescita annua del 22,1% fino al 2030, che porterebbe il mercato a 90 miliardi di dollari.
Soprattutto per le parti difficili da costruire come le geometrie interne, la stampa 3D offre molti vantaggi. Pertanto, gli esperti vedono ancora molto potenziale di sviluppo per gli anni a venire. Ad esempio, potrebbe anche essere possibile stampare parti di ricambio per lavatrici o simili.
In medicina, si è già sviluppato del tessuto osseo e prodotto de tessuto epatico in questo modo. Ad esempio, i futuri ricercatori potrebbero testare farmaci su organi appositamente progettati per questo scopo o persino rendere possibili trapianti di organi sintetici. Il fatto è che ormai da diversi anni le grandi aziende sono sempre più coinvolte nella stampa 3D e la tendenza è senza dubbio destinata a continuare.
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