Quando circa dieci anni fa inizia ad interessarmi di stampa 3D un certo Gabriele Carloni, mi disse che da li ai prossimi anni la vera evoluzione più che sulle stampanti FDM sarebbe stata sul materiale da stampa.

Mentre mi affacciavo con gli occhi di un bambino in questo mondo, Gabriele aveva già un’esperienza non indifferente e le idee molto chiare e dici anni dopo posso dire che non aveva tutti i torti.

Chiunque abbia acquistato una stampante 3D FDM ed abbia finito il filo in dotazione dovrà porsi il problema di acquistarne del nuovo.

Reperire del filamento è cosa facile persino Amazon lo vende, ma il punto non è tanto dove comprarlo ma quale comprare.

Nella stampa 3D con tecnologia FDM le caratteristiche tecniche e meccaniche dei filamenti termoplastici sono fondamentali per determinare la scelta del materiale più adatto.

A seconda dell’applicazione è possibile individuare il filamento che più si adatta alle funzionalità richieste dall’oggetto che si dovrà stampare.

Si possono trovare per esempio polimeri:

• con elevate caratteristiche meccaniche;
• con caratteristiche di resistenza all’usura;
• in grado di resistere a temperature di +100° C o -40° C;
• resistenti agli agenti atmosferici o ai raggi ultravioletti;
• elastici con gradi differenti di flessibilità;
• idonei al contatto con gli alimenti (atossici);
• compositi;
• biodegradabili;
• solubili
• autolubrificanti

Per queste ragioni è importante fare un’analisi corretta del progetto e chiederci quale materiale ha le caratteristiche migliori, perché la scelta del filamento e delle sue caratteristiche influirà in modo determinante.

 Se volessimo fare una divisione dei filamenti a grandi linee potremmo dividere i materiali in:

• Filamenti standard
• Filamenti tecnici
• Filamenti trasparenti
• Filamenti flessibili
• Filamenti solubili
• Filamenti compositi

Filamenti standard

• PLA (Acido Polilattico)

Il PLA è il filamento più comune, è una bioplastica di origine vegetale in particolare derivata da amido di Mais e per questo totalmente biodegradabile, è disponibile in una vastissima gamma di colori (anche se questo dipende molto dal produttore).

In oltre il PLA è idrosolubile ed è in grado di assorbire l’umidità degradando gradualmente con un calo delle caratteristiche meccaniche. Putroppo è sensibile ai raggi UV ed ha la tendenza a distorcere se esposto a temperatura superiori a 55 – 60° C.

Essendo il PLA un materiale naturale è adatto al contatto con gli alimenti e quindi ideale per esempio alla realizzazione di contenitori per uso alimentare, oppure risulta particolarmente idoneo alla realizzazione di giocattoli, anche per l’infanzia.

Il PLA è un materiale dalla finitura lucida (più o meno a seconda del pigmento usato per colorarlo), nonostante la sua buona rigidità e resistenza meccanica è un materiale fragile con la tendenza a scheggiarsi e rompersi facilmente se sottoposto ad urti.

Con un indice di ritrazione bassissimo (2-3%) risulta essere il materiale più semplice da stampare anche per oggetti di grandi dimensioni perché problemi di deformazione e ritiro saranno pressoché assenti.

• ABS (Acrilonitrile Butadine Stirene)

L’ABS è una termoplastica derivata dal petrolio non biodegradabile molto utilizzata nella stampa 3D FDM e disponibile in una vasta gamma di colori anche se più ridotta rispetto al PLA.

Essendo un materiale mediamente flessibile è dotato di buona resistenza agli urti, quindi risulterà più adatto alla stampa di oggetti che dovranno avere una certa resistenza e durata nel tempo, Per fare un esempio i mattoncini lego sono realizzati in ABS.

L’ABS a differenza del PLA, si presenta opaco, in stampa emana un odore molto forte e sgradevole ed ha una forte tendenza a deformarsi perché soggetto ad un ritiro elevato.

Anche se più resistente all’umidità rispetto al PLA, L’ABS presenta una scarsa resistenza ai raggi UV tendendo ad ingiallire, è un materiale non adatto al contatto con gli alimenti.

Per ridurre in stampa le deformazioni sono state sviluppate una serie di tecniche che possono essere applicate a qualsiasi materiale con le stesse problematiche.

Filamenti tecnici

• Nylon (Poliammide sintetica)

Il nylon è un materiale economico e facile da reperire con una gamma cromatica ridotta. Elastico e flessibile risulta molto più resistente e tenace del PLA e ABS.

Essendo dotato di buone caratteristiche autolubrificanti e resistenza all’abrasione è particolarmente adatto alla stampa di ingranaggi, componenti a scatto, boccole e tutti quelle parti che devono durare nel tempo.

La sua forte caratteristica igroscopica lo rendono una materiale inadatto ad ambienti esterni.

In stampa ha una tendenza alla deformazione maggiore rispetto all’ABS.

• PP (Polipropilene)

Il Polipropilene è un materiale aggiunto più di recente nella gamma di filamenti per la stampa FDM, è piuttosto leggero e viene utilizzato nell’ambito dell’imballaggio e la conservazione.

Molto resistente all’abrasione i modelli in Polipropilene ottenuti con la stampa 3D FDM hanno proprietà meccaniche simili agli oggetti stampati ad iniezione ed hanno la caratteristica di presentare una superficie molto liscia.

Anche il Polipropilene è un materiale con una altra deformazione durante il raffreddamento, ciò rende la stampa 3D molto complessa.

• ASA (Acrilonitrile Stirene Acrilato)

ASA è un filamento termoplastico di alta qualità che può essere utilizzato in sostituzione all’ABS.

Dotato di una superfice uniforme ed opaca, gradevole al tatto e liscia, tanto da non richiedere nessun tipo di processo di post produzione.

Facile da stampare rispetto all’ABS offre una ottima rigidità e resistenza meccanica.

Le caratteristiche principali di questo materiale sono alta resistenza chimica e stabilità termica, resistenza alle condizioni atmosferiche come raggi UV e acqua che lo rendono il materiale più adatto per progettare parti di automobili, strumenti per il giardinaggio o articoli sportivi.

Anche se in misura molto minore rispetto all’ABS, in stampa soffre di problemi di ritiro durante il raffreddamento.

Filamenti Trasparenti

• PC (Policarbonato)

Il policarbonato è un polimero termoplastico dall’aspetto translucido o trasparente ed è dotato di una certa flessibilità, una buona resistenza agli urti e alle alte temperature.

Il policarbonato è un materiale dal basso ritiro durante il raffreddamento ed una buona precisione dimensionale in stampa.

È considerato il materiale più duro e resistente sul mercato dei filamenti per la stampa 3D, quindi ideale per applicazioni di ingegneria e la stampa di parti complesse.

Le caratteristiche di trasparenza, lo rendono particolarmente adatto alla stampa di diffusori e parti di lampade oppure oggetti nei quali si debba poter vedere il contenuto come flaconi e contenitori in generale.

È un materiale fortemente igroscopico, i filamenti di policarbonato andranno conservati accuratamente al riparo dall’umidità.

• PMMA (Polimetilmetacrilato – Plexiglas)

Materiale antiurto trasparente che unisci una buona resistenza meccanica (superiore all’ABS) ad un’ottima resistenza ai raggi UV e agli agenti chimici, al calore, ai graffi ed alle abrasioni.

Il Polimetilmetacrilato ha in oltre un alto coefficiente di trasmissione luminosa maggiore del policarbonato.

Di contro ha una notevole igroscopicità di conseguenza come per il PC andrà conservato al riparo dall’umidità.

• PET (Polietilene Tereftalato) / PETG (Copoliestere di Polietilene Tereftalato)

Il PET / PETG è una resina termoplastica trasparente dotata di elevata resistenza meccanica che consente di ottenere stampa robuste e durature. La G sta per Glicole, modificato per ottenere una maggiore durata rispetto al PET.

Grazie al basso coefficiente di ritiro risulta ideale per la stampa 3D di oggetti con superfici piane di grandi dimensioni e per oggetti resistenti ma più flessibili rispetto a stampe ottenute con l’ABS.

Ideale al contatto con alimenti è un materiale idrorepellente (a differenza del PLA che è idrosolubile), risulta essere quindi il materiale più idoneo per la produzione di bottiglie, ma è usato anche per fabbricare imballaggi per alimenti e innumerevoli altri articoli in plastica molto comuni.

Come filamento per la stampa 3D, il PETG ha dimostrato la sua validità come materiale durevole e facile da usare perché combina le caratteristiche meccaniche dell’ABS con una buona semplicità di stampa simile al PLA.

Filamenti Flessibili

• TPU (Poliuretano termoplastico)

Il TPU è un elastomero termoplastico, quindi un materiale flessibile ed elastico generalmente trasparente con ottima resistenza all’abrasione ed al taglio ma con scarsa resistenza termica. E’ particolarmente adatto per creazione di custodie per smartphone e parti indossabili.

Leggermente più rigido del TPE, caratteristica che lo rende più facile da utilizzare nelle stampanti dotate di bowden (un tubo che collega il motore stepper di trascinamento filo all’estrusore).

Questo materiale ha la caratteristica di rimanere elastico anche a basse temperature.

• TPE (Elastomero termoplastico)

Il TPE è un materiale in grado di produrre oggetti elastici e flessibili simili alla gomma vulcanizzata.

L’elasticità delle stampe ottenute con questo materiale è notevole, tanto da potersi deformare fino a due volte la dimensione originale per poi ritornare alla forma iniziale, senza deformazioni permanenti.

Questa caratteristica, come per il TPU, lo rende un materiale molto difficile da stampare, in particolare nelle stampanti dotate di bowden.

Filamenti Solubili

• PVA (Alcol polivinilico)

Il PVA è un materiale totalmente idrosolubile e per questo utilizzato nella maggior parte dei casi come materiale di supporto nelle stampanti con doppio estrusore, per la stampa di oggetti molto complessi che richiedono complesse strutture di supporto.

Una volta finita la stampa basterà immergere in acqua l’oggetto (acqua calda per accelerare il processo) ed aspettare che il materiale si sciolga completamente.

• HIPS (Polistirene antiurto)

L’HIPS è un materiale dalle caratteristiche simili all’ABS ma con la particolarità di essere completamente solubile nel limonene, per questa ragione come per il PVA questo materiale viene utilizzato sovente nelle stampanti a doppio estrusore per generare il materiale di supporto per la costruzione di oggetti complessi in genere realizzati in ABS.

Conclusioni

Come si può intuire la stampa 3D FDM consente l’utilizzo di una vasta gamma di materiali, quelli viti sono solo i più comuni, in realtà ne esistono molti altri.

I materiali compositi per esempio sono una famiglia in continua espansione, che consentono di mixare le caratteristiche di più polimeri come per esempio il PC/ABS, oppure i materiali caricati con fibre di carbonio o fibre di legno.

Durante questi anni i produttori di filamento hanno investito molto in ricerca e sviluppo modificando materiali come PLA o ABS, rendendo il primo più robusto con un “ricottura” in forno ed il secondo più facile da stampare.

Non tutte le stampanti però possono utilizzare indistintamente tutti questi materiali, abbiamo detto che le stampanti dotate di bowden avranno difficoltà a stampare elastomeri termoplastici.

Le stampanti con ugelli inferiori a 0,7 mm rischieranno di otturare il foro di estrusione utilizzando materiali caricati con fibre, mentre stampanti prive di piano riscaldato difficilmente potranno utilizzare materiali con una altra deformabilità durante la fase di raffreddamento.

Capire le caratteristiche della propria stampante è fondamentale per capire quali materiali poter utilizzare, per queste ragioni prima di acquistare filamenti costosi sarà buona abitudine informarsi scaricando la scheda tecnica o chiedendo al rivenditore.

Tra i vari progetti di mascherine visti sulla rete, quello che ha attratto maggiormente la mia attenzione è sicuramente My Face Mask di WASP. Il video su YouTube è molto gradevole e illustra in maniera esaustiva il progetto.

La possibilità di creare una maschera sulla scansione del proprio volto mi ha stuzzicato perché il processo è semplice, alla portata di tutti senza l’utilizzo di costosi scanner 3D.

Il lavoro si divide in due parti, il primo step da compiere si basa sulla fotogrammetria e consiste nel fotografare il soggetto che si vuole scansionare da tutte le angolazioni, con una macchina fotografica ma basta anche un cellulare.

Il secondo step consente di trasformare le immagini in mesh per ottenere un file 3D del proprio volto grazie all’utilizzo di Reality Capture un software capace di fare questo in pochi semplici passaggi.

Tutto il processo è illustrato molto bene e nel dettaglio nell’articolo del blog sul sito di WASP.

Altro aspetto interessante e non da sottovalutare è lo sviluppo di un add-on gratuito chiamato My Face Mack Blender Add-on per Blender, famoso software gratuito di modellazione 3D.

L’add-on è stato sviluppato da WASP in collaborazione con Alessandro Zomparelli e che consente di modellare una mascherina attraverso pochi semplici passi sulla scansione del tuo volto.

Parametri di Cura

• Altezza del layer 0.2mm
• Guscio
  • spessore delle pareti 0.8mm (ugello da diametro 0.4mm)
  • spessore strato inferiore e superiore 0.8mm
• Riempimento 20% (parametro ininfluente dal momento le parti con riempimento praticamente inesistenti)
• Materiale
  • Temperatura di stampa 190°
  • Temperatura piano di stampa 60°
  • Retrazione abilitata (impostazioni di default)
• Velocità di stampa 50mm/s
• Abilitazione raffreddamento stampa abilitato
  • Velocità regolare della ventola 70%
  • Velocità massima della ventola 100%
  • Velocità regolare della ventola in corrispondenza dello strato 50
  • Velocità minima 10%
• Supporti creati con il plugin gratuito Custom Support scaricato direttamente dal marketplace di Cura
• Adesione al piano di stampa disattivato

Gallery

Conclusioni

Il modello è disegnato molto bene, gli elementi che necessitano del supporto sono pochi, per questo è conveniente generarli con il plugin Custom Support piuttosto che utilizzare i nativi di Cura troppo invadenti.

La mascherina si divide in due pezzi: il corpo ed il supporto per il filtro che permette di montare uno o più strati di tessuto non tessuto che garantisce un’ottima impermeabilità.

Questo modello sembra essere disegnato sul mio volto, una volta installati gli elastici ed indossata l’ho trovata fin da subito comoda, ma seguendo il tutorial e producendone una sulla scansione del volto la sensazione di comodità sarebbe sicuramente aumentata.

Per quanto riguarda la comodità, un altro aspetto da considerare è il materiale utilizzato, il PLA è facile da stampare in quanto ha un ritiro in fase di raffreddamento molto basso ma allo stesso tempo relativamente rigido.

Il materiale utilizzato da WASP per la stampa è F1 SKIN CONTACT FLEX, un TPE 27 Shore D certificato per il contatto con la pelle. Si stampa a 200°, il risultato è di una mascherina più flessibile e comunque igienizzabile.

In questi giorni di emergenza pandemia, il mondo della stampa 3D si è mobilitata massicciamente dando vita ad una miriade di progetti come mascherine e DPI in generale, ma anche valvole per respiratori e/o accessori per la casa e gli ambienti di lavoro.

Il numero di progetti prodotti da aziende, startup, gruppo di lavoro indipendenti o singoli progettisti è talmente vasto che risulta difficile censirli. Di seguito quelli che per qualche ragione mi hanno colpito di più.

My Face Mask

“WASP ha sviluppato un processo che, partendo dalla scansione 3D del volto, consente di realizzare e personalizzare una mascherina 3D su misura per ogni operatore.

Il soggetto può essere scansionato tramite fotogrammetria con un cellulare a 1 metro di distanza. Le foto vengono poi processate per la ricostruzione della mesh del volto della persona.” Tratto dall’articolo del Bolg del sito WASP.

My Space Helmet

“Uno spazio climatizzato, areato e controllato. Un casco ventilato protettivo a pressione positiva. Questo è My Space, il risultato di pochi giorni di sperimentazione che ci ha consentito di passare in tre giorni, grazie alla fabbricazione digitale, dal prototipo alla prima produzione per uso interno.“ Tratto dall’articolo del Bolg del sito WASP.

Open Source Mack

Grazie ad un team tutto italiano, da oggi è possibile stampare la propria mascherina con una stampante 3D, usando un modello messo a disposizione gratuitamente dal team.

“Open Source Mask è una piattaforma aperta, inclusiva e noprofit focalizzata sulle maschere. Il progetto supporta tutte le persone in tutto il mondo che sono in difficoltà a causa della pandemia di COVID condividendo modelli di maschere open source. Open Source Mask mira a raccogliere e condividere modelli che possono essere scaricati, stampati, testati e aggiornati dai produttori di tutto il mondo. “ Tratto dalla mission del sito Open Source Mask.

Hands-Free Door Openers

“Le maniglie delle porte sono tra gli oggetti più infestati da germi nelle case, negli ospedali, nelle fabbriche e nelle case per anziani. Sosteniamo la nostra missione di costruire un mondo migliore e più sano, motivo per cui condividiamo file di progettazione gratuiti per tutti in tutto il mondo con gli apriporta a mani libere con stampa 3D. “ Tratto del sito Materialise.

Le persone che non hanno accesso a una stampante 3D hanno la possibilità di ordinare l’apriporta tramite il portale i.materialise, tramite la piattaforma 3D Hubs. Si possono acquistare un set di due apriporta hands free, comprese le viti, per € 40.

Easy Covid-19

Brillante intuizione di un’azienda del bresciano Isinnova, convertire maschere da snorkeling (le famose EASYBREATH di Decathlon) in respiratori il tutto reso possibile da una modifica grazie alla stampa 3D.

“Abbiamo contattato in breve tempo Decathlon, in quanto ideatore, produttore e distributore della maschera Easybreath da snorkeling. L’azienda si è resa immediatamente disponibile a collaborare fornendo il disegno CAD della maschera che avevamo individuato.”

“A differenza della valvola dei respiratori, si tratta di un raccordo di facile realizzazione, quindi è possibile per tutti makers provare a stamparlo. Le strutture sanitarie in difficoltà potranno acquistare la maschera Decathlon e accordarsi con stampatori 3D che realizzino il pezzo e possano fornirlo.”

Thingiverse

Su Thingverse, portale che non ha bisogno di presentazioni e che da sempre offre gratuitamente pezzi per la stampe 3D sono state indette diverse challenge a tema pandemia e si è sviluppato un gruppo chiamato HackThePandemic composto da più di 5000 membri che hanno già prodotto quasi 500 pezzi pronti per la stampa 3D. 

Conclusioni

Sembra evidente che in casi come questi la logica della digital fabrication e dell’open source siano in grado di rispondere velocemente ed in modo esaustivo a problematiche di questo tipo.

L’inversione di paradigma, nel quale non sono più le merci a girare ma le idee (sotto forma di file per le macchine a controllo numerico), sembra essere vincente. Il costo contenuto di tecnologie come stampanti 3D e CNC in generale ha democratizzato e dislocato la produzione e potenzialmente chiunque può diventare un artigino digile.

Nella speranza che questo articolo vi sia piaciuto e vi abbia dato spunti ed idee, vi chiedo di scrivere nei commenti linkando progetti che trovate in rete su questo tema così da rendere questo articolo il più completo ed esaustivo possibile. Grazie.