A ostacolarne l’impiego erano in passato il costo dell’hardware e la carenza di software di progettazione facile da usare per il personale non specializzato nella progettazione CAD. Adesso, l’iniziativa RepRap, volta alla realizzazione di una stampante 3D autoreplicante open source, è culminata nella nuovissima stampante 3D Ormerod.
Essa consiste nella creazione di oggetti solidi a partire da un modello CAD, mediante un processo di produzione additiva, sostanzialmente sovrapponendo strati di materiali successivi, ad esempio di tipo plastico o metallico, che vengono depositati in varie forme. Nella tecnica più tradizionale della lavorazione a macchina si utilizza ovviamente un processo sottrattivo, che implica la rimozione di materiale, agendo in modo pressoché analogo a uno scultore.
Malgrado la stampa 3D sia balzata all’attenzione del grande pubblico più o meno dall’anno scorso (purtroppo anche per le prime pagine dei giornali che riportavano la possibilità di fabbricare armi), in realtà esiste già dagli anni ‘80. Sono stati impiegati molti metodi di stampa 3D, quali ad esempio la tecnologia FDM (Fused Disposition Modelling), il processo più comune utilizzato attualmente nella stampa 3D a basso costo, insieme alle tecnologie SLA (Stereo Lithography), EBM (Electron Beam Melting), LOM (Laminated Object Manufacturing), tra le tante altre.
Queste tecnologie sono sempre più utilizzate per la prototipazione rapida e anche per alcune produzioni in un grandissimo numero di settori, tra cui quelli elettromeccanico, edilizio, automobilistico, militare e aerospaziale, medicale e in diversi settori rivolti ai consumatori, come ad esempio quello della moda.
Diffusione crescente
Dalla fine dello scorso millennio si è assistito a un incremento significativo delle vendite di stampanti 3D, che stanno diventando sempre più allettanti grazie alla notevole riduzione dei prezzi (i modelli rivolti al mercato di massa attualmente hanno un prezzo di poco o decisamente inferiore a $ 2.500). Nel rapporto di una ricerca di mercato pubblicato dall’analista Markets&Markets, per le stampanti 3D si prevede un CAGR (Compound Annual Growth Rate) del 23% dal 2013 al 2020, con un valore finale di $ 8,41 miliardi.
La stampa 3D, da tecnologia di nicchia, impiegata principalmente dalle aziende di maggiori dimensioni, sta passando a un mercato di massa rivolto ai consumatori e alle piccole aziende. In effetti, attualmente si tende sempre più a ritenere che un giorno le stampanti 3D potrebbero trovare posto nelle case, consentendo di evitare i costi per l’acquisto di comuni oggetti domestici. Poiché la tecnologia sta diventando rapidamente disponibile per tutti, i singoli individui saranno in grado di produrre piccole quantità di prodotti paragonabili a quelli realizzati dalle grandi aziende.
La stampante 3D insieme al software di modellazione 3D DesignSpark Mechanical, offre alle aziende e ai progettisti una straordinaria opportunità di abbreviare il processo di sviluppo dei prodotti e di ispirare l’innovazione
Calza a pennello la citazione a tale proposito, fatta alcuni mesi or sono, dal pioniere di Internet Joe Kraus, durante il programma “In Business” di Radio 4 della BBC. Kraus definisce a grandi linee l’attuale rivoluzione nell’ambito della fabbricazione e della produzione: “Il ventesimo secolo ha visto un numero esiguo di mercati rivolti a milioni di consumatori. Nel ventunesimo secolo vi saranno invece milioni di mercati per un numero limitato di consumatori.”
È altamente probabile che la stampa 3D, unitamente ad altre tecnologie e a movimenti come l’open source, sarà destinata a ricoprire un ruolo importante in un futuro verosimilmente caratterizzato dall’unicità e da una maggiore personalizzazione, piuttosto che dal concetto di produzione di massa del passato.
Prototipazione rapida, ore anziché settimane
La stampa 3D si sta affermando nella fabbricazione dei prodotti più richiesti in molti settori, soprattutto nelle produzioni in piccole quantità o altamente personalizzate. Tuttavia, la tecnologia risente dei propri limiti nel caso dei grandi volumi. Con la tecnologia di stampa 3D, utilizzata per creare prodotti in strati, l’integrità strutturale dei componenti potrebbe non essere sufficiente a permetterne l’impiego per le parti in produzione.
È quindi improbabile che la produzione con metallo fuso e stampato venga sostituita dalla stampa 3D, almeno non a breve termine. Forse l’elemento cruciale, almeno per quanto riguarda la produzione in grandi volumi, è la capacità della stampa 3D di realizzare i prototipi in modo rapido.
La stampa 3D sta rivoluzionando lo sviluppo dei prodotti: per realizzare prototipi non è necessario effettuare lavorazioni a macchina, con conseguenti enormi vantaggi in termini di time-to-market, nonché con un notevole incremento della libertà di progettazione. Si è assistito a un considerevole miglioramento del processo di sviluppo dei prodotti in un’ampia gamma di settori, che includono la produzione automobilistica, l’elettronica di consumo e i dispositivi medici.
La tecnologia di stampa 3D viene utilizzata per progettare e collaudare nuove idee, sia nelle grandi sia nelle piccole imprese, come alternativa all’impiego di apposite macchine utensili per la realizzazione dei primi prototipi di nuove parti o nuovi componenti. Questo metodo permette ai progettisti di sviluppo di disporre di un prototipo nell’arco di poche ore o di pochi giorni: una differenza notevole rispetto alle settimane o ai mesi necessari in precedenza. Il processo non si limita a offrire un risparmio sui tempi e sui costi: la prototipazione rapida mediante stampa 3D permette di realizzare prodotti più innovativi e di qualità più elevata.
I progettisti di sviluppo non devono più attendere la consegna di utensili o componenti da parte di officine o stamperie a iniezione esterne. Le stampanti 3D permettono il collaudo fisico e l’ulteriore affinamento e miglioramento dei prototipi prima dell’invio di un prodotto alla produzione in serie.
RepRap e autoreplicazione
Importanti aspetti trainanti nell’ambito della stampa 3D sono l’open source e l’autoreplicazione delle stampanti 3D; se una stampante 3D fosse in grado di creare un suo duplicato?
Il progetto “Replicating Rapid Prototyper”, detto anche “RepRap”, è stato avviato nel 2004 da Adrian Bowyer, un ex docente di ingegneria meccanica dell’università di Bath, nel Regno Unito, con il fine di mettere a disposizione di chiunque la stampa 3D a costi contenuti o perlomeno ragionevoli. Molto semplicemente, il progetto RepRap è un’iniziativa volta allo sviluppo di una stampante 3D a basso costo che stampi da sé la maggior parte dei suoi stessi componenti.
Nelle stampanti RepRap si impiegano metodi di stampa 3D basati sulla tecnologia FDM: mediante una pistola per colla a caldo controllata da computer e una bobina di plastica introdotta in una camera riscaldata. Il materiale plastico viene spruzzato attraverso un piccolo ugello per realizzare il primo strato su una piattaforma che viene poi leggermente abbassata per accogliere il secondo strato e così via.
All’interno del progetto RepRap vi è un rapporto simbiotico tra le macchine e le persone: le macchine sono i fiori che forniscono i prodotti e le persone sono gli insetti che aiutano a replicare la macchina. Sebbene la macchina sia in grado di fabbricare tutte le parti in plastica, nel progetto RepRap viene specificato che tutti gli altri componenti necessari per la costruzione di un duplicato della macchina, come il motore elettrico, i complessivi elettronici e vari altri componenti, come le barre filettate di metallo, devono avere due proprietà: devono essere relativamente economici e facilmente reperibili; devono essere facilmente disponibili per chiunque e ovunque nel mondo.
Un’idea dominante di RepRap è rendere la stampa 3D disponibile per tutti e pertanto uno dei principi cardine del progetto è che debba essere open source. Qualsiasi cosa sia in grado di copiare se stessa è soggetta alle leggi dell’evoluzione e poiché è una macchina a fabbricare le proprie parti, è necessario che i file del progetto siano immediatamente disponibili. Tuttavia, l’evoluzione della macchina non avverrà principalmente a causa di mutazioni casuali, ma sarà molto più simile a un processo di riproduzione selettiva, analogo allo sviluppo di Linux e del software open source.
I membri della comunità RepRap inevitabilmente modificheranno il progetto per migliorarlo, forse rendendolo più accurato o più facile da realizzare e, naturalmente, molte di queste modifiche verranno pubblicate sul web. E quando un utente disporrà di una macchina RepRap datata, potrà utilizzarla per realizzare un nuovo dispositivo basato su un progetto migliorato. Il progetto ha avuto un grande successo: attualmente sul mercato sono presenti alcune stampanti a basso costo, la maggior parte delle quali è basata sul progetto RepRap.
Secondo una recente indagine sulla stampa 3D (Manufacturing in Motion, Moilanen, J. & Vadén, T), il progetto RepRap ha ottenuto la maggiore quota di mercato. Inoltre, per diffondere ulteriormente l’idea, nel 2011 è stata lanciata RepRapPro, la branca commerciale del progetto RepRap. Le prime stampanti 3D RepRapPro disponibili si chiamavano Huxley e Mendel, entrambe vendute a poche centinaia di sterline in kit, con o senza i componenti in plastica stampati. Attualmente è disponibile la stampante RepRap di ultima generazione, il modello Ormerod.
RepRapPro Ormerod
Il nuovo kit completo di stampa 3D RepRapPro Ormerod è ora disponibile a basso costo da RS. Utilizzata insieme al software gratuito di progettazione 3D DesignSpark Mechanical, la stampante permette ai progettisti di tutto il mondo di sviluppare idee e prodotti sofisticati in modo incredibilmente rapido ed economico. Adatta anche per produzioni in piccole quantità, Ormerod è una delle stampanti 3D più versatili attualmente in circolazione: è facile espanderne la funzionalità, replicarla rapidamente e assemblarla in tempi brevi. Come per i suoi predecessori, Ormerod utilizza il processo FDM, detto anche fabbricazione a fusione di filamento, per costruire oggetti 3D da vari materiali plastici e in diversi colori. Questo processo permette all’utente di creare pressoché qualsiasi forma modellabile al computer, comprese alcune che è assolutamente impossibile produrre con le tecniche di fabbricazione tradizionali.
Benché Ormerod sia in realtà una stampante 3D monocromatica, configurata per funzionare con un solo tipo di plastica per volta, la testina della periferica è progettata fondamentalmente per funzionare con la deposizione a tre colori; tale opzione sarà presto disponibile con un kit di aggiornamento. In aggiunta, l’elettronica di Ormerod è stata riprogettata e adesso permette la connettività tramite browser Web.
Inoltre, la sua costruzione è di gran lunga più semplice rispetto al modello Mendel, il cui assemblaggio richiedeva in media due giorni di lavoro; per Ormerod bastano soltanto due ore ed è considerevolmente più accessibile ai non tecnici. RepRapPro Ormerod viene fornita in un kit contenente tutti i componenti necessari, già pronti per l’assemblaggio.
Il kit completo comprende: tutte le parti stampate, tutto l’hardware meccanico, compresi barre filettate lisce, viti, dadi, rondelle, cinghie e cuscinetti, le parti elettroniche presaldate e programmate, la scheda MicroSD e l’adattatore, il piatto di stampa PCB riscaldato, i motori, il gruppo ugelli e il meccanismo di azionamento dell’estrusore, 100 m di filamento PLA (Polylactic Acid) da 1,75 mm di diametro (circa 300 g), l’alimentatore (per Europa, UK, US e Australia) e infine il software per il funzionamento della macchina, compreso il firmware per l’elettronica.
Tra le altre specifiche tecniche di Ormerod sono da segnalare un’accuratezza di 0,1 mm, una risoluzione di 0,0125 mm, una velocità di stampa di 1,8 mm al minuto e una capacità di deposizione di 33 cm3 all’ora. In breve, la disponibilità della tecnologia di stampa 3D a basso costo con la stampante RepRapPro Ormerod, unitamente al software gratuito e intuitivo DesignSpark Mechanical e alla libreria di modelli di componenti 3D ModelSource, implica che la progettazione 3D e la prototipazione rapida sono ora disponibili per una platea di utenti molto più ampia e non soltanto per i professionisti del CAD, consentendo una maggiore innovazione e un minor time-to-market.