Introduzione:
Le stampanti 3D sono dei strumenti per realizzare oggetti tridimensionali mediante produzione additiva, cioè una sovrapposizione di strati di materiale per creare oggetti tridimensionali. Per realizzarlo bisogna partire da un modello digitale e poi successivamente svilupparlo. Per produrre modelli digitali tridimensionali bisogna utilizzare software appositi ceduti dall’azienda.
Descrizione dell’oggetto
Una stampante tridimensionale lavora prendendo un file 3D da un computer e utilizzandolo per fare una serie di porzioni in sezione trasversale. Ciascuna porzione è poi stampata l’una in cima all’altra creando oggetti 3D.
Le stampanti 3D vari vantaggi:
- Danno la possibilità di stampare e assemblare parti composte da diversi materiali con diverse proprietà fisiche e meccaniche in un singolo processo di costruzione. Le tecnologie di stampa 3D avanzate creano modelli che emulano molto da vicino l’aspetto e le funzionalità dei prototipi.
- Sono più veloci, più affidabili e più semplici da usare rispetto tecnologie alternative per la produzione di oggetti 3D.
- Hanno un costo relativamente minore a qualsiasi altra tecnologia con le stesse proprietà sul mercato.
Vi lascio un articolo del giornale “The Economist”, in un editoriale del 10 febbraio 2011, che può aiutare a comprendere cosa è una stampante 3D.
«La stampa tridimensionale rende economico creare singoli oggetti tanto quanto crearne migliaia e quindi mina le economie di scala. Essa potrebbe avere sul mondo un impatto così profondo come lo ebbe l’avvento della fabbrica… Proprio come nessuno avrebbe potuto predire l’impatto del motore a vapore nel 1750 — o della macchina da stampa nel 1450, o del transistor nel 1950 — è impossibile prevedere l’impatto a lungo termine della stampa 3D. Ma la tecnologia sta arrivando, ed è probabile che sovverta ogni campo che tocchi. »
Precisione della stampante
La precisione è espressa in spessore degli strati e la risoluzione X-Y in dpi. Lo spessore degli strati di solito è intorno a 0,1 mm (100 micrometri), mentre la risoluzione X-Y è paragonabile a quella delle stampanti laser. Le particelle (punti 3D) hanno un diametro all’incirca da 0,05-0,1 mm (50 a 100 micrometri).
Stampa
Tutte le stampanti 3D devono prima avere come base per stampare un modello 3D digitale dove viene prodotto con software di disegno 3D come Blender, AutoCAD e OpenSCAD.
Per poter stampare un oggetto bisogna avere un modello 3D il quale viene prodotto con software di modellazione tridimensionale come Blender, AutoCAD, Inventor e OpenSCAD. Quindi, sono richieste buone doti di modellazione oppure ci sono delle soluzioni come con gli scanner 3D, attraverso oggetti appositi, per poter riprodurre l’oggetto che si desidera stampare.
Finito di scannerizzare l’oggetto si salva il modello 3D e lo si carica in un software apposito che viene comunemente detto Slicer. Ne esistono di diversi tipi, sia open source sia proprietari e tra i più famosi possiamo trovare CURA, Simplify, Slic3R e Repetier host. In questi software si devono impostare i dati della stampante 3D e molti parametri per la stampa, come lo spessore del layer, l’infill, la velocità di stampa. Inseriti tutti i parametri si può mandare in stampa l’oggetto salvando il file in un formato apposito che possa essere letto dalla stampante 3D, il G-Code.
Applicazioni
la stampante 3D viene utilizzata in cari ambiti nella colata dei metalli, nell’architettura, nell’educazione, nella tecnica geospaziale, nella sanità e nell’intrattenimento. Le stampanti hanno un software in dotazione Dentro il quale si si possono prendere modelli digitali di progetti per poi svilupparli, ma non tutti questi progetti sono gratuiti, infatti ce ne sono anche a pagamento anche se non hanno prezzi alti.
La tecnologia della stampa 3D viene usata dalle aziende e dalle accademie di biotecnologia per il possibile uso nelle applicazioni di ingegneria tissutale in cui sono costruiti organi e parti di corpo usando tecniche a getto d’inchiostro. Strati di cellule viventi sono depositati su un mezzo gelatinoso e accumulati lentamente per formare strutture tridimensionali. Per riferirsi a questo campo di ricerca si sono usati vari termini: tra gli altri, stampa organica, bio-stampa e ingegneria tissutale assistita da elaboratore. La stampa 3D può produrre una protesi personalizzata dell’anca in un unico passaggio, con la parte sferica dell’articolazione permanentemente nella cavità articolare, e anche con le attuali risoluzioni di stampa l’unità non richiederà la lucidatura.
La storia in breve:
La stampa 3D nasce nel 1986, con la pubblicazione del brevetto di Ghuck hull, che inventa la stereolitografia, cioè la realizzazione di oggetti 3D direttamente dai dati elaborati da un software, che egli stesso definisce:
“Un sistema per generare oggetti tridimensionali basato sulla creazione di un modello trasversale dell’oggetto da costituire, sulla superficie di un medium fluido capace di alterare il suo stato fisico in risposta a stimoli sinergici quali radiazione incidente, bombardamento di particelle o reazioni chimiche, in lamine adiacenti che rappresentano le sezioni trasversali adiacenti successive dell’oggetto che si integrano tra loro, provvedendo ad una progressiva crescita per apposizione dell’oggetto desiderato, per cui un oggetto è creato da una superficie sostanzialmente planare del medium fluido durante il processo di formazione.”
Dal 1986 la stampa 3D si è evoluta e differenziata, con l’introduzione di nuove tecniche di stampa e molti materiali con diverse caratteristiche, stampabili sia da soli che in combinazione, permettendo la diffusione di questa tecnica di produzione in molti ambiti, che spaziano dall’industria all’ambito medico e domestico, come ne parleremo qui di seguito.
Usi delle stampanti 3D
le stampanti 3D, come abbiamo già detto, sono molto utili per qualsiasi ambito e per chiunque professionisti e dilettanti. Adesso spiegherò gli usi 3D che se no possono fare delle stampanti cioè:
Uso spaziale
Nel 2013 nasce il progetto AMAZE, il quale consisteva di produrre una stampante 3D che riuscisse a stampare ricambi in metallo di buona qualità e portarla nello spazio. Quindi riprogettare la stampante per funzionare in assenza di gravità. In questo progetto aderirono 28 aziende per progettarla e costruirla, attualmente si è riuscita a produrre ma non c’è una qualità nella produzione di pezzi.
Per quanto concerne invece la tecnologia 3D la NASA sta pensando ad un sistema per inviare la stampante 3D che sfrutta questa particolare tecnologia su di altri pianeti, in modo da realizzare abitazioni in totale autonomia.
La ESA sta pensando di sfruttare, in futuro, i materiale dei pianeti per costruire aggetti, il quale e possibile soltanto con una stampante 3d che s riesca a sintetizzare il materiale
Campo medicale
Nel settore medicale la stampa 3D sembra un fiorire di nuovi progetti, specialmente nel ramo della combinazione della stampa 
additiva con tecniche di imaging 3D: è infatti così possibile ‘scannerizzare’ il paziente tramite le tecnologie tradizionali (ad esempio TAC) e modellare al computer una protesi o un pezzo di organo perfettamente su misura con costi e tempi ridotti. In precedenza era invece necessario ricorrere alla produzione di stampi e costose opere di lavorazione meccanica per cui la ‘personalizzazione’ della protesi risultava molto costosa. Data la necessità di ammortizzare con un singolo intervento chirurgico la spesa di tutte le complesse lavorazioni impiegate per la realizzazione di una singola protesi.
Ad Utrecht è stato effettuato il primo trapianto di cranio stampato in 3D ad un paziente. La calotta cranica è stata realizzata con un resina speciale tramite l’utilizzo di una stampante 3D. Altri possibili utilizzi della stampante 3D applicata alla medicina sono quelli di supporto alle attuali tecniche chirurgiche: ad esempio, grazie alla ricostruzione in 3D di un cuore di un bambino di 14 mesi un team specializzato è riuscito ad effettuare un’operazione prima impensabile.
Uso domestico
Ci sono stati vari sforzi per sviluppare stampanti 3D adatte all’uso domestico, e per rendere questa tecnologia disponibile a prezzi accessibili a molti utenti finali individuali. Molto di questo lavoro è stato guidato da e focalizzato su comunità di utenti fai da te/entusiasti/precoci, con legami con il mondo accademico.
RepRap è un progetto che mira a produrre una stampante 3D FLOSS, le cui specifiche complete sono distribuite sotto la GNU General Public License, e che può stampare una copia di sé stessa. Alla data del novembre 2010, la RepRap poteva stampare solo parti in plastica. La ricerca è in corso per permettere al dispositivo di stampare anche circuiti stampati, nonché parti in metallo.
Un altro progetto che ha fatto strada e che ha ereditato molto dalla RepRap è la Thing-o-Matic della MakerBot Industries. La Thing-o-Matic è stata la prima stampante venduta in kit di montaggio e diffusa in tutto il mondo. Il modello Replicator della Makerbot, sta prendendo il posto della Thing-o-Matic. La Replicator ha riscosso un grandissimo successo al CES di Las Vegas 2012.
Anche in Italia sono state sviluppate stampanti 3D tra cui la Sharebot, la Galileo di Kentstrapper, la Playmaker che con un volume di stampa maggiore la rende accessibile anche all’uso professionale oltre che privato. La PowerWasp, realizzata da Wasp Project che lavora per divulgare le tecnologie più avanzate e renderle raggiungibili a tutti, pari conoscenza e pari opportunità per liberare la creatività e rilanciare l’economia dal basso.
Recentemente sono state presentate stampanti 3d chiamate a “doppio estrusore” come la Sharebot Next Generation o la Markebot Replicator 2X e la XYZ DaVinci 2.0. Queste stampanti permettono di stampare un modello usando due filamenti permettendo al modello di avere due colori diversi.
Uso alimentare
La stampa 3D si è dimostrata sin dalla sua prima evoluzione molto interessata al settore alimentare tanto che negli Stati Uniti sono già stati aperti alcuni ristoranti dimostrativi che preparano cibo solo mediante l’utilizzo di stampanti 
3D. Questi cibi vanno dal cioccolato allo zucchero, dalla pizza ai biscotti, dalla pasta alle verdure.
Il settore è totalmente in fermento e nel 2014 anche la Barilla si è dimostrata intenzionata a sviluppare una stampante 3D in grado di stampare delle paste in formati personalizzabili.
Alla fine del 2014 Barilla ha portato a termine un concorso al quale hanno partecipato oltre 500 designer che hanno creato 216 modelli di pasta unici.
A Cibus 2016 (il Salone internazionale sulle ultime tendenze riguardanti il food ), Barilla ha presentato un nuovo prototipo di stampante 3D la quale, utilizzando degli ingredienti contenuti all’interno di una cartuccia, è in grado di stampare la pasta fresca . Tale prototipo potrà essere utilizzato in ambito domestico o all’interno di ristoranti o aziende.
Uso edilizio
Attualmente si stanno testando materiali e stampanti 3D interamente indirizzate al settore edilizio/architettonico. Degni di nota sono gli esperimenti dell’italiano Enrico Dini e della sua azienda D-Shape, il quale è riuscito a stampare la pietra. WASP, altra azienda italiana, è riuscita a stampare oggetti in argilla.
Al di fuori dell’Italia si notano notevoli sviluppi soprattutto nella messa a punto del materiale cementizio: in Cina sono riusciti a stampare 10 case in calcestruzzo in 24 ore. Mentre in California del Sud, grazie al progetto Contour Crafting, è stata ideata una stampante in grado di costruire una casa di 100 m2, con muri e solette.
Altro progetto molto interessante arriva dalla Spagna e si chiama Minibuilders: si tratta di piccoli robot che mentre si muovo su cingoli rilasciano materiale. Potenzialmente questi piccoli robot potrebbero stampare volumi di dimensioni infinite.
Craig Gerrand, chirurgo presso il Newcastle Upon Tyne Hospitale NHS Trust, ha operato per la prima volta al mondo una persona malata di tumore sfruttando i vantaggi della stampa 3D. Al paziente doveva essere rimosso metà bacino per evitare che il cancro continuasse a svilupparsi nel corpo. Tramite una precisa ricostruzione in 3D del bacino ed una stampa realizzata con una stampante 3D laser che utilizza polvere di titanio, è stato possibile creare la protesi di mezzo bacino, impiantandola successivamente nel corpo del paziente.
Presso la Washington University of St. Louis è stato realizzato un arto robotico sfruttando la stampa 3D[30]. L’aspetto interessante di questa vicenda riguarda soprattutto i costi: una protesi “normale” sarebbe costata oltre 5000$ in più. Grazie alla stampa 3D è dunque possibile realizzare protesi artificiali risparmiando una notevole mole di denaro.
Per quanto concerne invece il grave problema dell’osteoartrite, anche in questo caso la stampa 3D sta fornendo soluzioni un tempo impensabili. Il 27 aprile 2014, alla Experimental Biology Conference 2014 di San Diego, è stato mostrato un sistema che permette la sostituzione delle parti colpite dall’osteoartrite con cartilagine derivata dalle cellule staminali. Questa tecnica prevede l’utilizzo di stampanti 3D per modellare la cartilagine. Un caso simile è avvenuto in Cina, dove una sessantaduenne colpita da metastasi ossee è stata operata con un complicato intervento di ricostruzione pelvica in cui il tessuto osseo colpito dal tumore è stato sostituito con una protesi in titanio stampata in 3D.
Un altro esempio è la ricostruzione facciale effettuata su di un ragazzo colpito da un terribile incidente: si è proceduto con la ricostruzione e successiva stampa in 3D della faccia grazie a delle fotografie precedenti al fatto.
Grazie alla stampa 3D, inoltre, alcuni medici del St. Thomas’ Hospital di Londra hanno potuto salvare la vita ad una bambina di due anni. Pare, infatti, che la bambina (chiamata Mina) fosse nata con una malformazione cardiaca data da un foro tra i ventricoli del cuore. I medici non potevano agire direttamente sul cuore della piccola Mina anche perché il cuore era ancora troppo piccolo per poter osare un intervento simile. Tramite la tecnologia della stampa 3D, invece, i medici hanno potuto costruire una copia esatta del cuore della bambina in maniera tale da studiare il modo ottimale per “rattoppare” il foro tra i ventricoli del cuore della piccola Mina e conoscere le eventuali risposte del muscolo, in fase di operazione, sul cuore reale. L’intervento chirurgico ha avuto esito positivo.
L’uso di stampanti in 3D per ricreare gli organi dei pazienti potrebbe essere uno strumento fondamentale per studiare la riproduzione degli organi umani prima di agire chirurgicamente[34] ed in futuro anche per la creazione di organi completamente artificiali, a titolo di esempio si cita l’azienda statunitense Organovo sta testando la stampa 3D di materiali organici per la riproduzione di organi umani.