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16/01/2017

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di Giancarlo Magnaghi

Così si va oltre la terza dimensione

L’evoluzione di dispositivi di stampa e materiali innovativi non conosce soste, e vengono sfornati in continuazione nuovi suggestivi termini, il cui significato non è di immediata comprensione. Chiariamo il significato di alcuni dei più recenti.

L’evoluzione di dispositivi di stampa e materiali innovativi non conosce soste, e vengono sfornati in continuazione nuovi suggestivi termini, il cui significato non è di immediata comprensione. Nel seguito, cerchiamo di chiarirne il significato di alcuni nuovi apparsi negli ultimi mesi, per evitare malintesi e incomprensioni. Diamo naturalmente per scontato che quando si parla di ‘Stampa 2D’ tutti intendano che si stia parlando delle tradizionali stampanti e plotter che ormai sono in grado di utilizzare una molteplicità di supporti diversi dalla carta (magliette, oggetti promozionali, altro). Allo stesso modo, quando ci riferiamo invece al concetto di ‘Stampa 3D’, i lettori abituali di questa rubrica sanno benissimo che in questa categoria rientrano le 3D printer che permettono di realizzare oggetti fisici (modelli, prototipi e prodotti finiti) con materiali plastici, metallici, ceramici, compositi, sabbie, paste, alimenti e cellule staminali (in forma di solidi, polveri o liquidi) partendo da modelli matematici contenuti in file CAD 3D in vari formati (STL, AMF, 3MF, OBJ, STP, VRML...) e utilizzando varie tecnologie costruttive (FFF, SLA, SLS, LOM, altre). Vediamo quindi invece le nuove tipologie di stampa su cui è utile iniziare a chiarirsi bene di cosa si tratta.

Stampa 2.5D
La stampa 2.5D è una stampa a rilievo – ‘textural printing’ o ‘elevated printing’ - che aggiunge una dimensione tattile alla stampa 2D e permette di toccare e valutare la superfice e la texture degli oggetti stampati. In pratica è una stampa 3D a ‘basso rilievo’, che aggiunge alla classica stampa 2D una limitata dimensione verticale sull’asse Z che varia da alcuni millimetri ad alcuni centimetri. Canon offre alcune macchine flatbed di grande formato basate su una tecnologia sviluppata da Océ, acquisita da Canon nel 2010. Possono stampare su vari materiali (legno, laminato plastico, vetro, ceramica, marmo, pietra, etc.) con altezze che possono arrivare ad alcuni millimetri. Anche Casio ha presentato un prototipo di stampante 2.5D che utilizza uno speciale supporto multi-strato sviluppato dalla società: un wafer costituito da due fogli di carta stampabile (formato A3 o A4) che contengono uno strato di microcapsule di plastica ‘termo espandente’. In una prima fase, la pagina nel retro viene stampata con un inchiostro nero sensibile ai raggi infrarossi. Poi la pagina frontale è stampata a colori, e infine viene applicata nella parte posteriore una luce infrarossa che riscalda il supporto e fa espandere in modo selettivo le microcapsule, che possono creare rilievi fino a 2 millimetri. Ma la stampa 2.5D può essere realizzata anche con stampanti 3D semplificate. È questo il caso delle food-printer come Choc Creator dell’inglese ChocEdge utilizzate per decorare le torte o di alcune stampanti specializzate per creare scritte in rilievo su piccoli oggetti.

Stampa 4D
La stampa 4D, il cui concetto è stato introdotto da Skylar Tiddbits del MIT, permette di produrre tramite stampanti 3D e materiali ‘intelligenti’ (smart material) oggetti tridimensionali dinamici anch’essi intelligenti. Ovvero in grado di mutare la propria forma/aspetto o compiere azioni specifiche se sottoposti a uno stimolo energetico predeterminato (come calore, vibrazioni, elettricità, magnetismo, luce, suono) o al verificarsi di particolare condizioni come, per esempio, il raggiungimento di un particolare grado di umidità o variazioni dell’illuminazione e della temperatura. La stampa 4D può essere quindi vista come una stampa 3D con una dimensione in più: il tempo. Infatti, gli oggetti creati con la stampa 4D possono evolvere nel tempo, sotto lo stimolo di eventi esterni. Queste operazioni vengono da sempre svolte su scala nano e micrometrica dalle proteine, ma grazie alla stampa 3D multimateriale è possibile aumentare la scala. I materiali utilizzati sono polimeri elettro-attivi, elastomeri dielettrici, leghe metalliche ‘intelligenti’, fibra di carbonio, legno e tessuti programmabili, ma possono anche essere organici e biologici. In questa frontiera nascente sono già impegnate società come Autodesk (che sviluppa il software di progettazione), Stratasys (che ha acquistato l’azienda israeliana Objet, specializzata nello sviluppo di materiali ‘programmabili’), il MIT di Boston (che ha un Self-Assembly Lab per oggetti auto-assemblanti) e le università di Harvard e di Wollongong (quest’ultima in Australia).
Le prime applicazioni pratiche sono in fase di sviluppo nel settore militare (uniformi mimetiche che cambiano colore in funzione dell’ambiente, come i camaleonti) e aereonautico: Airbus sta sviluppando ali che cambiano forma in funzione delle condizioni aerodinamiche per diminuire la resistenza all’aria. Secondo Markets&Markets, entro il 2025 il mercato globale della stampa 4D raggiungerà il valore di oltre 500 milioni di dollari.

Stampa 5D
Il nome di questa tecnologia potrebbe portare fuori strada, poiché 5D non si riferisce alla stampa in un fantascientifico iperspazio a 5 dimensioni, ma definisce semplicemente una nuova famiglia di stampanti 3D con 5 gradi di libertà (5 assi) invece dei 3 assi utilizzati dalle stampanti 3D convenzionali, come già succede in molte macchine utensili a controllo numerico (frese a 5 assi) e in alcuni bracci robotici. Più precisamente, in una stampante 5D, proprio per quanto detto chiamata anche stampante a 5 assi, il piano di stampa (print bed) può ruotare su due piani di rotazione (A e B) in aggiunta ai tre assi X, Y, Z con una numero totale di 5 assi: X, Y, Z, A, B. Quindi nella produzione additiva a 5 assi gli strati degli oggetti possono essere aggiunti da più di una direzione e non solo perpendicolarmente al piano XY e quindi possono essere curvi invece che piani, producendo parti fino a cinque volte più resistenti rispetto alla tradizionale stampa a 3 assi, in cui la resistenza a trazione sull’asse Z in cui gli strati vengono ‘incollati’ è tipicamente inferiore a quella sul piano XY.
Per sfruttare pienamente le possibilità della stampa 5D è però necessario conoscere non solo la geometria dell’oggetto da costruire, ma anche le caratteristiche degli sforzi che deve sopportare (intensità e direzione) per massimizzare la resistenza lungo gli assi di massima sollecitazione. Questo richiede software CAM particolarmente avanzati, ancora in fase di sviluppo. La tecnologia di stampa 5D è stata sviluppata presso i Mitsubishi Electric Research Labs (MERL) ed è tuttora in fase sperimentale. Vengono anche realizzate stampanti 5D ‘out-of-the-box’ sia per plastica che per metalli, costitute da bracci robotici a 5 assi. Molti produttori e centri di ricerca stanno lavorando in questa direzione, come 3D Systems, Stratasys, Arevo Labs e la startup olandese MX3D, che sta costruendo ad Amsterdam il ponte metallico MX3D Bridge stampato in 3D da un braccio robotico in grado di estrudere e saldare qualsiasi forma in metallo o resina.

 

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