Stampa 3D

Tecnologia di stampa

La stampa 3D, detta anche prototipazione rapida, è una tecnologia additiva che consente di realizzare oggetti tridimensionali strato dopo strato a partire da un modello digitale CAD. Esistono diverse tecnologie di stampa 3D, la cui principale differenza riguarda il metodo con cui vengono prodotti gli strati. Ogni metodo di stampa 3D presenta vantaggi e limiti specifici. Alcune aziende produttrici consentono di scegliere tra diversi materiali di stampa, come polveri o polimeri, che costituiscono la base dell'oggetto tridimensionale. Tra i principali fattori considerati nella scelta della tecnologia o della stampante 3D vi sono la velocità di stampa, il costo del prototipo, il prezzo della macchina, la disponibilità di materiali, le colorazioni e altre caratteristiche operative.

Lo standard ISO/ASTM52900:2021 definisce sette categorie di processi additivi:

• Binder Jetting (BJT): tecnica che applica strati di polvere, successivamente legati tra loro tramite un collante.
  Tale soluzione è ottimizzata per velocità, basso costo e facilità d'uso, risultando particolarmente adatta alla visualizzazione di modelli nelle fasi concettuali della progettazione ingegneristica e nei primi stadi del collaudo funzionale. Non richiede l'uso di sostanze chimiche tossiche come quelle impiegate nella stereolitografia, e la finitura post-stampa è minima: è sufficiente rimuovere la polvere circostante soffiando delicatamente. Gli oggetti prodotti con polvere legata possono essere ulteriormente rinforzati tramite impregnazione con cera o polimeri termoindurenti.
• Directed Energy Deposition (DED): processo in cui l’energia termica focalizzata fonde il materiale mentre viene depositato.

• Material Extrusion (MEX), anche conosciuta come Modellazione a deposizione fusa (in inglese Fused Filament Fabrication – FFF o Fused Deposition Modeling – FDM); processa polimeri termoplastici fusi e depositati strato su strato tramite un ugello riscaldato.
  La modellazione a deposizione fusa (FDM) deriva da tecnologie storicamente impiegate, ad esempio, nella saldatura di fogli plastici, nell'incollaggio a caldo e nell'applicazione automatizzata di guarnizioni polimeriche. Nei primi anni '80, Hideo Kodama e successivamente S. Scott Crump adattarono questa tecnologia a una struttura cartesiana. Alla scadenza del brevetto, la tecnologia FDM divenne disponibile commercialmente grazie alla società Stratasys. Con questa tecnica è possibile rinforzare le parti inserendo materiali metallici all'interno dei pezzi sfruttando la creazioni di nicchie nel modello 3D e impostando una pausa programmata durante la fase di stampa.
  Queste stampanti possono avere varie strutture, ma si differenziano anche per il tipo di gestione dei materiali, che possono essere sotto forma di pellet/granuli o filamento, inoltre per i filamenti questi possono essere controllati con sistemi diretti (montati sulla testina di stampa) oppure bowden (l'azione di controllo, spinta e retrazione del filamento è dislocata sul telaio, quindi remota e indipendente rispetto alla testina di stampa), questo permette di aumentare le accelerazioni e ridurre i tempi di stampa, con il contro di una gestione del filamento più complessa e con limitazioni sui materiali elastici.
• Material Jetting (MJT), processo in cui goccioline di materiale vengono depositate selettivamente e poi solidificate. I materiali più comuni includono resine fotopolimeriche e cere, utilizzate per prototipi ad alta precisione e modelli dettagliati.
• Powder Bed Fusion (PBF), o sinterizzazione, processo in cui l’energia termica fonde selettivamente regioni di un letto di polvere granulare. Ne fanno parte tecniche come la sinterizzazione laser selettiva (SLS), la Direct Metal Laser Sintering (DMLS), la fusione a fascio di elettroni (EBM) e la fusione laser selettiva (SLM).
  In questa tecnologia, la polvere non fusa funge da supporto naturale per sporgenze e pareti sottili, riducendo la necessità di strutture ausiliarie temporanee. Le configurazioni ultrasottili possono essere realizzate mediante la tecnica di microfabbricazione 3D basata sulla fotopolimerizzazione a due fotoni. In questo approccio, l'oggetto tridimensionale desiderato viene definito all'interno di un blocco di gel tramite un laser focalizzato. Il gel si solidifica nei punti colpiti dal laser grazie alla natura non lineare della foto-eccitazione, mentre il materiale residuo viene successivamente rimosso. Questa tecnologia permette di produrre facilmente strutture con dimensioni inferiori ai 100 nm, comprese geometrie complesse come parti mobili e intrecciate.
• Sheet Lamination (SHL), nota anche come Laminated Object Manufacturing (LOM), processo che utilizza strati di materiale laminato (ad esempio carta o metalli) applicati successivamente sul piano di lavoro e tagliati per ottenere la forma desiderata, come nella Produzione di oggetti laminati.
• Vat Photopolymerization (VPP), o stereolitografia a vasca, processo in cui un fotopolimero liquido contenuto in una vasca viene polimerizzato selettivamente tramite una sorgente luminosa a luce inattinica (es. SLA, DLP). La piattaforma di costruzione si muove verticalmente in piccoli incrementi e il polimero liquido viene nuovamente esposto alla luce, ripetendo il processo strato dopo strato fino al completamento del modello. Successivamente il polimero residuo viene drenato dalla vasca, lasciando l'oggetto solido.

Esistono anche altri processi di stampa 3D, come la tecnologia Rapid Liquid Print (RLP), classificata come una tecnica di stampa 3D in sospensione (o stampa a estrusione in gel). Sviluppata originariamente al MIT, caratterizzata dal fatto che non necessita di stampare strato su strato, ma inietta materiali liquidi (come silicone o poliuretano) direttamente all'interno di una vasca riempita di gel e che fa da supporto.

Struttura delle stampanti

La struttura della stampante cambia sia in base alla tecnologia di stampa sia alla tecnica specifica Le strutture per le stampanti possono essere:

• Stampanti MEX, MJT e DED, di base sono stampanti del tipo a 3 assi, ma esistono anche versioni a 5 assi (i due assi supplementari sono dati dall’inclinazione del letto di stampa) o più.
  • Stampanti a braccio robotizzato stampanti che fondano il loro funzionamento sulla tecnologia dei bracci robotizzati usati nelle catene di montaggio e capaci di grande mobilità e libertà di movimento riadattati per poter effettuare stampe 3D
  • Stampanti cartesiane
    • A letto scorrevole, basate sul movimento del piatto lungo l'asse Y mentre l'ugello erogatore si muove sugli assi X e Z.
    • Nastro Continuo, l'asse dell'ugello erogatore è inclinato e essendo abbinato a un letto a scorrimento continuo in stile tapis roulant, questa combinazione fa sì che l'ugello scorre su tutti gli assi.
    • Cartesiana pura, la testina viene vincolata con una struttura simile al carroponte, mentre il letto scorre lungo l'asse Z.
  • Stampanti CoreXY basate sul movimento del piatto lungo l'asse Z mentre l'ugello erogatore si muove sugli assi X e Y.
  • Stampanti Delta basate su un piatto di stampa completamente immobile mentre l'ugello erogatore si muove sugli assi X Y e Z.
  • Stampanti Polar basate su uno speciale movimento del piatto che oltre a muoversi lungo l'asse Y ruota anche sul proprio asse mentre l'ugello erogatore si muove sull'asse Z.
• Stampanti VPP (fotopolimerizzazione in vasca) utilizzano estere monoetilico dell'acido fumarico (FAME) oppure poli(D,L-lattide) (PDLLA) e N-vinil-2-pirrolidone.
  • Stereolitografia laser (SLA) la modellazione è effettuata tramite il pilotaggio di un raggio laser UV.
  • Stereolitografia mascherata (MSLA) i pezzi vengono realizzati grazie a uno schermo LCD (in passato del tipo RGB, attualmente del tipo monocromatico con luce da 405 nm) che lascia passare i raggi UV della matrice LED UV di fatto la risoluzione sugli assi X e Y delle parti stampate è vincolata alla risoluzione dello schermo LCD.
  • Elaborazione diretta/digitale della luce (DLP) si basa su un proiettore laser UV risultando di fatto una soluzione intermedia rispetto alla MSLA e alla SLA in questo caso la risoluzione è determinata dalla distanza tra piatto e proiettore più è piccolo il pezzo da modellare maggiore sarà la risoluzione in quanto è possibile ridurre la distanza Clip è una tecnica proprietaria con queste caratteristiche.
  • Continuous Digital Light Manufacturing (cDLM) si differenzia dall'SLA per il metodo utilizzato per la polimerazione in quanto la proiezione avviene dal basso verso l'alto attraverso una superficie trasparente
• Stampanti BJT e PBF stampanti che depositano strati di polvere e tramite le differenti tecnologie vengono legati tra loro
• Stampanti SHL stampanti in cui la produzione di oggetti avviene attraverso la sovrapposizione di strati laminati pretagliati o tagliati al momento.

Taratura

Prima dell'uso, le stampanti 3D devono essere tarate e testate per evitare problemi quali riproduzione dimensionale errata, sottoestrusione o sovraestrusione, scarsa adesione tra gli strati e altri difetti. Le procedure di taratura variano a seconda della tecnologia di stampa utilizzata, ma in generale comprendono la regolazione degli assi delle parti in movimento, la verifica della planarità del piatto di costruzione e prove di controllo dimensionale sui pezzi prodotti.

Prima di avviare il processo di taratura è necessario verificare l'assemblaggio e i giochi meccanici tra gli assi, che da soli possono compromettere la funzionalità della stampante, in alcune soluzioni il gioco è fisiologico, come nel caso delle barre filettate, ma è comunque possibile ridurre o annullare la sua entità tramite l'uso di blocchi anti-contraccolpo o anti-gioco (anti-backlash).

Taratura principale del piano di stampa delle stampanti MEX

Lo stesso controllo va effettuato sul piano di stampa, che deve essere livellato. Nelle stampanti MEX/FFF questo avviene manualmente tramite le tre o quattro ruote di regolazione e l'uso di uno spessore calibrato, mentre nelle stampanti a resina il piano può essere regolato mediante fermi o, in alcuni modelli, in modo automatico. Alcuni sistemi prevedono la correzione delle deformazioni del piano tramite misurazioni su più punti (ad esempio un reticolo 3×3 o maggiore) utilizzando lo stesso spessore calibrato per il livellamento e la successiva regolazione dello Z-Offset per compensare lo spessore calibrato utilizzato per la taratura, operazione particolarmente utile anche quando si sostituisce la testina di estrusione o solo l'ugello o se si stampa con e senza piatto mobile.

Verifica dell'assemblaggio

Per le stampanti del tipo MEX (estrusione di materiale), la taratura prosegue con la verifica della correttezza dell'estrusione del filamento e degli spostamenti degli assi. Tutte le misure sono espresse in passi/mm e le correzioni si effettuano confrontando le misure reali con quelle desiderate, apportando le proporzioni necessarie. Le prove devono essere eseguite utilizzando strumenti di precisione, come comparatori e calibri. Una volta determinati i valori corretti dei passi/mm, essi vanno impostati nella stampante tramite il menù di configurazione o aggiornando il firmware; in alternativa, il software di stampa può caricare automaticamente i valori corretti ad ogni stampa. La prima verifica riguarda l'estrusore (generalmente identificato come "E"), che viene testato facendo scorrere a bassa velocità circa 10–15 cm di filamento in aria. Per determinare la corretta temperatura dell'estrusore, il filamento va inizialmente spinto manualmente attraverso l'ugello, partendo dalle temperature consigliate dal produttore, successivamente, la temperatura può essere adattata in base alla facilità di estrusione e, se necessario, testata mediante una torre di temperatura ovviamente il sistema di gestione della temperatura PID o MPC deve essere adeguatamente tarato per garantire la stabilità della temperatura d'estrusione. Bisogna in ogni caso valutare poi le temperatura in base al materiale e pezzi da stampante, andando a valutare eventuali difetti durante la stampa anche in base alla velocità di stampa. Successivamente, è necessario verificare la corretta gestione della stampante da parte del software di slicing, effettuando una prova di stampa del filamento tramite un cubo vuoto a singola parete (vase mode o stampa a spirale). Si procede poi con la verifica degli assi X, Y e Z tramite un cubo liscio, ed alla presenza di un eventuale difetto di gestione delle ondulazioni dell'asse Z (Z wobble) e delle conseguenti bande sull'asse Z (Z banding). Per migliorare la precisione dimensionale, soprattutto agli spigoli o in corrispondenza di cambi di traiettoria, può essere abilitata la funzione di Linear Advance, che compensa l'effetto elastico del filamento tra estrusore e testina calda. Il movimento della testina non passa istantaneamente da una velocità all'altra, ma segue parametri definiti come jerk o junction deviation per l'avvio istantaneo del movimento, seguiti dall'accelerazione in mm/s² per raggiungere la velocità desiderata. Questi fattori possono generare vibrazioni che limitano le prestazioni della macchina se non compensate dall'algoritmo di input shaper, tali vibrazioni se non smorzate da piedini antivibranti possono essere trasmesse alle superfici e creare disturbo. Infine, si eseguono prove di incastro per verificare la corretta gestione dei perimetri e, se necessario, correggere nel software di slicing il parametro di espansione orizzontale dei fori. Le stampe effettuate a velocità differenti possono presentare difetti di sotto- o sovraestrusione, poiché l’estrusore che spinge il filamento nella testina calda (hotend) non risponde in modo lineare alle variazioni di velocità di estrusione. Ciò tende a provocare sotto-estrusione alle velocità più elevate. Per ridurre questi problemi si adottano diverse strategie, tra cui il controllo lineare del filamento, che verifica la quantità effettivamente estrusa, o il pilotaggio non lineare dell’estrusore, che applica fattori di correzione all’azionamento in funzione delle diverse velocità di estrusione.

Per le stampanti a resina, invece, è necessario eseguire un test di esposizione per verificare come polimerizza il materiale e determinare il tempo di esposizione ottimale, bilanciando la solidificazione sufficiente per la resina con la massima conservazione dei dettagli tra bassorilievi e altorilievi.

Alcuni algoritmi di gestione della stampante possono risultare particolarmente impegnativi per la scheda di controllo, per cui alcune funzionalità vengono gestite direttamente dal software di laminazione, alleggerendo la CPU della stampante. Un esempio è il Coasting o Wipe before retracting, che controlla l’ultima parte di estrusione di una linea, svolgendo in parte la stessa funzione del Linear Advance. Tuttavia, più funzioni vengono spostate sul software di laminazione, maggiore sarà la dimensione del codice G generato per la stampa.

Generalmente al termine delle varie tarature hardware, di firmware e del software di laminazione si utilizzano modelli 3D più complessi per effettuare una verifica più completa e complessa della stampa nel suo insieme, uno dei test più famosi è il 3DBenchy.
In genere la precisione risulta migliore per parti più grandi, mentre parti più piccole risultano più suscettibili alle deviazioni dimensionali, causa limitazioni del flusso del materiale estruso e dell'adesione tra gli strati, un attento controllo dei parametri di stampa e delle proprietà dei materiali può mitigare queste deviazioni, ottenendo parti più coerenti e affidabili. Tali imprecisioni dimensionali sono causati da meccanismi sottostanti, come la contrazione termica durante il raffreddamento e le variazioni nella deposizione dei materiali lungo i diversi assi, l'ottimizzazione dei parametri di processo è essenziale per ridurre al minimo la formazione di vuoti, l'accumulo di stress residuo e la deformazione per torsione, in particolare per i componenti stampati in FDM piccoli e intricati.

Camera di lavoro

La camera di lavorazione può essere aperta o chiusa, e nel caso di camere chiuse il riscaldamento può essere attivo o passivo. Alcuni materiali o tipologie di stampa richiedono una camera chiusa per garantire la corretta lavorazione, mentre altri prediligono una camera aperta.
Quando la camera è chiusa, è possibile un migliore controllo della temperatura interna, particolarmente utile quando è necessario mantenere una temperatura minima relativamente alta per ridurre le distorsioni dei pezzi. Il riscaldamento passivo sfrutta il calore del piatto di stampa e della testina calda (hotend), mentre nei sistemi a riscaldamento attivo la camera dispone di un sistema dedicato per mantenere la temperatura desiderata, riscaldando l'aria della camera di lavoro, mentre altri sistemi di riscaldamento utilizzano lampadine alogene o infrarossi per poter riscaldare in modo più diretto le parti stampate, minimizzando il rischio di moti convettivi

Le camere di lavoro chiuse possono essere realizzate anche su stampanti originariamente progettate con camera aperta. Esistono sia soluzioni ufficiali fornite dai produttori sia soluzioni artigianali, più o meno complesse, realizzate dagli utenti.

Le camere di lavoro aperte consentono alle stampanti MEX (principalmente di tipo cartesiano) delle soluzioni per la stampa 3D continua/infinita, dove tramite soluzioni quali il piatto a rullo o la sostituzione del piatto oppure l'uso di escamotage per liberare il piatto dalla stampa 3D appena conclusa tramite l'uso della testina di stampa, queste soluzioni sono fattibili tramite la personalizzazione dello "Start G-code", quindi del codice G all'inizio del file di stampa e dell'"End G-code", quindi del codice G a fine ciclo di stampa, quest'ultimo tramite la dovuta personalizzazione permette gli escamotage per ottenere la stampa 3D continua anche su macchine che non hanno il piatto a rullo o sistemi con sostituzione del piatto, appunto tramite la spinta del pezzo realizzato tramite la testina o il portale della testina.

Ventilazione

La ventilazione è un parametro fondamentale nella stampa 3D, in quanto consente di solidificare lo strato depositato prima della posa di quello successivo. In questo modo si ottiene una maggiore precisione dimensionale ed è possibile evitare che il materiale, ancora semifluido e non sufficientemente cristallizzato, venga deformato dagli spostamenti dell’ugello di deposizione. La ventilazione viene inoltre sfruttata per alcune funzioni specifiche, come la realizzazione di ponti o di sbalzi particolarmente pronunciati senza ricorrere ai supporti.

La ventilazione diventa sempre più importante all’aumentare della velocità di stampa e al diminuire dell’area del singolo strato, poiché si riduce il tempo disponibile per la solidificazione e la cristallizzazione del materiale depositato. Un raffreddamento adeguato è quindi essenziale, ma deve essere attentamente gestito in base al materiale utilizzato: in alcuni casi è necessario limitare o controllare la ventilazione, preferendo una camera di lavoro chiusa per evitare flussi d’aria indesiderati che potrebbero raffreddare in modo non uniforme il pezzo e comprometterne la qualità.

La risoluzione

La risoluzione di una stampante 3D è espressa in spessore degli strati e in risoluzione X-Y, solitamente misurata in dpi. Lo spessore degli strati è generalmente compreso tra i 250 e i 10 micrometri (0,25–0,01 mm), e può essere costante per tutta la stampa o variare tra gli strati a seconda del programma di stratificazione; in alcuni casi può variare anche all’interno dello stesso strato. La risoluzione X-Y, invece, è paragonabile a quella delle stampanti laser.

Nel metodo FDM la risoluzione media (e più comunemente utilizzata) è di 0,2 mm. Essa dipende anche dal diametro dell’ugello, poiché lo spessore massimo non dovrebbe superare l’80% del suo diametro. Minore è lo spessore dello strato, maggiore è la risoluzione, ma più lunghi diventano i tempi di stampa. Analogamente, l’uso di ugelli con diametro ridotto consente di ottenere più dettagli lungo gli assi X-Y, a scapito della velocità di produzione. In FDM, ad esempio, risoluzioni di 0,3–0,4 mm sono considerate basse, mentre valori compresi tra 0,05 e 0,1 mm rientrano tra le risoluzioni molto alte.

Riempimento

Esempi di riempimenti differenti: a sinistra del tipo a griglia, al centro del tipo a nido d'ape, a destra del tipo gyroid

Una caratteristica importante delle stampe 3D è il riempimento (in inglese infill), ovvero il reticolato interno che viene realizzato strato dopo strato all’interno dell’oggetto. Esistono diversi schemi di riempimento tra cui scegliere: uno dei più comuni è quello a griglia (rectilinear), formato da quadrati regolari; un altro è quello esagonale (honeycomb), detto anche “nido d’ape”, costituito da esagoni adiacenti; infine, un esempio più complesso è il gyroid, un reticolato tridimensionale di superfici minime periodiche, caratterizzato da linee ondulate che si intrecciano, utilizzato anche in scienza dei materiali per le sue proprietà di resistenza e leggerezza. L’aspetto più rilevante del riempimento è la percentuale di infill, che può variare da 0% (oggetto completamente vuoto) a 100% (oggetto pieno). Una percentuale elevata aumenta la robustezza del pezzo ma anche i tempi e i consumi di stampa; al contrario, una percentuale bassa riduce notevolmente l’uso di materiale e il tempo necessario. Nella stampa FDM, un valore compreso tra il 20% e il 25% rappresenta in genere un buon compromesso tra resistenza e risparmio. A stampa ultimata il riempimento non è visibile, poiché gli strati superiori e inferiori vengono realizzati in modo completamente solido, garantendo così una superficie esterna uniforme.

A sinistra un esempio di riempimento realizzato con linee doppie congiunte agli estremi e con linee di guscio aggiuntive; il riempimento presenta il difetto dello stringing, in quanto non vengono applicati gli stessi accorgimenti previsti per le pareti esterne.
A destra un confronto tra un riempimento base e un riempimento con spessore differente rispetto al resto della stampa, linee raddoppiate e collegate tra loro creando un ulteriore perimetro seguendo le pareti interne.

Il riempimento può essere regolato tramite numerosi parametri. Tra questi rientrano, ad esempio, il numero di linee, la modalità con cui esse vengono congiunte, l’eventuale utilizzo del riempimento come supporto per i bordi dei piani superiori o per la creazione di pareti aggiuntive con impostazioni diverse da quelle del guscio. In alcuni casi è possibile impiegare anche una risoluzione (altezza dello strato) differente rispetto a quella del guscio, con il vantaggio di ridurre i tempi di stampa e gli spostamenti della testina. Tali parametri influenzano non solo la resistenza meccanica complessiva del pezzo, ma anche la qualità della superficie esterna, in particolare degli strati superiori.

Il guscio

La parte esterna del pezzo («guscio») è formata da pareti esterne e interne (perimetri) e dagli strati superiori e inferiori (strati pieni); ciascun elemento dispone di parametri di stampa specifici che contribuiscono a ottenere superfici uniformi e una struttura solida.

Lo spessore delle pareti è determinato dalle esigenze di resistenza del pezzo finale, dal materiale utilizzato, dai tempi di stampa e dal diametro dell'ugello di estrusione.

Il guscio può essere liscio oppure presentare una trama più o meno complessa, definita dal programma di modellazione. Il programma di laminazione (slicer) può riprodurre fedelmente tale superficie oppure generare, nello strato più esterno, una tramatura irregolare («fuzzy skin»), che conferisce un aspetto ruvido e discontinuo. Questa tecnica permette di mimetizzare i segni degli strati e alcuni difetti di stampa, oltre a rendere più realistici i modelli che riproducono animali con pelliccia.

Piano di stampa

Il piano di stampa è un componente presente in tutte le stampanti 3D e può avere forma quadrata, rettangolare o circolare a seconda del modello; la sua dimensione può variare da pochi centimetri a diversi metri e contribuisce a determinare l'area di stampa, che può variare da pochi centimetri cubi a diversi metri cubi.

Nelle stampanti di tipo MEX (Material Extrusion) riveste un ruolo particolarmente importante, poiché le caratteristiche del piano influenzano l’adesione del materiale, le temperature raggiungibili e i materiali compatibili. I piatti di stampa possono essere realizzati in diversi materiali (alluminio, acciaio, vetro, vetro borosilicato) e presentare superfici differenti (lisce, microforate, satinate).
Il piano può inoltre essere rivestito con un secondo piatto removibile, che modifica le proprietà di adesione grazie al materiale e alla finitura superficiale (ad esempio PEI liscio, testurizzato o satinato, lastra microforata). I piatti removibili, essendo flessibili, consentono di staccare facilmente l’oggetto stampato, mentre i piatti rigidi richiedono generalmente un raffreddamento prima del distacco del pezzo.

In alcune situazioni, con specifiche combinazioni di piatto di stampa e materiali, è necessario utilizzare colla stick, spray, lacche o nastro adesivo di diverso tipo (plastica, carta, Kapton, ecc.) per garantire una corretta adesione del materiale estruso al piatto.

I piano di stampa, soprattutto in ambito industriale o se studiati per la stampa 3D continua/infinita possono presentare soluzioni alternative, come il piano di stampa a rullo, la sostituzione automatica del piatto di stampa (con soluzioni più o meno complesse), oppure kit che permettono di ottenere queste soluzioni.

Adesione

Per avere una corretta adesione dei pezzi al piano di stampa serve un piatto di lavoro livellato e compensato nelle deformazioni, che sia regolarmente pulito ed eventualmente trattato, oltre ad avere una corretta distanza iniziale tra piatto e ugello.

Per la stampa di alcuni modelli può essere necessario utilizzare supporti o sistemi di adesione, che consentono di realizzare forme più complesse, soprattutto se a base stretta o con sviluppo molto verticale e ampliano significativamente le possibilità di stampa.

I sistemi di adesione svolgono funzioni differenti. Lo «Skirt» consiste in un contorno intorno al pezzo, che permette di avviare correttamente l’estrusione del materiale e di verificare la calibrazione del piano di stampa. Il «Brim» è un’estensione del primo strato, costituita da più perimetri, che migliora l’adesione del pezzo al piano. Il «Raft» crea invece un’impalcatura sotto il modello, isolandolo dal piatto riscaldato; questa soluzione migliora la precisione dimensionale dei pezzi e riduce difetti legati all’adesione e alle variazioni di temperatura.

L'adesione al piano di stampa dipende anche da altre impostazioni di stampa, in particolar modo quelle che riguardano il primo strato, come lo spessore del primo strato, dove usare uno spessore maggiore permette di compensare a calibrazioni non perfette del piano di stampa o a rilevamenti non perfetti della sua superficie deformata, rallentare l'estrusione dei primi starti per stabilizzare l'adesione del materiale al piatto e lasciare che si raffreddi da solo per evitare tensioni date dal flusso d'aria che raffredda in modo non omogeneo,, inoltre una maggiore larghezza della linea del primo strato (equivalente ad un maggiore flusso) permette di migliorare la pressione del filamento sul piano di stampa e copiare meglio la superficie.

Supporti

Esempi di supporti per stampanti FDM (sinistra) e a resina (destra)

I supporti consentono di realizzare quelle parti dei modelli che altrimenti sarebbero in-stampabili, poiché l’estrusione del materiale avverrebbe in aria senza una base di appoggio. Inoltre, facilitano la stampa di elementi con sbalzi pronunciati, che altrimenti potrebbero presentare difetti nella deposizione del materiale.

I supporti generati dai programmi di stratificazione possono avere forme e strutture differenti, dalle linee rette o colonne fino a configurazioni più complesse, come lo sviluppo ad albero. Alcuni supporti sono progettati per essere più facili da rimuovere, grazie alla distanza dal modello finito, all’impiego di materiali che non aderiscono tra loro (PETG e PLA, Nylon e TPU, ABS o ASA e PLA, PC e ABS, ecc) o all’uso di supporti idrosolubili. Il materiale utilizzato per la loro realizzazione varia a seconda del tipo di supporto. L’estensione dei supporti può essere regolata in base a parametri come l’inclinazione minima necessaria per sostenere il modello o la superficie minima da supportare. Alcuni programmi consentono inoltre di definire manualmente le parti del modello da supportare o, in caso di stampe con più oggetti, di selezionare su quali modelli applicare i supporti automatici.

Allo stesso modo, i supporti possono essere generati a partire da qualsiasi superficie del modello 3D oppure esclusivamente dal piatto di stampa; in quest’ultimo caso si riduce l’impatto sulla qualità superficiale del pezzo. Per alcune parti del modello è possibile utilizzare un supporto del tipo «interfaccia di supporto», particolarmente indicato quando parte dello strato viene stampata nel vuoto, cioè senza contatto diretto con il modello. In questo caso, il supporto termina (o inizia, se generato dal modello 3D) con una superficie compatta, che massimizza il sostegno e migliora la precisione dimensionale e l’uniformità della superficie, anche se può rendere più difficile la rimozione del supporto stesso.

Il procedimento di stampa

Il processo prevede diverse fasi, che possono variare anche in base alla complessità dell'oggetto da realizzare.

Preparazione alla stampa

Una volta completata la modellazione, il file viene salvato in formato STL (o in altri formati compatibili) e successivamente importato in un software di stratificazione.
Questi programmi, disponibili sia come software open source sia come soluzioni proprietarie, convertono il modello tridimensionale in istruzioni per la stampante 3D. Tra i più diffusi vi sono Cura, Slic3r e Repetier-Host che comunica tra il computer e la stampante 3D. Permette di caricare modelli 3D (file STL), prepararli per la stampa e inviare i comandi alla stampante. Include uno slicer integrato (o può usare slicer esterni come Cura o Slic3r) per trasformare il modello 3D in istruzioni macchina (G-code), avendo l'accortezza di curare lo Start G-code & End G-code per integrare funzioni come il cicalino o eseguire specifiche azioni di preparazione e termine stampa, le quali possono sovrascrivere, ignorare o caricare le impostazioni del firmware, come il livellamento del piatto e z-offset. Offre il controllo in tempo reale della stampa: temperatura, motori, estrusore, velocità, pause, ecc. Supporta molte stampanti FDM/FFF e alcune stampanti a resina con firmware compatibile.. Lo slicer analizza la geometria e lo suddivide in strati sottili secondo l’altezza scelta per gli stessi e al tipo di "tolleranza di affettatura" e quindi crea il pezzo o in modo che il materiale estruso rimanga perfettamente dentro il modello 3D, oppure se deve riempire tutto il modello e di conseguenza andare anche oltre il volume del modello, oppure se adottare una soluzione intermedia, impostazioni che possono influire sulla tolleranza dei pezzi e influire sull'efficacia di altre funzioni come un ZAA e stampa non planar. Determina percorso dell’estrusore, velocità, temperatura, riempimento, supporti, ecc. infine produce un file G-code che la stampante legge per stampare l’oggetto strato dopo strato. è possibile configurare i parametri della stampante e della stampa, che variano a seconda del materiale utilizzato e delle caratteristiche desiderate del manufatto. Tra i principali si trovano la velocità di stampa, la ventilazione, la temperatura dell’estrusore, del piano e, se presente, della camera di stampa. Altri parametri riguardano soprattutto la qualità finale e la geometria dell’oggetto, come lo spessore dello strato (layer), la densità e il tipo di riempimento (infill), nonché l’eventuale utilizzo di supporti.

Bisogna tenere presente che il software di stratificazione (slicer) e il firmware cooperano al funzionamento della stampante 3D, per cui alcune impostazioni del programma potrebbero eccedere i valori massimi consentiti dal firmware e semplicemente la macchina utilizzerà il valore limite, questo comporterà anche un tempo di stampa differente, i principali parametri che possono essere mal contemplati sono accelerazione, velocità, Jerk, inoltre il programma deve essere configurato per il tipo di stampante in uso, per evitare problemi di posizionamento, urti degli assi, temperature, tipologia di g-code (varia in base al firmware), ecc.
Infine esistono dei parametri che andrebbero configurati o nel firmware o nel programma di stratificazione (slicer), come per esempio la retrazione, che può essere gestita tramite firmware o tramite il programma, se lasciate attive entrambe le due retrazioni si sommeranno, allo stesso modo la gestione della pressione nell'ugello, tramite firmware Linear Advance/Pressure Advance o tramite software con il Coasting e Extra restart length after retract, questi due sistemi, oltre a svolgere la stessa funzione, lavorano anche on modo differente, uno si basa sulle accelerazioni, l'altro sulla lunghezza d'erogazione, anche in questo caso o si utilizza una soluzione o l'altra.
Esistono alcuni parametri (di taratura) che si possono impostare solo tramite le funzioni del firmware, come il rilevamento delle imperfezioni del piatto tramite mesh, noto come Mesh Bed Leveling (o livellamento a griglia) per compensare le deformazioni del piatto di stampa e garantire l'adesione iniziale, altresì l'input shaping per compensare le vibrazioni della macchina. La scelta di utilizzare parametri firmware o software influenza la prestazione della macchina, infatti lo slicer ragiona in modo geometrico e macroscopico con un flusso di lavoro sequenziale e statico, mentre il firmware ragiona in modo fisico e microscopico con un flusso di lavoro parallelo e reattivo in tempo reale.

Il risultato finale dei pezzi prodotti dipendono anche dall'interazione dei modelli 3D con il programma di stratificazione e le funzionalità della stampante 3D. Infatti gli oggetti che vengono creati con i vari programmi di modellazione possono essere generati con diversi livelli di dettaglio della mesh 3D, maggiore è il dettaglio e maggiore sarà il peso del file, oltre all'impatto computazionale durante la sua lavorazione durante la stratificazione, il livello di dettaglio di tali file vengono interpretati dallo slicer che tramite i vari parametri può considerare i vai spigoli come curve e di conseguenza compilare il file G-code con comandi differenti (G2 e G3 in caso di firmware Marlin) e che permettono di sostituire molti altri comandi lineari, alleggerendo il file G-code; se questi comandi sono abilitati a livello firmware permette di restituire un risultato finale differente, rendendo le pareti dell'oggetto stampato più lisce.

Disposizione sul piano di stampa

In molti casi è possibile scegliere se stampare più pezzi durante un unico processo di stampa, occupando così l’intera area del piatto. A seconda della stampante 3D e del software utilizzato, si può decidere la modalità di sequenza: stampare tutti i pezzi contemporaneamente, strato dopo strato, oppure realizzare un oggetto alla volta. In quest’ultima modalità è necessario disporre con attenzione i modelli sul piano, per evitare collisioni tra i pezzi già completati e le parti mobili della macchina. Dopo aver impostato i parametri di stampa e definito il numero e la disposizione degli oggetti, il modello viene elaborato e salvato in un formato interpretabile dalla stampante 3D, solitamente il G-code.

Colori, multimateriale e inglobare elementi

Stampanti con funzioni avanzate: a sinistra un modello multicolore, a destra un modello multimateriale a doppia testina indipendente

I programmi di stratificazione possono includere funzioni più o meno avanzate, talvolta estendibili tramite plugin. Con le stampanti basate su MEX (note anche come FFF o FDM), tali funzionalità permettono ad esempio di inserire elementi come calamite, viti o dadi mediante pause programmate, oppure di eseguire manualmente un cambio di filamento, consentendo così la variazione di colore o di materiale. La gestione dI più colori è possibile solo con alcune tecnologie di stampa, quale MEX, BJT e MJT, la gestione del colore può essere più o meno complessa in base al sistema. Alcuni sistemi MEX prevedono la gestione multicolore con una singola testina/ugello, tramite cambio e spurgo automatico del filamento (con colori diversi ma stesso materiale). Altri sistemi MEX multimateriale a doppia testina/ugello consentono non solo di utilizzare colori differenti, ma anche materiali diversi, le varie combinazione di materiali non sono sempre compatibili tra loro (adesione degli strati, parametri di stampa, ritiri dimensionali, ecc), fattore che va valutato per la realizzazione dei vari manufatti per poter realizzare oggetti multimateriale (PETG-TPU, ABS-ASA, ecc) con necessità o meno d'incastri meccanici o per facilitare la pulizia degli oggetti dai supporti alcuni di questi sistemi a doppia testina, le testine possono operare in modo indipendente, rendendo possibile la realizzazione contemporanea di due oggetti separati.

La stampe a colori possono sfruttare il dithering per poter rappresentare più colori (se osservati a debita distanza), tale effetto può essere massimizzato riducendo lo spessore degli strati, permettendo alle stampanti multitesta/multiugello/multimateriale di esprimere maggiormente il loro potenziale, mentre i modelli a cambio di filamento (monougello) risultano inadatti a tale scopo per via dell'elevato tasso di scarto, che può tranquillamente raggiungere il 97% (usare 437g di filamento per realizzare un modello da 14,13g) oltre a tempi di stampa molto lunghi come 34 ore per realizzare una 3DBenchy.
Altre soluzioni prevedono la tecnica del mezzotono, con solo un cambio di colore per strato, ottenendo i colori andando a modulare la superficie laterale tramite la modifica della larghezza d'estrusione e con un offset al perimetro, questa combinazione fa in modo che i vari strati possono andare a sovrapporsi e modificare così la superficie in modo da nascondere o scoprire determinati strati, creando un effetto simile al dithering tradizionale, l'unica limitazione di questa soluzione è il fatto di poter lavorare solo sui perimetri, il massimo effetto si ottiene tramite l'adozione di strati sottili (circa 0,1 mm), l'effetto finale di miscelazione cromatica cambia in base al tipo di filamento (opaco o trasparente), a parità di macchina i tempi di stampa si riducono drasticamente rispetto al tradizionale cambio colore (cambio colore/filamento più volte per strato), lo stesso vantaggio si ottiene anche con gli scarti; mentre per gestire le pareti superiori e inferiori esiste la tonalizzazione, che prevede la previsione del colore, tramite un modello spettrale basato sulla regressione ponderata degli assorbimenti spettrali, quindi tramite la sovrapposizione dei vari colori si ricrea il colore desiderato grazie alla traslucenza dei vari materiali.
Altre soluzioni per stampanti MEX sfruttano la miscelazione dei filamenti (due-tre filamenti dello stesso materiale) in modo da poter offrire l'intero spettro di colori con solo 3 bobine, più il bianco e il nero, questa caratteristica si basa sulla predizione colore e permette una gestione migliore degli scarti e spurghi, migliorando l'efficienza di stampa, sia per le stampanti a cambio di filamento (monougello) che per le stampanti multitesta/multiugello/multimateriale.

Lavorazioni di fine processo

Una volta eseguita la stampa, il pezzo può richiedere alcune lavorazioni successive, come la rimozione dei supporti o dei residui di adesione utilizzati durante la realizzazione.

Alcune tecnologie, come la stampa a resina, prevedono sempre delle fasi di post-produzione. In particolare, il pezzo stampato in resina necessita di un primo lavaggio, manuale o automatizzato, che può avvenire con alcol isopropilico oppure con acqua (a seconda del tipo di resina). Dopo la pulizia dell’eccesso di materiale, può essere necessaria un’ulteriore polimerizzazione finale, utile a completare la solidificazione e a garantire le proprietà meccaniche e superficiali previste dal materiale utilizzato.

Alcuni materiali tecnici per poter esprimere il massimo del loro potenziale richiedono una ricottura, più precisamente la ricottura per polimeri (annealing plastico), che migliora la cristallinità e la stabilità dimensionale nei materiali stampati in 3D, i quali devono essere portati ad una temperatura tale da consentire la mobilità atomica senza sciogliere l'oggetto, generalmente 70–150 °C, il mantenimento di questo riscaldamento deve essere mantenuto per un tempo tale da consentire la diffusione atomica e la ridistribuzione delle tensioni, quindi più l'oggetto è grande, spesso e in base al tipo di materiale serviranno tempistiche differenti, al termine bisogna poi lasciar raffreddare in modo controllato, quindi lento e uniforme, altrimenti si formeranno nuove tensioni.

Utilizzo casalingo

Esistono stampanti 3D in grado di soddisfare le esigenze più diverse, dalle applicazioni didattiche o hobbistiche, che utilizzano filamenti termoplastici, fino a quelle professionali — impiegate in prototipazione, architettura, ingegneria meccanica, medicina, oreficeria e altri settori — che dispongono di piani di stampa più ampi o di tecnologie avanzate come DLP e DLS, capaci di raggiungere elevati livelli di definizione.

Grazie a queste soluzioni, le piccole e medie imprese hanno la possibilità di accedere a tecnologie che fino a oggi erano utilizzate principalmente nella produzione industriale.

Sono stati compiuti diversi sforzi per sviluppare stampanti 3D adatte all’uso domestico e per rendere questa tecnologia accessibile a un ampio numero di utenti privati. Gran parte di questo lavoro è stata promossa e sostenuta da comunità di appassionati e precursori del settore do-it-yourself (fai-da-te), spesso in connessione con il mondo accademico.

RepRap è un progetto finalizzato alla realizzazione di una stampante 3D FLOSS, le cui specifiche complete sono distribuite sotto la GNU General Public License, capace di autoprodurre copie di sé stessa. Alla data di novembre 2010, la RepRap era in grado di produrre solo componenti in plastica, con ricerche in corso per estendere la stampa anche a circuiti stampati e parti in metallo. Negli anni successivi, nuove generazioni come la Hangprinter hanno ampliato le capacità tecnologiche, consentendo la stampa di materiali avanzati quali ceramica, cioccolato e polimeri conduttivi, e sono in corso sviluppi per l’integrazione diretta di circuiti elettronici durante la stampa.

La comunità globale RepRap continua a crescere, con forum attivi, eventi internazionali come il Rocky Mountain RepRap Festival e sviluppo di software open-source per la gestione dei modelli 3D. Nel 2025, RepRap rimane un punto di riferimento nella democratizzazione della stampa 3D, mantenendo i principi di apertura, collaborazione e innovazione che ne hanno guidato la nascita.

Un altro progetto di successo, che ha ereditato molti concetti dalla RepRap, è la Thing-o-Matic della MakerBot Industries. La Thing-o-Matic è stata la prima stampante 3D distribuita in kit di montaggio e diffusa su scala globale. Il modello Replicator della MakerBot ne sta progressivamente prendendo il posto; la Replicator ha ottenuto un grande successo, in particolare al CES di Las Vegas del 2012.

Anche in Italia sono state sviluppate diverse stampanti 3D, tra cui i modelli prodotti da Sharebot, la FABtotum, la Galileo di Kentstrapper, la Playmaker, caratterizzata da un volume di stampa più ampio, e la PowerWasp, realizzata da Wasp Project. Alcuni produttori hanno introdotto stampanti 3D a doppio estrusore, come la MakerBot Replicator 2X o, in Italia, la Sharebot Next Generation e la XYZ DaVinci 2.0. Il doppio ugello consente di stampare un modello utilizzando due filamenti differenti, permettendo l’uso di due colori diversi o l’impiego di un materiale di supporto rimovibile, che facilita la realizzazione di geometrie complesse.

Utilizzo alimentare

La stampa 3D ha mostrato sin dalle prime fasi della sua evoluzione un forte interesse per il settore alimentare. Negli Stati Uniti sono stati aperti ristoranti dimostrativi in cui il cibo viene preparato esclusivamente mediante stampanti 3D. Tra gli alimenti prodotti vi sono cioccolato, zucchero, pizza, biscotti, pasta e verdure.

Il settore alimentare è rimasto in fermento anche negli anni successivi, e nel 2014 la Barilla ha manifestato l’intenzione di sviluppare una stampante 3D in grado di produrre paste con formati personalizzabili per qualsiasi ristorante. Alla fine dello stesso anno, Barilla ha organizzato un concorso al quale hanno partecipato oltre cinquecento designer, che hanno creato 216 modelli di pasta unici. I tre modelli vincitori, denominati "Rosa Pasta", "Vortipa" e "Lune", hanno ricevuto un premio di 800 € ciascuno.

A Cibus 2016, il Salone internazionale sulle ultime tendenze nel settore alimentare tenutosi a Parma, la Barilla ha presentato un nuovo prototipo di stampante 3D in grado di preparare pasta fresca. Il dispositivo utilizza ingredienti contenuti in cartucce, miscelando acqua e semola di grano duro per produrre direttamente la pasta. Il prototipo è concepito per un utilizzo sia domestico sia in ristoranti o aziende.

Nel 2019, Jonathan Blutinger, ricercatore della Columbia University, ha realizzato una stampante alimentare 3D in grado di cucinare il cibo utilizzando un laser.

Nel 2020, Selene Biffi e la società Fabb srl, guidata da Paolo Aliverti, hanno realizzato una stampante 3D per gelato, ispirata a un progetto sviluppato dal MIT nel 2014.

Nel 2021 sono state sviluppate tecnologie per la stampa 3D di alimenti a base vegetale, come il cosiddetto "pesce vegetale" e la "carne vegetale". Questi alimenti, detti anche "fake fish" e "fake meat", sono progettati per replicare il sapore e la consistenza della carne e del pesce tradizionali, pur essendo realizzati esclusivamente con ingredienti vegetali.

Utilizzo nello spazio

Nel 2013 nasce il progetto AMAZE (Additive Manufacturing Aiming Towards Zero Waste and Efficient Production of High-Tech Metal Products; in italiano: Produzione efficiente di prodotti di metallo ad alta tecnologia con manifattura additiva attraverso "Spazzatura Zero"), un consorzio composto da 28 aziende con l’obiettivo di portare la stampa 3D nello spazio e consentire la produzione autonoma di pezzi di ricambio metallici, riducendo i costi e minimizzando gli sprechi.

Nonostante i progressi tecnologici, permangono diverse sfide nella produzione di componenti metallici di qualità industriale tramite stampa 3D. Tra queste vi sono il controllo della qualità e la riduzione dei difetti, come porosità e stress residui, che possono compromettere l’integrità dei pezzi. Vi sono inoltre limiti nella ripetibilità e nella consistenza dei materiali, oltre alla pressione sui costi dovuta alla crescente competizione tra produttori. La ricerca continua a puntare a migliorare l’affidabilità, la precisione e le prestazioni dei componenti metallici stampati in 3D, con l’obiettivo di renderli pienamente comparabili a quelli prodotti con metodi tradizionali.

Per quanto riguarda la tecnologia 3D Contour Crafting, la NASA sta valutando lo sviluppo di sistemi in grado di trasportare questo tipo di stampante su altri pianeti, con l’obiettivo di realizzare abitazioni in completa autonomia.

L'Agenzia Spaziale Europea (ESA) sta attualmente testando la costruzione di componenti satellitari mediante stampa 3D. In particolare, presso la Compact Antenna Test Facility a Noordwijk vengono condotti test su antenne radio destinate all’uso satellitare.

Sempre da parte dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), è in fase di studio l’invio di robot sulla Luna per la costruzione remota di basi lunari, in preparazione all’arrivo di equipaggi umani. Il progetto prevede l’utilizzo di moduli gonfiabili come supporto, combinati con robot in grado di trasportare e sinterizzare la sabbia lunare, creando uno strato protettivo esterno attorno ai moduli.

Nel novembre 2014, l'astronauta Samantha Cristoforetti ha portato a bordo della Stazione spaziale internazionale la stampante 3D POP3D (Portable On-Board Printer), con la quale è stato realizzato il primo oggetto stampato nello spazio. Il progetto, principalmente italiano, mira a studiare le potenzialità della tecnologia additiva per future applicazioni in ambito spaziale.

Utilizzo edilizio

Dal 2016 sono in corso sperimentazioni su materiali e stampanti 3D specificamente rivolte al settore edilizio e architettonico. Tra i progetti più significativi vi sono quelli di Enrico Dini e della sua azienda D-Shape, che ha realizzato oggetti in pietra tramite stampa 3D, e quelli di WASP, azienda italiana pioniera nella stampa 3D, in grado di produrre oggetti in argilla.In Italia è stato realizzato il primo prefabbricato pieghevole a uso residenziale, il M.A.DI. (Modulo Abitativo Dispiegabile), eretto in sole sei ore a beneficio dei senzatetto in Abruzzo. Il 6 e 7 ottobre 2018 a Massa Lombarda è stata presentata la prima abitazione al mondo realizzata in terra cruda mediante stampa 3D. Nello stesso periodo, haus.me ha industrializzato la prima abitazione completamente autosufficiente dal punto di vista energetico, realizzata mediante stampa 3D.

Progetto per stampare una casa con una stampante 3D ad Amsterdam; nell'immagine a destra è visibile l'interno della stampa 3D

Al di fuori dell'Italia, si sono registrati notevoli sviluppi soprattutto nella messa a punto dei materiali cementizi. In Cina, ad esempio, è stato possibile stampare dieci case in calcestruzzo in sole 24 ore. In California del Sud, grazie al progetto Contour Crafting, è stata ideata una stampante in grado di costruire una casa di 100 m², completa di muri e solette. Sempre in Cina, nel 2015, l'azienda WinSun ha realizzato una villa di 1.100 m² e un condominio di sei piani.

Il progetto Minibuilders, sviluppato dall'Istituto di Architettura Avanzata della Catalogna (IAAC) a Barcellona, consiste in una famiglia di piccoli robot mobili progettati per realizzare strutture architettoniche di grandi dimensioni tramite stampa 3D. Questi robot operano in modo autonomo e collaborativo, ciascuno con compiti specifici nelle diverse fasi della costruzione, permettendo la realizzazione di edifici direttamente in loco. La famiglia di robot Minibuilders comprende: Foundation Robot: utilizza sensori di tracciamento per seguire un percorso predefinito, depositando le prime dieci strati di materiale in un movimento a spirale continuo. Questo approccio consente un flusso costante del materiale e un aggiustamento graduale dell'altezza dell'ugello, ottimizzando la deposizione. Grip Robot: si aggancia alle strutture precedentemente stampate e prosegue la costruzione delle pareti e dei soffitti. Il suo ugello è in grado di spostarsi lateralmente, permettendo la creazione di pareti curve e l'installazione di travi per porte e finestre. Minibuilders Vacuum Robot: si attacca alla superficie stampata tramite un sistema di aspirazione e deposita ulteriori strati di materiale per rinforzare la struttura. È progettato per muoversi su superfici inclinate e applicare rinforzi in modo mirato, ottimizzando la resistenza strutturale. Tutti i robot sono dotati di sensori e sistemi di posizionamento locale che forniscono dati in tempo reale a un software personalizzato, consentendo il controllo preciso dei movimenti e della deposizione del materiale. Il materiale utilizzato è un marmo sintetico a rapida indurimento, che permette una costruzione efficiente e resistente. Questo approccio modulare e mobile offre vantaggi significativi in termini di velocità, precisione e flessibilità nella costruzione, riducendo costi e sprechi. Inoltre, apre la possibilità di realizzare edifici in ambienti remoti o difficili da raggiungere, contribuendo a innovare il settore delle costruzioni.

Negli Stati Uniti è stata sviluppata una stampante 3D a forma di carroponte in grado di realizzare una casa di circa 75 m² in 24 ore con un costo stimato intorno ai 4 000 dollari Dopo la prima casa realizzata ad Austin nel 2018 è stata avviata la costruzione di 50 abitazioni per famiglie indigenti della città di Nacajuca A gennaio 2020 erano già completate le prime due unità di 47 m² ciascuna

L'industria edile e del cemento produce circa l'8% delle emissioni globali di CO₂ (tra 5 e 9% a seconda delle stime) La stampa 3D nel settore edilizio consente di ottimizzare l'uso del cemento realizzando forme complesse difficili da ottenere con tecniche tradizionali Esistono inoltre metodi per catturare la CO₂ e integrarla nel calcestruzzo migliorando sia la sostenibilità sia le prestazioni meccaniche del materiale

Con il progressivo uso e studio di quest'applicazione vengono man mano varate norme per la regolamentazione, in quanto questa soluzione ha prestazioni ed esigenze specifiche.

Utilizzo in medicina

Nel settore medico la stampa 3D trova largo impiego soprattutto in combinazione con tecniche di imaging 3D Grazie a TAC risonanze magnetiche e altre tecnologie diagnostiche è possibile digitalizzare il paziente e modellare protesi o parti di organo perfettamente su misura riducendo tempi e costi In passato la produzione richiedeva stampi e lavorazioni meccaniche costose rendendo la personalizzazione delle protesi economicamente impegnativa Con la stampa 3D è invece possibile produrre protesi rapidamente e a costi contenuti

A Utrecht è stato effettuato il primo trapianto di cranio stampato in 3D a un paziente La calotta cranica è stata realizzata con una resina speciale tramite l'utilizzo di una stampante 3D Altri possibili impieghi della stampa 3D in medicina riguardano il supporto alle tecniche chirurgiche Ad esempio grazie alla ricostruzione tridimensionale del cuore di un bambino di 14 mesi un team specializzato è riuscito a pianificare e realizzare un intervento che prima sarebbe stato impossibile

All'Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna nel 2015 è stata effettuata la prima sostituzione al mondo di vertebre colpite da tumore con vertebre in titanio modellate sulla base delle rilevazioni tomografiche del paziente e stampate in 3D La stessa tecnica è stata applicata anche alla ricostruzione delle ossa del bacino colpite da tumori ossei.

In Brasile alla cerimonia di apertura dei Mondiali di Calcio 2014 un giovane paraplegico ha potuto calciare un pallone grazie a un esoscheletro controllato mentalmente Il componente centrale dell’esoscheletro il casco è stato realizzato mediante stampa 3D

Craig Gerrand chirurgo presso il Newcastle Upon Tyne Hospital NHS Trust ha eseguito per la prima volta al mondo un’operazione su un paziente affetto da tumore sfruttando la stampa 3D Al paziente era necessario rimuovere metà bacino per impedire la diffusione del tumore Grazie a una precisa ricostruzione in 3D del bacino e alla stampa di una protesi con polvere di titanio mediante stampante laser 3D è stato possibile realizzare e impiantare con successo la protesi di mezzo bacino.

Presso la Washington University of St. Louis è stato realizzato un arto robotico sfruttando la stampa 3D L’aspetto più rilevante riguarda i costi Una protesi tradizionale di questo tipo avrebbe avuto un prezzo superiore ai 6 000 $ pari a 4 380 € La stampa 3D ha permesso di realizzarla con un costo di circa 1 000 $ pari a circa 730 € riducendo di oltre l’80% la spesa per il paziente e rendendo più accessibile la tecnologia per chi necessita di arti artificiali personalizzati

Per quanto riguarda il trattamento dell'osteoartrite, la stampa 3D sta aprendo nuove prospettive un tempo impensabili. Il 27 aprile 2014, alla Experimental Biology Conference di San Diego, è stato presentato un sistema che permette la sostituzione delle parti articolari colpite dall'osteoartrite con cartilagine derivata da cellule staminali, modellata tramite stampanti 3D. Un caso analogo è avvenuto in Cina, dove una sessantaduenne colpita da metastasi ossee è stata sottoposta a un complesso intervento di ricostruzione pelvica: il tessuto osseo malato è stato sostituito con una protesi in titanio stampata in 3D.

Un altro esempio riguarda la ricostruzione facciale di un ragazzo vittima di un grave incidente: grazie a fotografie scattate prima dell’evento, è stato possibile ricostruire digitalmente i lineamenti del volto e successivamente stamparli in 3D, permettendo un intervento di ricostruzione molto più preciso e personalizzato.

Grazie alla stampa 3D, alcuni medici del St. Thomas' Hospital di Londra sono riusciti a salvare la vita a una bambina di due anni, Mina, nata con una malformazione cardiaca caratterizzata da un foro tra i ventricoli del cuore. Poiché il cuore della bambina era troppo piccolo per un intervento diretto, i medici hanno utilizzato la stampa 3D per creare una replica esatta del suo cuore. Questo modello ha permesso di pianificare e simulare l’operazione, studiando il modo ottimale per chiudere il foro e valutando le possibili reazioni del muscolo cardiaco. L’intervento chirurgico è stato eseguito con successo.

L'uso di stampanti 3D per ricreare gli organi dei pazienti potrebbe diventare uno strumento fondamentale per studiare e pianificare interventi chirurgici complessi, permettendo di riprodurre fedelmente la struttura degli organi prima di operare. In prospettiva futura, questa tecnologia potrebbe consentire la creazione di organi completamente artificiali: a titolo di esempio, l’azienda statunitense Organovo sta testando la stampa 3D di materiali organici per la riproduzione di organi umani.

La prima stampa di un cuore funzionante in 3D è avvenuta nel 2019, mentre nel 2024 sono stati ottenuti ulteriori miglioramenti nella struttura tissutale, con l’integrazione delle funzioni elettromeccaniche.

Utilizzo nella ricerca scientifica e tecnologica

È stato attivato nel maggio 2013 un finanziamento di 125.000 dollari, pari a 93 750 €, da parte dell’agenzia spaziale NASA all’impresa Systems and Materials Research Corporation per lo sviluppo di stampanti 3D per la produzione di cibo, mentre presso l’università di Oxford sono stati avviati progetti per la stampa di cellule umane..

L'utilizzo della stampa 3D con il caffè ha trovato applicazione in diversi settori, compreso quello edilizio, dove è stato sperimentato l’impiego di sabbia miscelata ai fondi di caffè per costruire strutture tramite stampa 3D.

La stampa 3D ha trovato applicazione anche nella realizzazione di dispositivi indossabili che non richiedono alimentazione e consentono di migliorare la diagnostica, raccogliendo dati da punti del corpo altrimenti difficilmente accessibili con i dispositivi tradizionali.

In Italia

Il movimento della stampa 3D in Italia ha riscosso un grande successo e, nel secondo decennio del terzo millennio, sono nate numerose aziende legate a questa tecnologia. A marzo del 2015 si è svolto il primo evento italiano del settore alla Fiera di Milano, chiamato 3D Printing Hub e successivamente rinominato Technology Hub, che si è svolto fino al 2018. In seguito, le fiere di riferimento per il settore sono diventate Mecspe a Parma e BI-MU a Milano, contestualmente all’apertura dei primi negozi specializzati, contribuendo a fare dell’Italia un hub europeo della stampa 3D. Diversi attori industriali presenti nel Paese vantano primati mondiali in termini di macchinari installati.

Note legali

Esistono attualmente licenze open-source per l'hardware, nate per trasmettere la filosofia del software libero all’hardware, garantendo a chiunque la possibilità di studiare, modificare, distribuire ed eventualmente vendere l’oggetto. Le principali sono la TAPR Open Hardware License e la più recente e diffusa in ambito industriale CERN Open Hardware Licence.

I file di stampa 3D condivisibili online sono spesso protetti da licenze, che possono essere di tipo copyright o Creative Commons ("CC"). Nel caso delle licenze Creative Commons, l’utente può scegliere il livello di restrizione da applicare a ciascun documento. Ad esempio:CC0: opera libera, di dominio pubblico; CC-BY: consente di distribuire, modificare, adattare e usare commercialmente la stampa, a condizione di citare l’autore; CC BY-NC-ND: la più restrittiva, permette solo di scaricare e condividere l’opera dando credito all’autore, senza modificarla, creare opere derivate o trarne benefici economici.