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La confusione tra la denominazione di diversi tipi di tecnologie di stampa 3D e tipologie di stampanti è grande. Spesso si scambiano le stampanti domestiche per professionali o la tecnologia FDM per quella FFF, sulla base di elementi in comune.
Un’azienda che volesse iniziare a stampare dei prototipi o delle componenti in 3D potrebbe trovarsi in difficoltà al momento di scegliere tra l’acquisto di una stampante o di un servizio, o tra i diversi processi di produzione.
In questo articolo, dunque, mettiamo a confronto stampanti FDM e FFF, partendo da uno studio comparativo e poi soffermandoci su differenze più generiche.
Indice dei contenuti:
La stampa 3D FDM è una tecnologia relativamente economica che utilizza un processo semplice rispetto alle altre tecnologie di stampa 3D.
Il modello 3D progettato tramite un software computer aided design (CAD) viene realizzato attraverso la stratificazione di un materiale termoplastico fuso estruso da un ugello sul piatto di stampa.
Il brevetto della tecnologia ideata da Stratasys non è solo una questione di denominazione. La diversità tra fused deposition modeling e fused filament fabrication è stata messa in luce da uno studio comparativo condotto da Pragmatek Consulting.
L’indagine ha sottoposto a un test di stampa una stampante FDM professionale Stratasys e quattro stampanti desktop per valutarne le prestazioni. Ciascuna macchina è stata messa alla prova nell’esecuzione di progetti identici.
I parametri di valutazione considerati sono stati l’affidabilità, la facilità di utilizzo, la qualità della parte prodotta, la velocità di stampa e il numero di fermo macchina.
Per la prova, una serie di oggetti di forme diverse è stata realizzata in materiale ABS, tranne per una stampante, che ha utilizzato un materiale proprio. Sono state quindi esaminate la resistenza alla trazione e la precisione delle parti stampate.
Il rapporto tra tentativi eseguiti e i pezzi effettivamente completati è stato il parametro di misurazione dell'affidabilità. Il disegno dello studio prevedeva 18 processi di stampa, ma per tre macchine desktop su quattro è stato necessario effettuare un numero di tentativi maggiore.
Il dispositivo Stratasys ha dimostrato un’affidabilità del 100%, rispetto al 54%, 79%, 79% e 54% delle concorrenti.
La fedeltà del pezzo stampato al progetto, quindi la precisione, è una capacità indispensabile delle stampanti 3D, in particolare di quelle industriali. La qualità complessiva di ciascuna parte è stata espressa in percentuale rispetto ai criteri di prestazione considerati.
La qualità delle parti stampate con Stratasys è stata del 97%, mentre quelle della concorrenza hanno ottenuto rispettivamente 57%, 31%, 39% e 21%, considerando che per due di esse alcuni test non sono riusciti.
Le stampanti FDM professionali impiegano soprattutto tecnopolimeri: ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene), PC (policarbonato) e ULTEM. A seconda dell’applicazione, la scelta del materiale tiene conto delle sue proprietà:
Normalmente, questi materiali contengono additivi che ne alterano le proprietà in modo da migliorarne l’utilità per particolari esigenze industriali. Per esempio, aumentano la resistenza all’urto o la resistenza chimica.
La resistenza termica di queste termoplastiche le rendono compatibili per la realizzazione di stampi per la stampa ad iniezione a bassa tiratura. Inoltre, la similitudine tra questi materiali e quelli delle parti stampate a iniezione può rendere conveniente la stampa FDM per creare parti finite funzionali.
Il PLA è il materiale più comune nelle applicazioni per stampanti desktop, grazie alla relativa facilità d’uso e una buona resa dei dettagli stampati.
L’ABS viene invece privilegiato per oggetti con maggiore resistenza e stabilità termica. Tuttavia, il suo uso è più difficile, specialmente per le stampanti prive di camera chiusa e riscaldata, dato che è soggetto a restringimento.
In alternativa all’ABS, si può adoperare il PET-G, che presenta proprietà simili ma una maggiore facilità di stampaggio.
La stampa per desktop può quindi essere adatta per formare prototipi e produrre modelli o parti funzionali che richiedono un basso volume di stampa.
La fedeltà della riproduzione del progetto, quindi la precisione di stampa, e la tolleranza all’errore di stampa dipendono dalla complessità geometrica del modello, dalla calibrazione della stampante e dalla precisione di posizionamento.
Le stampanti 3D con tecnologia FDM di livello professionali permettono di ottenere un’elevata precisione delle parti realizzate con materiali termoplastici. Infatti, grazie al maggiore controllo dei parametri durante il processo di stampa, la tolleranza di errore può essere fino a solo 0,15%.
Prima del processo, si impostano opportunamente i parametri del dispositivo eseguendo algoritmi di calibrazione.
La camera riscaldata permette di minimizzare gli effetti del raffreddamento rapido della filamento fuso; inoltre, si possono anche utilizzare materiali con un punto di fusione più elevato.
La maggior parte delle stampanti FDM professionali è dotata di una doppia testina di stampa; questa, unita all’utilizzo di materiali di supporto come l’ULTEM 9085 e il ST-100, crea una finitura superficiale più liscia e consente la stampa 3D di geometrie complesse.
Le stampanti FFF hanno una tolleranza all’errore nettamente superiore rispetto alle loro controparti industriali: può essere fino a 0,5 mm, nonostante i miglioramenti costanti della tecnologia. Quindi, oltre ai materiali e ai volumi di costruzione, anche la precisione limita la complessità geometrica dei modelli riproducibili.
Inoltre, il risultato del processo di stampa 3D dipende dalle capacità di chi utilizza la stampante e i pezzi finiti necessitano una fase di post-elaborazione più lunga.
Alcune stampanti desktop supportano comunque funzioni avanzate come la camera riscaldata, la doppia estrusione o gli algoritmi di calibrazione.
Per la stampa 3D di oggetti di grandi dimensioni (superiori a 200x200x200 mm) è necessaria una stampante 3D professionale. Il volume di costruzione può essere fino a 914x610x914 mm, in base alla stampante.
Ciò significa che si possono produrre sia singoli modelli di grandi dimensioni, sia più modelli identici di dimensioni più piccole contemporaneamente. Essendo le stampanti 3D FDM altamente affidabili e capaci di ripetizione, le parti stampate possono essere riprodotte più volte.
Le stampanti 3D FDM sono dunque in grado di completare un ordine di molti pezzi più velocemente che le stampanti FFF.
Le stampanti 3D FFF desktop al contrario, si limitano a produrre oggetti di piccola scala, il cui volume può variare da 10x10x10 mm a 200x200x200 mm.
Questi dispositivi devono essere calibrati prima di ogni processo di stampa 3D e richiedono una regolare manutenzione da parte dell’utente.
Si definisce risoluzione lo spessore minimo dello strato di costruzione ed è un requisito primario per le applicazioni industriali.
Le stampanti 3D professionali possono stampare fino a 16 micron di risoluzione; quelle di fascia alta arrivano fino a soli 3 micron di spessore.
Per la stampa 3D FFF low-cost la risoluzione è normalmente di 100-1000 micron nelle direzioni x e y e 500 micron nella direzione z.
La precisione di stampa, la scelta dei materiali e le dimensioni del volume di costruzione rendono la tecnologia FDM adatta a numerose applicazioni, tra cui la modellazione concettuale. La stampa 3D si rivela utile negli studi di progettazione architetturali e ingegneristici per testare e migliorare i progetti iniziali.
Una stampante 3D professionale permette ai produttori di realizzare in poche ore utensili, maschere e attrezzi da montaggio, con una riduzione drastica dei tempi di produzione.
Non solo: la stampa 3D può essere utilizzata per la produzione rapida di parti finali senza l’uso di altri strumenti oltre alla stampante, grazie anche ai costi ridotti. Perciò, il ritmo incalzante del progresso della tecnologia di stampa 3D suggerisce che nei prossimi anni possa essere una valida alternativa alla produzione in catena di montaggio.
Infine, la possibilità di creare parti mobili con materiali diversi è un vantaggio notevole per chi vuole produrre prototipi funzionali esclusivamente a scopo di test. La prototipazione rapida consente di individuare gli errori nelle fasi iniziali di progettazione e di aumentare la produttività.
Le stampanti 3D FFF desktop sono rivolte principalmente al mercato hobbistico e domestico per la modellazione 3D di pezzi di ricambio, oggetti decorativi, giocattoli, etc. Pertanto, la loro potenza ed efficienza difficilmente può soddisfare le esigenze delle applicazioni industriali e della prototipazione rapida.
Il processo di stampa è molto lento rispetto a quello della stampa 3D FDM: la stampa di un pezzo complesso può richiedere fino a diverse ore, oltre alla supervisione costante dell’utente.
La selezione limitata dei materiali e la bassa velocità di stampa rendono le stampanti 3D FFF desktop ottimali per l’uso domestico.
Le stampanti FFF per appassionati hanno, naturalmente, un costo decisamente inferiore in confronto a quelle FDM professionali di fascia alta. Lo stesso si può dire dei materiali rispettivamente utilizzati dall’una e dall’altra tecnologia.
Tuttavia, al costo elevato degli strumenti FDM si associa anche una maggiore potenza ed efficienza e la possibilità di ottenere prodotti di alta qualità, anche con materiali speciali.
Le stampanti 3D FDM e FFF differiscono non solo per accuratezza, materiali disponibili, risoluzione e dimensioni di costruzione dei pezzi, ma anche per affidabilità e ripetibilità.
Il controllo dei parametri di stampa, l’adesione alla piattaforma di costruzione, la resistenza termica e chimica dei materiali fanno sì che la stampante 3D FDM professionale sia la soluzione più adatta alla prototipazione rapida e alla produzione di componenti industriali per diversi settori.
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