La disponibilità della tecnologia di stampa 3D per uso hobbistico a partire dagli anni 2010 ha suscitato l’interesse del grande pubblico e dei media, che spesso la considerano un’invenzione relativamente recente e innovativa. In verità, la storia della stampa 3D è molto più lunga di quanto si pensi.
Le origini di questa tecnologia risalgono già agli anni ‘70 del secolo scorso, sebbene fosse decisamente più primitiva rispetto a quella utilizzata oggi e non era ancora conosciuta sotto il nome corrente.
In questo articolo, ripercorriamo i momenti fondamentali che hanno portato allo sviluppo di tecniche diverse, attualmente impiegate per la produzione e la prototipazione in svariati settori.
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Nel 1945, il visionario scrittore di fantascienza Murray Leinster descrisse nell’opera Things Pass By il processo di creazione di oggetti estrudendo la plastica nel vuoto, con un braccio meccanico che seguiva disegni scansionati tramite fotocellule.
Leinster immaginava che questo metodo sarebbe riuscito a eliminare le macchine grazie all’eccezionale accuratezza e avrebbe potuto persino realizzare navi e case. All’epoca non esisteva ancora il suddetto metodo, ma l’intuizione non era così lontana da quanto sarebbe successo in seguito.
Ci vollero però ancora una trentina d’anni per avere i primi veri e propri esperimenti di produzione additiva. Era il 1971 quando Johannes F. Gottwald brevettò il “Liquid Metal Recorder”, uno strumento capace di estrudere metallo liquido e ottenere forme grazie alla stratificazione del materiale seguendo un disegno predeterminato.
Il Liquid Metal Recorder si può considerare il primo dispositivo per la prototipazione rapida e il primo tentativo di espandere il campo della “stampa” intesa come iniezione di materiale al di là dell’inchiostro.
Le idee non solo possono avere bisogno di tempo per essere approfondite e messe in pratica, ma anche di contesti e spazi diversi. Bisogna infatti spostare l’attenzione dagli Stati Uniti al Giappone e alla Francia degli anni ‘80 per ritrovare coloro che sono ritenuti gli autentici inventori della stampa 3D contemporanea.
Hideo Kodama, un avvocato di un istituto di ricerca di Nagoya, in Giappone, nel 1981 pubblicò un articolo in cui elaborava due possibili metodi di variare lo strumento ideato da Gottwald, utilizzando delle termoplastiche indurenti in reazione alla luce al posto del metallo.
Era riuscito a stampare un modello costituito da strati, ciascuno dei quali corrispondeva a una sezione trasversale della struttura; il processo rendeva possibile la prototipazione rapida attraverso la fotopolimerizzazione dei materiali impiegati.
Nonostante la discreta risonanza che ebbe l’idea e la presentazione della domanda di brevetto, Hideo Kodama non ne completò la registrazione, rinunciando quindi alla commercializzazione.
Poco dopo, nel 1984, i tre ricercatori francesi Alain Le Méhauté, Olivier de Witte e Jean-Claude André richiesero il brevetto per la stereolitografia. In un’intervista, Jean-Claude André racconta che stava svolgendo delle ricerche sull’interazione tra la luce e i materiali quando iniziò a collaborare con il collega Le Méhauté sulla fotopolimerizzazione.
La svolta si ebbe grazie alla loro decisione di introdurre un solo fotone anziché due durante la fotopolimerizzazione di monomeri liquidi (non di resine). Inoltre, durante i loro esperimenti compresero la necessità di utilizzare un supporto per dare forma ai materiali polimerizzati con un fascio di luce UV.
Il loro ruolo fondamentale viene tuttavia spesso trascurato, poiché poco dopo la registrazione, il brevetto venne loro revocato e assegnato a Chuck Hull, a cui viene infatti attribuita ancora l’invenzione della SLA.
In questo decennio vennero poste le basi per la nascita della stampa 3D e la sua applicazione su scala industriale, con la registrazione dei brevetti della stereolitografia, della sinterizzazione laser selettiva e della modellazione a deposizione fusa.
L’innovazione introdotta da Charles “Chuck” Hull nel 1983, oltre all’ideazione e al perfezionamento della stereolitografia, fu la possibilità di creare modelli 3D attraverso dati digitali, ossia con i file in formato STL (Standard Triangulation Language).
Come per tutte le idee rivoluzionarie, anche questa emerse in risposta a un problema. L’ideatore della SLA, in effetti, era alla ricerca di una soluzione ai lunghi tempi di produzione e di progettazione necessari per realizzare attrezzaggi in plastica con la stampa a iniezione.
Hull costruì la prima stampante 3D in grado di trasmettere i dati da un file all’estrusore, che costruisce gli oggetti stratificando il materiale. Poco dopo, nel 1986, fondò la primissima azienda di stampa 3D e nel 1987 mise in commercio il sistema di stampa 3D SLA-1.
La stampante stereolitografica indurisce gli strati di polimeri attraverso un fascio di luce ultravioletta.
Il sistema della stereolitografia permetteva di abbattere i tempi di fabbricazione di oggetti complessi, perciò la stampa 3D era inizialmente conosciuta con il nome di prototipazione rapida.
Tuttavia, dato che era una tecnologia appena nata, la ricerca sui materiali era tutt’altro che avanzata. Perciò all’epoca si utilizzavano polimeri di uso comune, che avevano il difetto di avere la tendenza a deformarsi una volta stabilizzati.
Completamente diversa era invece l’idea sviluppata dallo studente universitario Carl Deckard nel 1988: anziché trasformare materiali liquidi in oggetti solidi, la sinterizzazione laser selettiva (Selective Laser Sintering o SLS) aggregava polveri termoplastiche (il nylon) utilizzando un raggio laser.
A differenza delle altre stampanti 3D, quelle con il sistema SLS oggi possono utilizzare materiali quali ceramica, metalli e vetro, oltre alla plastica. La manifattura additiva che utilizza il metallo prende il nome di Selective Laser Melting (SLM) o Direct Metal Laser Melting (DMLM) e fu ideata nel 1995 dal Fraunhofer Institute di Aachen, in Germania.
Anche Scott Crump era alle prese con le difficoltà della prototipazione e le sue tempistiche, quando sperimentò l’utilizzo di una plastica semi solida nell’intento di creare un giocattolo per la figlia nel 1988. Con l’aiuto di una pistola per la colla a caldo, ottenne un oggetto composto di sottili strati di plastica fusa.
Fu così che sviluppò il sistema di modellazione a deposizione fusa (Fused Deposition Modeling o FDM), attualmente il più diffuso nel settore della stampa 3D, anche se con notevoli differenze tra le stampanti 3D industriali e quelle hobbistiche.
Nella stampa 3D FDM, il filamento termoplastico viene estruso strato per strato su un piano riscaldato fino a ottenere la forma desiderata una volta che il materiale si raffredda.
Dopo aver brevettato la tecnologia FDM nel 1989, Scott Crump e la moglie Lisa fondarono la propria azienda, Stratasys, che divenne leader nel settore.
Perché le stampanti potessero costruire le parti ideate, era naturalmente necessario un input. Mentre Chuck Hull ha il merito di aver inventato il formato STL, già dagli anni ‘70 esisteva un software che permetteva ai progettisti di disegnare modelli 3D al computer.
Il CAD 3D fu una vera e propria rivoluzione per designer e ingegneri, che fino alla sua nascita erano costretti a produrre disegni bidimensionali dei modelli e poi affidarne la realizzazione agli artigiani, in un processo che richiedeva tempo e risorse economiche.
Ad ogni modo, inizialmente anche il software CAD 3D stesso era estremamente costoso e complesso; perciò il suo uso fu ristretto all’industria spaziale e automobilistica, che contribuì al miglioramento di questa tecnologia in collaborazione con i produttori.
Il processo di stampa 3D, dunque, inizia con la generazione del modello da stampare da parte dei progettisti, che possono visualizzarlo e modificarlo al computer e lo salvano in formato STL. Poi, i software slicer suddividono il modello 3D in strati virtuali, che diventano l’input per la stampante 3D.
La ricerca e lo sviluppo dei materiali per la stampa 3D, così come il perfezionamento delle stampanti 3D stesse ha portato questa tecnologia ad essere fondamentale nella catena di produzione di diversi settori, grazie all’abbattimento dei costi e dei tempi di produzione.
Tra gli anni ‘90 e i primi anni 2000 diverse aziende iniziarono a sperimentare con la manifattura additiva e i software CAD 3D divennero disponibili per un pubblico più ampio; nel 2006 fu messa in commercio la prima stampante 3D ad uso hobbistico.
A livello industriale, una delle applicazioni principali della stampa 3D, specialmente quella FDM, è la prototipazione rapida, poiché i materiali altamente performanti disponibili permettono di verificare immediatamente le prestazioni dei modelli da testare e migliorare i progetti in itinere.
Non è da sottovalutare anche il ruolo che la stampa 3D gioca nei settori aerospaziale, automotive, medico ed elettronico: componenti ed attrezzature possono essere prodotte velocemente, a costi competitivi e senza alcuno scarto, portando così beneficio anche all’ambiente.
La stampa 3D ha reso possibili sviluppi impensabili in diverse aree dell’industria e della medicina. Nel 1999, il Wake Forest Institute for Regenerative Medicine realizzò il primo organo stampato in 3D per un trapianto, una vescica umana interamente creata in laboratorio e capace di diminuire il rischio di rigetto.
Successivamente, sono stati fabbricati anche un rene in miniatura funzionale, protesi bioniche e vasi sanguigni umani, solo con vere e proprie cellule umane.
Le potenzialità di questa tecnologia sono numerose. Secondo il sito di statistiche "Statista" la manifattura additiva permetterà alle aziende di produrre oggetti finiti su larga scala entro il 2030, con un effetto dirompente sul mercato globale.
Sarà interessante nei prossimi anni seguire l’evoluzione del “contour crafting”, ovvero della tecnologia che permette di costruire con la manifattura additiva intere strutture architettoniche, come il ponte MX3D di 12 metri in acciaio inaugurato ad Amsterdam nel 2021.
Ma il futuro della stampa 3D riguarda anche la medicina e l’industria alimentare: già nel 2015presentato forme e texture di pasta creata in 3D impensabili con le tecniche manuali o i macchinari tradizionali.
Se può sorprendere che la storia della stampa 3D non sia iniziata così di recente, ancora di più ci sorprenderà nei prossimi anni quanto riuscirà a rivoluzionare l’industria e la vita di tutti i giorni.
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