FDM - Fused Deposition Modeling

La stampa 3D è un metodo di produzione additiva brevettato nel 1989 dallo statunitense Scott Crump, ingegnere meccanico e fondatore di Stratasys. Crump, alla ricerca di un modo più veloce per creare prototipi, iniziò a sperimentare con le plastiche semisolide, fondendole manualmente a strati con una pistola incollatrice. La sua prima creazione? Una rana giocattolo per la figlia. Scott Crump chiamò questo metodo "Fused Deposition Modeling" (FDM), ossia "modellazione a deposizione fusa". Una volta sviluppato il software per la produzione assistita da computer (CAM) per automatizzare il processo, Crump iniziò a vendere stampanti 3D Stratasys per circa 12.000 euro. 

Occorre notare che "FDM" è un marchio commerciale di Stratasys, perciò le altre società spesso si riferiscono a questo metodo di stampa 3D come "Fused Filament Fabrication" (FFF), tra gli altri nomi registrati. Questo articolo utilizza questi termini in modo intercambiabile.

Qualunque termine si utilizzi, questa tecnologia di estrusione del filamento ha fatto molta strada nel frattempo. Mentre la progettazione e il prezzo di vendita della prima stampante 3D di Scott Crump erano pensati per la prototipazione industriale da ufficio, negli anni 2000 la stampa di tipo FDM era ormai diventata il tipo più comune di tecnologia di stampa 3D desktop da casa. Oggi, i consumatori possono scegliere tra una moltitudine di possibili stampanti 3D FDM a meno di 200 euro. Alcune aziende hanno persino usato i principi FFF per creare una "penna" manuale per la stampa 3D, la più economica delle quali costa meno di 100 euro ed è destinata agli scolari.

La stampa 3D FDM è un processo di stampa 3D basato sull'"estrusione di materiale". Un filamento termoplastico proveniente da una bobina passa attraverso un estrusore che riscalda, fonde ed estrude la plastica attraverso un ugello sottile. Sono disponibili filamenti con diametro da 1,75 mm o 2,85 mm, mentre gli ugelli standard hanno un diametro di 0,4 mm.

L'estrusore e l'ugello formano la testina di stampa, che si muove lungo il piano di lavoro per disegnare ogni strato, uno dopo l'altro. La stampante segue una serie di istruzioni a partire da uno specifico file – di solito in formato GCODE – che, in breve, contiene una versione "a fette" di un modello 3D.

Ogni "fetta" corrisponde a un unico strato. Più alto è l'oggetto, più "fette" ci saranno, e quindi maggiore sarà il tempo di stampa. La maggior parte delle stampanti 3D offre uno spessore standard dello strato di 0,1 mm. Quando la testina di stampa deposita il filamento, la plastica si fonde sullo strato precedente per poi indurirsi con l'aiuto delle ventole di raffreddamento montate sulla testina di stampa e/o all'interno della camera di stampa.

 

Mentre in passato la stampa 3D FDM prevedeva una curva di apprendimento relativamente ripida, ora questa tecnologia è diventata molto più facile da gestire grazie alla standardizzazione di funzionalità come il livellamento automatico del letto, le camere di stampa chiuse e il ripristino in caso di interruzione dell'alimentazione. Inoltre, gli sviluppi avvenuti nel campo dei software e dei materiali hanno reso questo progresso tecnologico accessibile e adatto agli uffici, tanto che la FFF è ormai uno strumento diffuso per la prototipazione rapida e per la produzione a basso volume.

Tuttavia, la stampa 3D a filamento presenta anche degli inconvenienti. Le parti stampate in FDM sono anisotrope, ossia sono più robuste in una direzione rispetto all'altra. I loro strati sono spesso visibili ad occhio nudo, con finiture superficiali ruvide che possono richiedere fasi di post-lavorazione come sabbiatura, burattatura, levigatura a vapore, ecc.

Inoltre, nelle parti con sporgenze superiori a 45 gradi è necessaria la rimozione dei supporti, altra fase di post-lavorazione. Esistono però le stampanti 3D a doppio estrusore, che possono stampare in 3D contemporaneamente plastica e materiale di supporto solubile. Il materiale di supporto solubile è facile da risciacquare e richiede una minore finitura superficiale.

Le parti stampate in 3D con il sistema FDM tendono a essere meno precise e meno durature rispetto alle parti create con altri metodi di produzione additiva come la SLS o la MJF. Tuttavia, le innovazioni nei materiali e nei metodi di stampa, come la stampa 3D a fibra continua, stanno cambiando la situazione.

Le stampanti 3D FDM utilizzano una serie di termoplastiche. La più comune e più facile da stampare è il PLA (acido polilattico), termoplastica biodegradabile rapida ed economica, ma poco resistente e poco duratura.

Altrettanto comune ma più duraturo, sebbene più difficile da stampare, è l'ABS (acrilonitrile butadiene stirene), una plastica utilizzata in numerosi articoli molto diffusi, dai tasti dei computer ai Lego.

Il filamento di nylon (poliammide, PA) è diventato un'alternativa popolare al PLA e all'ABS perché permette di creare parti FDM durature, con utilizzi che vanno dalle protesi fino agli involucri e agli alloggiamenti.

È inoltre possibile stampare in 3D termoplastici versatili come il PETG (polietilene tereftalato con aggiunta di glicole), che presenta applicazioni 3D pratiche per la prototipazione degli imballaggi dei prodotti di consumo. Invece, il TPU, o poliuretano termoplastico, produce parti stampate FDM simili alla gomma utili per la prototipazione di parti come guarnizioni e tenute.

Le innovazioni nella tecnologia e nei materiali hanno ampliato i casi d'uso della stampa 3D FDM al di là della plastica. La stampa FDM contenente fibra di carbonio permette di creare parti robuste tanto quanto l'alluminio, come il filamento FDM Nylon 12 Carbon Fiber realizzato da Stratasys.
Altre innovazioni esplorano l'integrazione dell'elettronica nelle parti stampate in FDM, utilizzando paste riempite di metallo per realizzare circuiti integrati, batterie e conduttori. Ne è un esempio The Virtual Foundry, società con sede nel Wisconsin che produce filamenti FDM contenenti metallo, vetro e ceramica. Dopo un processo di deceraggio e sinterizzazione per rimuovere la plastica, le parti risultanti possono vantare la resistenza e le proprietà termodinamiche dei metalli e di altri materiali robusti.

I professionisti ormai sfruttano la stampa 3D FDM spingendosi ben oltre la prototipazione industriale, ad esempio per la produzione su larga scala e per la progettazione di parti altamente complesse. Questa tecnologia risulta particolarmente utile per la produzione di maschere e fissaggi in settori come quello automobilistico e aerospaziale. 

Nel comparto aerospaziale, Liberty Electronics, azienda con sede in Pennsylvania, utilizza le stampanti Stratasys per fabbricare parti stampate in 3D per un'applicazione missilistica, riducendo i tempi di realizzazione e il costo del cliente del 75%. Molte aziende automobilistiche utilizzano la stampa FDM per varie applicazioni, dai prototipi ai pezzi di ricambio per auto d'epoca. Un esempio significativo riguarda l'azienda tedesca BigRep, che ha realizzato una motocicletta completamente funzionante – la NERA – con le sue stampanti 3D FFF.

Con l'evoluzione della stampa 3D, altri sottoprocessi come la SLA e la SLS continuano ad emergere come alternative alla FDM. Tuttavia, la FDM non è destinata a scomparire a breve. La FDM resta uno dei metodi di stampa 3D più semplici, risultando popolare sia a casa che a scuola. Aziende come MakerBot commercializzano da tempo i propri prodotti come un modo divertente ed efficiente per gli studenti di scoprire diverse materie.

Inoltre, essendo economica e accessibile, la stampa 3D FFF consente innovazioni rapide rilevanti in campi come la medicina. Durante la pandemia di COVID-19, il mondo ha sfruttato le stampanti FDM per produrre le guarnizioni per le mascherine N-95, visiere trasparenti e tamponi per i kit di raccolta dei campioni virali. 

Nel momento in cui scriviamo, la stampa 3D con filamento rimane più adatta per le applicazioni di prototipazione a causa dei problemi di durata. Tuttavia, come dimostrato dagli esempi sopra, varie aziende stanno ampliando i tipi di filamenti utilizzati nella stampa 3D ad estrusione di materiale. Queste innovazioni con ogni probabilità continueranno, rendendo la stampa 3D FDM un'importante tecnologia additiva per molti anni a venire.