Modellazione a deposizione fusa (FDM): tutto quello che c’è da sapere

La modellazione a deposizione fusa, nota come FDM (Fused Deposition Modelling) o FFF (Fused Filament Fabrication), è la tecnologia di stampa 3D più diffusa e utilizzata. In questo articolo esploreremo la sua storia e le sue caratteristiche principali.

Il processo di stampa 3D FDM è stato inventato e brevettato nel 1989 da Scott Crump e commercializzato nel 1990 dall’azienda da lui fondata, Stratasys (USA). Poiché si tratta di un marchio registrato, l’acronimo FDM non poteva essere utilizzato da altri oltre Stratasys. Così, con il lancio del movimento RepRap nel 2005, il team guidato da Adrian Bowyer ha creato l’acronimo FFF. Quest’ultima si serve del filamento, mentre le prime stampanti FDM di Stratasys utilizzavano pellet. Fondamentalmente non esiste alcuna distinzione tecnica tra questi due acronimi, che rappresentano entrambi lo stesso processo di produzione additiva.

Come stampare in 3D con la modellazione a deposizione fusa 

La FDM è spesso considerata la tecnologia di stampa 3D più semplice. Gli elementi fondamentali per la FDM sono i seguenti:

• un piatto di stampa sul quale viene stampato il pezzo;  

Piatto di stampa di una stampante FDM.

• una bobina di filamento che funge da materiale di stampa; 

Bobina di filamento FDM.

• Un estrusore che guida il filamento durante il processo di stampa. L’estrusore è dotato di un motore passo-passo, noto anche come “stepper”, integrato con un sistema di azionamento.

Estrusore per stampante 3D FDM.

• Un sistema di movimento per spostare testina di estrusione e il piatto sugli assi X, Y e Z per stampare gli oggetti in 3 dimensioni;

Sistema di movimento cartesiano di una stampante FDM.

• Una testina di stampa che deposita il materiale strato dopo strato;

Testina di stampa FFF.

La tecnologia FDM utilizza prevalentemente materiali termoplastici forniti sotto forma di filamento. Il filamento viene alimentato nella stampante da un motore, l’estrusore, che lo spinge verso la testina di stampa, chiamato anche hotend. Qui il materiale viene riscaldato fino al punto di fusione grazie a una resistenza, si scioglie e viene estruso attraverso un ugello sottile.

In alternativa, il filamento può essere sostituito da pellet, piccoli granuli di plastica che vengono processati tramite una tramoggia. In entrambi i metodi, una volta estruso, il materiale fuso viene depositato sul piano di stampa strato dopo strato. Durante il processo, una ventola raffredda la plastica fusa, consentendone l’indurimento immediato.

Materiali compatibili con le stampanti 3D a modellazione a deposizione fusa

Le stampanti FDM sono compatibili con una vasta gamma di polimeri termoplastici come il PLA e l’ABS, ma anche policarbonati (PET, PS, ASA, PVA, Nylon), filamenti compositi a base di metallo, pietra, legno e molto altro. Questi composti hanno spesso interessanti proprietà meccaniche come la conducibilità, la biocompatibilità o la termoresistenza. Sostituendo l’estrusore di una stampante 3D con un sistema a siringa è inoltre possibile creare pezzi con l’argilla o perfino con materiali commestibili come il cioccolato. Il prezzo di questi materiali varia; per dare un’idea, 1 kg di filamenti di PLA è commercializzato a circa 35€.

Francofil commercializza filamenti che contengono rifiuti riciclati.

Quindi, anche se la modellazione a deposizione fusa utilizza generalmente filamenti di plastica, è anche possibile stampare altri materiali compositi come metalli e ceramiche. Si può persino stampare con plastica contenente scarti di birra o caffè.

Oltre alla varietà di materiali disponibili, i filamenti per la stampa 3D sono prodotti in due dimensioni standard: 1,75 mm e 2,85 mm.

Variabili da conoscere per padroneggiare al meglio la FDM 

Con la stampa 3D FDM, la qualità è spesso influenzata da due fattori: diametro dell’ugello e altezza dello strato di materiale estruso. Maggiore è il diametro dell’ugello, più alto può essere ogni strato, ma se gli strati sono troppo grandi, la stampa può perdere dettagli e presentare difetti che assomigliano a dei “gradini”. Questo tipo di difetto viene chiamato Wobble o Wobbling. 

La dimensione dell’ugello più comune oggi è 0,4 mm e con questo tipo di ugello puoi stampare facilmente con un’altezza dello strato compresa tra 0,1 e 0,3 mm. 

Su alcuni modelli stampati in 3D possono essere visibili gli strati di materiale.

Con la stampa 3D FFF, il materiale può essere estruso in due metodi diversi:

• Il primo è l’estrusione Bowden, in cui il materiale viene guidato dall’estrusore all’hotend attraverso un tubo Bowden. Questa configurazione è molto leggera, poiché la testina di stampa trasporta solo l’hotend e non l’estrusore, che è quindi posizionato separatamente.
• Il secondo metodo è la configurazione a trasmissione diretta, nota anche come direct drive. In questo caso, l’estrusore è collocato direttamente sopra l’hotend, permettendo al materiale di scendere direttamente nell’hotend per essere fuso. Questo tipo di configurazione è ideale per estrusioni precise e materiali flessibili, poiché l’assenza del tubo Bowden riduce notevolmente l’attrito sul filamento, evitando così il fenomeno dello stringing.

Raccomandazioni per la stampa

Sebbene la stampa 3D FDM sia accessibile e relativamente semplice da utilizzare, possono verificarsi alcuni inconvenienti. Puoi trovare i difetti di stampa più comuni legati alla tecnologia FDM QUI.

Inoltre, la stampa 3D FDM presenta alcune limitazioni, poiché il materiale fuso, depositato strato dopo strato, è soggetto alla gravità terrestre. Di conseguenza, alcune porzioni stampate “nel vuoto” o in sporgenza possono presentare difetti di stampa. In questi casi, è consigliabile utilizzare supporti, ovvero pilastri stampati per sostenere le parti del modello.

Alcune parti stampate con la modellazione a deposizione fusa richiedono supporti per garantire il successo della stampa.

Mercato della stampa FDM

Anche se la tecnologia FDM si basa sempre sullo stesso principio generale, le stampanti possono avere caratteristiche molto diverse volte a semplificare il processo di stampa, produrre pezzi più grandi o consentire l’uso di materiali che hanno caratteristiche di stampa complesse. Esistono quindi stampanti di grande formato, IDEX, ad alte prestazioni e molte altre.

Questa varietà rende il mercato delle stampanti 3D FDM molto ampio con una vasta gamma di soluzioni che vanno dalle stampanti desktop di fascia base, il cui costo non supera le poche centinaia di euro, fino alle stampanti industriali che possono costare centinaia di migliaia di euro. Tra i nomi più conosciuti troviamo Creality e Anycubic per le macchine di fascia base, Stratasys, 3D Gence e 3ntr per le stampanti professionali, oltre a centinaia di altri marchi presenti sul mercato.

Grazie a queste diverse stampanti 3D FDM è possibile realizzare una vasta gamma di prodotti da piccoli prototipi, alle decorazioni, fino a razzi o persino edifici.

La stampa 3D FDM, grazie al suo basso costo e alla sua semplicità d’uso, è spesso utilizzata nel settore della prototipazione rapida per semplificare e accelerare il processo iterativo di ricerca e sviluppo.

Scopri gli altri nostri approfondimenti dedicati alle tecnologie di stampa 3D QUI.

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