Attualità

Stampa 3D, geometrie complesse e alte prestazioni

Sicurezza, comfort, performance e personalizzazione. Queste sono le caratteristiche che accomunano molti dei prodotti stampati con le tecnologie di produzione additiva, destinati ai settori più diversi. Nello specifico, sono notevoli i successi riscontrati dalla stampa 3D in campo medico e sportivo.

Il 2020 non è certo stato un anno buono sul fronte economico e sociale a livello globale. Tuttavia l’emergenza sanitaria vissuta a livello mondiale, non ancora terminata purtroppo, ha messo in evidenza non solo la sofferenza e al contempo la resilienza umana, ma anche la capacità di sviluppare salvavita in tempo reale. Dispositivi di protezione individuale, dispositivi medici per assistere i malati nei reparti Covid, ora i vaccini anti Covid-19, sono tutte dimostrazioni di quanto l’uomo può fare con solidarietà ed efficienza. Tutti gli interventi qui accennati sono frutto di tecnologie. Tra quelle che si sono mostrate particolarmente utili, vi è la stampa 3D, in tutte le sue forme. Questa tecnologia permette infatti di decentralizzare la produzione, anche in termini geografici, è accessibile anche a piccole imprese e start-up e permette di lavorare secondo un vero e proprio time-to-market.

La produzione additiva è dunque alla ribalta e sta mostrando tutte le sue potenzialità anche per produzioni su numeri comunque abbastanza grandi e maggiormente personalizzate in confronto alle grandi linee industriali. Il mercato dei materiali dedicati a questo settore tecnologico è in crescita, con il lancio di diverse novità materiche quasi settimanalmente. Rimane ancora da chiarire, ove presente, qualche problematica come il riciclo di alcuni materiali, soprattutto quando si parla appunto di produzione additiva e riciclo distribuiti (distributed recycling and additive manifacturing – DRAM) all’interno dello stessa linea di stampa 3D. Si stanno anche studiando le emissioni potenzialmente nocive che possono aversi con alcuni materiali per stampa 3D, soprattutto quando utilizzati da privati su piccole macchine, quindi in minori condizioni di sicurezza in confronto a un’industria.

Tuttavia il 2020 ha mostrato chiaramente che prevalgono i vantaggi nella scelta della produzione additiva e che si tratta di una tecnologia migliorabile e aggiornabile in tempi rapidi. Come detto il settore medicale è tra quelli che ne beneficiano maggiormente. Sono diverse le applicazioni in campo medico, dai dispositivi alla chirurgia. Molte sono ancora allo stadio di ricerca, altre sono allo stadio della prototipazione o solo in attesa delle certificazioni finali dedicate. Altri campi esigenti in termini di requisiti sono il settore delle attrezzature sportive, i cui capisaldi sono sicurezza e performance, e il settore calzaturiero attento ora ai prodotti su misura. Esempi interessanti di queste applicazioni rientrano tra i premiati in alcuni concorsi dedicati alla produzione additiva e alle sue novità a livello mondiale.

Uno degli ultimi concorsi dell’anno 2020 dedicato alla produzione additiva è il Purmundus Challenge. L’ultima edizione 2020 di questa competizione internazionale per il design con stampa 3D e 4D, presentata alla mostra digitale Formnext Connect, aveva come tema “geometria e materiale in armonia”. Tra i 35 finalisti, tutti interessanti, 7 sono i premiati. Alcune delle applicazioni cui è stato conferito il riconoscimento, hanno utilizzato anche materie plastiche e qui vediamo di quali prodotti si tratta.

Ortesi per mano

In campo medicale vi sono stati diversi riconoscimenti. Il secondo premio è infatti andato a HKK Bionics, una società tedesca che ha sviluppato ‘exomotion hand one‘, una ortesi per mani paralizzate. Progettato come una sorta di ‘guanto motorizzato‘, exomotion hand one consente di svolgere tutte le attività quotidiane che richiedono la capacità di ‘presa’. Un software intelligente dotato di un sensore è in grado di percepire gli impulsi del muscolo attivo e controlla dei micro drive posti nel tutore dell’avambraccio. Questi drive a loro volta controllano dei meccanismi di attuazione presenti nella parte del guanto per aprire e chiudere le dita. Questo sistema permette di realizzare sei differenti tipi di presa, tra cui quello per sollevare e quello per prendere tra le dita. Le varianti memorizzate sono in grado di determinare quali dita sono coinvolte nella presa. Tutti i componenti di exomotion hand one sono connessi tra loro dal tutore dell’avambraccio, che viene prodotto su misura del paziente per evitare che si formino lividi o che crei fastidio all’area a cui è applicato.

Questa ortesi è stata studiata come sistema modulare, composto da più di 40 componenti, alcuni standard e altri, come il tutore dell’avambraccio, realizzati in parte su misura mediante la stampa 3D e precisamente la sinterizzazione selettiva con laser (Selective Laser Sintering – SLS). La stampa 3D permette di realizzare in contemporanea tutte le sezioni e gli alloggiamenti e i sottosquadri necessari per i componenti meccatronici, il tutto raggiungendo livelli di miniaturizzazione altrimenti difficili da realizzare. Grazie alle soluzioni tecnologiche adottate, exomotion hand one risulta leggero e confortevole per il paziente. Per la parte del guanto viene utilizzato silicone certificato per uso medico, mentre tutte le parti in plastica di questa ortesi sono realizzate con poliammide 12 biocompatibile e colorate secondo i colori scelti dal paziente. Poiché tutte le parti realizzate in PA12 escono bianche, richiedono tutte una colorazione persistente e una finitura superficiale omogenea.

Le parti sono prodotte presso l’azienda Teufel Prototypen e a fine produzione avviene la fase di pulitura dalle polveri in soli 10 minuti. Successivamente le parti in altri soli 10 minuti sono trattate con il PolyShot Surfacing (PSS) della società DyeMansion, per ottenere una finitura superficiale in parte opaca in parte lucida, resistente ai graffi e che non influisce sulla geometria delle parti. Questo trattamento superficiale permette di avere una ortesi che non gratta o graffia la pelle con cui entra in contatto. Con un tempo ciclo di 2 ore e mezza avviene invece la fase di colorazione con il sistema DeepDye di DyeMansion. Colori e finiture proposte da DyeMansion per questa ortesi sono tutti certificati per uso medico. L’assemblaggio di exomotion hand one avviene poi presso lo stesso ideatore HKK Bionics e, infine, presso il medico che segue il paziente per controllarne l’adattabilità, la funzionalità e il comfort. Pur trattandosi di ortesi quasi interamente su misura, il tempo totale di produzione è di poche ore.

Tutore per riabilitazione

Adaptive splint, ovvero un tutore adattivo per polso, è il nome del prodotto nato dalla ricerca portata avanti da Yejun Fu alla School of Design Innovation presso la Victoria University di Wellington (Nuova Zelanda). Questo progetto ha ricevuto il Newcomer Prize ed è stato premiato perché realizzabile su misura, perché in grado di inserire la quarta dimensione, passando dalla stampa 3D alla stampa 4D, e perché dedicato alla messa a punto di biopolimeri. Questa combinazione di caratteristiche permette infatti di realizzare prodotti per il settore medicale altamente personalizzabili, adattabili a forma, movimento e proprietà fisiologiche del corpo umano. Il tutto è partito da un progetto di ampio respiro dedicato alla messa a punto di biopolimeri e biocompositi per la produzione additiva, sia stampa 3D che stampa 4D. Questo progetto rientrava nel programma dei National Science Challenges del governo neozelandese che invita scienziati da tutti i campi di ricerca a risolvere problematiche o a sviluppare diverse opportunità per il Paese.

Il progetto specifico ha quindi analizzato la possibilità di utilizzare la stampa 4D nella realizzazione di dispositivi indossabili come, ad esempio, un sostegno adattivo per la riabilitazione del polso. Il dispositivo è quindi stato sviluppato muovendosi su due ambiti. Primo, l’utilizzo di polimeri sperimentali e la verifica della loro reattività e adeguatezza a essere stampati, per uno strato del tutore che sia in grado di adattarsi ai cambiamenti che avvengono nel corso della guarigione. Secondo, l’integrazione di queste prove in modelli 3D per la realizzazione di un tutore adattivo, composto da tre strati, in grado di soddisfare i requisiti necessari nel percorso di riabilitazione.

La ricerca continua. Ma la giuria del concorso ha considerato interessanti le potenzialità che questo progetto apre al settore dei dispositivi indossabili, composti da più strati di materiali reattivi e da differenti geometrie, in grado di adattarsi al corpo umano. Per quanto riguarda la produzione additiva, per la precisione la stampa 4D, il progetto ha permesso di migliorare il controllo della fase di estrusione, anche in caso di uso di più materiali, e la sua fattibilità anche su modelli curvi.

Bussola dei colori tattile

Un’applicazione interessante per il mondo dell’assistenza e dell’educazione scolastica, è la bussola dei colori tattile (Tactile Colour Compass) messa a punto dalla società tedesca Taktilesdesign per i non vedenti. Questo prodotto si è visto riconosciuta la Menzione Speciale nel concorso, perché il prodotto è stato sviluppato con una profonda collaborazione tra gli sviluppatori e i bambini non vedenti, anche sul lungo periodo, e perché crea un percorso di inclusione importante. Questa bussola tattile per i colori cala chiunque la utilizzi in un mondo di percezioni, lasciando emergere immagini, paesaggi e oggetti della quotidianità attraverso il tatto.

Basandosi sullo schema adottato dal centro per i non vedenti e gli ipovedenti dello Schleswig-Holstein in Germania (Landesförderzentrum Sehen LFS), Taktilesdesign ha aggiunto degli elementi alla bussola tattile. Come in natura, al tatto le superfici sono morbide o dure, calde o fredde e queste sensazioni distinguono spesso anche i colori, qui distinti anche da odori dedicati. La bussola tattile ha portato a livelli di dettaglio maggiori questa esperienza tattile, ed è stato possibile realizzarla con un unico processo grazie alla stampa 3D. È stato infatti possibile combinare in un solo passaggio texture e colori con i fotopolimeri di Stratasys e i materiali di Roland.

Per l’effetto velluto ad esempio (nello schema LFS rappresenta il colore rosso) il materiale doveva risultare particolarmente morbido. È stato scelto il fotopolimero PolyJet Agilus 30 di Stratasys, caratterizzato da una resistenza allo strappo superiore, capace di sopportare flessione e piegatura ripetute e in grado di simulare l’aspetto, la sensazione tattile e la funzione della gomma. Tuttavia, per questa bussola si doveva richiamare al meglio al tatto l’effetto velluto e sono quindi stati stampati sulla parte superiore di questo colore dei minuscoli peli. I fotopolimeri policromatici e multifunzione Vero e VeroUltraClear di Stratasys sono invece stati scelti per altri colori. La serie Vero si caratterizza per  robustezza, rigidità e versatilità con colori che vanno dal blu, al bianco, al nero, al grigio, al ciano, al magenta e al giallo. La stampa 3D con questo materiale assicura parti levigate e precise ed è possibile mescolare questo fotopolimero con altri fotopolimeri in modo da variare durezza, flessibilità, traslucenza e resistenza termica. Il fotopolimero VeroUltraClear simula invece l’acrilico, ottenendo una trasmissione della luce del 95%, e assicura un alto grado di limpidezza.

La bussola tattile propone dunque un’ampia gamma di sensazioni tattili, ognuna tesa a richiamare un colore diverso, per un totale di 11 diverse texture.

Sneaker in TPU

Il terzo premio del concorso Purmundus è stato assegnato a Zero, le sneakers stampate in 3D, della società Zellerfeld Shoe Company e del designer Svet Abjo. Si tratta di una scarpa sportiva stampata in un unico step, priva dunque di qualsiasi cucitura o incollaggio, e completamente funzionale perché realizzata attorno alle scansioni del piede della singola persona. La giuria ha apprezzato in particolare la scelta del monomateriale, che ha consentito una semplice realizzazione con la stampa 3D. Il materiale scelto per questa calzatura è il poliuretano termoplastico con durezza 60 Shore A. Le scarpe a fine vita possono anche essere nuovamente fuse per poterne produrre un nuovo paio.

Per gli amanti dello snowboard

Il Public Choice Award, ovvero il premio dato sulla base delle scelte del pubblico, se lo è aggiudicato l’attacco degli snowboard della serie Now di Nidecker Group. Questa azienda, con il loro partner di sviluppo Addit-ion, hanno visto riconosciuto il valore degli A.I. Bindings. Nel caso specifico l’impegno maggiore è stato trovare il modo di conferire agli attacchi la massima robustezza e rigidezza possibile, unitamente a un peso basso, così che l’attacco risultasse solido e rispondesse al meglio anche ai movimenti più aggressivi degli snowboarder. Per ottenere un prodotto di questo tipo, Addit-ion ha utilizzato strumenti di intelligenza artificiale (da qui il nome A.I.) e di stampa 3D, mentre Nidecker Group ha impiegato tutto il suo know-how nel campo degli attacchi.

Con una piastra sono stati simulati gli stessi sforzi a cui gli attacchi sono sottoposti nella tecnica di sci carving. Sono stati testati molti materiali e tecnologie e dopo ore di simulazioni e analisi dei dati  si è scelto di stampare l’attacco con una poliammide 12. Questo tecnopolimero è stabile alle basse temperature, assicura un migliore attacco alla tavola e ha le stesse proprietà meccaniche della poliammide 66 utilizzata finora negli attacchi stampati a iniezione della serie Now.

Il progetto ha permesso a Nidecker Group di ridurre il peso finale dell’attacco di circa il 25% rispetto agli altri attacchi. Il peso totale della tavola è di 5 kg, mentre l’attacco pesa ora 1600 grammi.

a cura di Valeria Mazzucato

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