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Materiali moderni, recenti metodologie per la creazione di oggetti, nuove frontiere all’orizzonte. Fino a cinquant’anni fa era quasi impossibile immaginare di creare un oggetto da zero, utilizzando un metodo di tipo additivo, ma tutto è cambiato con l’avvento della stampa 3D.
Si tratta di un processo che permette di stampare una forma o un oggetto tridimensionale a partire da un modello, detto anche model 3D, inserendo questa figura in uno spazio virtuale, prodotto attraverso i software 3D.
La stampa 3D è conosciuta anche come fabbricazione additiva, perché il processo di creazione dell’oggetto è totalmente diverso rispetto alle tecniche tradizionali. Al contrario della scultura o di altri processi produttivi, dove da un blocco di materia prima si ricava il prodotto finale, nella stampa 3D si crea un oggetto attraverso la sovrapposizione di strati di materiale. Strato dopo strato, l’oggetto viene creato e finito, proprio come si fa con una normale stampante bidimensionale.
Esistono due metodi principali per utilizzare una stampante 3D: la scansione 3D e la modellazione 3D.
Nel primo caso si esegue la scansione di un oggetto per farne una “fotocopia” tridimensionale, mentre nel secondo si crea un oggetto da zero usando i software di modellazione.
Partendo dalla modellazione primaria, ottenuta da scansione o realizzata da zero, si effettuano tutte le modiche necessarie per realizzare la figura che si desidera, scegliendo i materiali da utilizzare in superficie (surfacing), la mappatura, l’applicazione di una texture, l’allestimento scenico, l’illuminazione e le ombreggiature. Tutte queste operazioni hanno lo scopo di migliorare il rendering finale del modello e dargli l’aspetto che si desidera.
Una volta che il modello 3D è completato, inizia la vera e propria stampa 3D. I passaggi dell’intero processo sono semplici: si carica un file digitale, chiamato CAD, su una stampante 3D tramite programmi appositi. La stampante a questo punto produrrà la forma indicata sulle tre superfici, cioè in tridimensionale. Si possono utilizzare diversi materiali, dalle termoplastiche ai fotopolimeri e i metalli.
Gli ambiti in cui si utilizza sono molteplici e si dividono essenzialmente nella sfera artistica e tecnicoscientifica.
Si va dagli ingegneri e i progettisti agli architetti, i game designer, i produttori di film e quella porzione più all’avanguardia dell’industria medica, della scienza e dell’istruzione. Si pensi agli ambiti medici, con la possibilità di stampare una protesi ossea partendo dalla scansione di quella originale del paziente, così da realizzarne una totalmente personalizzata, dove la stampa 3D permette di replicare anche la stessa porosità ossea tramite l’impiego di materiali innovativi.
La tecnologia si espande anche nell’ambito culinario: utilizzando materiali edibili si possono stampare creazioni di cibo tridimensionali, per deliziare ogni palato, anche il più esigente. E ancora nell’edilizia, dove interi moduli abitativi vengono stampati con appositi materiali: una tecnica al vaglio delle agenzie spaziali da utilizzare per poter stampare dei moduli abitativi direttamente sulla Luna o su Marte. Vediamo nel dettaglio le caratteristiche del mondo del 3D making e come funziona.
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0. Il mondo del 3D making: cos’è e come funziona
Come accennato prima, esistono due principali metodi per utilizzare una stampante 3D: la modellazione 3D e la scansione 3D. La modellazione 3D parte essenzialmente da zero: si utilizza un software dedicato per creare un oggetto completamente nuovo. Questa tecnica viene utilizzata soprattutto da ingegneri, architetti, designer industriali e artisti il cui lavoro non ha bisogno di partire da un modello già esistente.
I maker appassionati che si dilettano con la stampa 3D prediligono la modellazione 3D. È molto utile nei casi in cui l’immaginazione la fa da padrona: grazie alla stampa 3D si può creare una qualsiasi forma, un qualunque oggetto, animale o persona venga alla mente. È essenziale anche in quei casi in cui non si ha la possibilità di effettuare la scansione 3D: se per esempio serve il modello 3D di un palazzo che si trova in un altro continente, sarà molto più semplice ed economico creare un modello 3D ex novo piuttosto che tentare di scansionarlo.
Sono diverse le tecniche di modellazione 3D, così come i software che si possono utilizzare a supporto.
La modellazione 3D parametrica o Computer-Aided Design (CAD) è il metodo più gettonato tra ingegneri e progettisti. Sono moltissimi i prodotti che utilizziamo nella vita quotidiana che sono stati creati con l’utilizzo della modellazione CAD 3D.
In questo caso, si crea un model 3D tenendo conto di tutte le caratteristiche che possiede un oggetto reale: parametrici fisici, ottici, peso, dimensioni, materiale. Dopo aver creato il model 3D, si può andare oltre nello studio dell’oggetto e capire come diventerebbe se gli si aggiungessero altre parti, come reagirebbe se vi si applicassero forze di tipo diverso e come lo attraverserebbero i liquidi. Non c’è limite nella progettazione 3D.
Un altro metodo è la modellazione poligonale: in questo caso il modello viene formato essenzialmente da poligoni. Il poligono è una forma piatta, bidimensionale, molto spesso a forma di triangolo o quadrato che il designer modifica per ottenere una mesh 3D, ossia un reticolo di linee e forme che definisce l’oggetto 3D. La modellazione poligonale è molto utilizzata in campi artistici come la creazione di personaggi di film o videogiochi. Con questa tecnica si progetta ogni elemento, dalle armi alle auto.
Anche il metodo della scultura digitale viene utilizzato molto spesso per creare forme 3D per film di animazione o videogiochi. Rispetto alle precedenti è molto utile quando si ha bisogno di creare un oggetto, un volto o un personaggio in maniera estremamente realistica. In questo caso si utilizzeranno degli strumenti simili a dei pennelli per modificare la mesh 3D. È sicuramente la tecnica più scrupolosa e ha bisogno di più tempo rispetto alla modellazione poligonale.
La scansione 3D è l’altro principale metodo per ottenere una stampa 3D.
In questo caso non si avrà un oggetto nuovo creato totalmente da zero, ma l’esatta copia digitale di un oggetto già esistente, ottenuta grazie all’utilizzo di uno scanner 3D. Spesso questo metodo si utilizza in concomitanza con la modellazione 3D per scansionare una parte che verrà aggiunta al progetto iniziale.
Uno dei vantaggi della scansione 3D è quella di poter modificare l’oggetto scansionato e personalizzarlo in base all’uso. La scansione 3D cambia in base alla tipologia di scanner 3D utilizzato: ce ne sono di molti tipi, ad esempio a luce strutturata o a triangolazione laser. La tecnica da utilizzare per la scansione varia a seconda del modello di scanner scelto, ma il risultato sarà sempre lo stesso.
La scansione 3D è una pratica molto utilizzata in campo medico: permette di ottenere protesi altamente personalizzate, basate sui parametri biometrici e fisiologici di ogni paziente, che sono quindi praticamente identiche all’originale.
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1. Gli strumenti del 3D maker: la stampante 3D e il modeling 3D
Gli strumenti del maker sono pochi, ma le loro differenze possono essere anche molto complesse. Per stampare un oggetto 3D serve innanzitutto una stampante 3D e un software di modellazione 3D. Quando si vuole stampare un oggetto in 3D si avrà prima di tutto bisogno di un file grafico idoneo alla lettura delle stampanti 3D.
Il formato più famoso è dato dai file STL. Con un file STL la superficie dell’oggetto da creare viene trasformata in piccoli triangoli posizionati l’uno accanto all’altro, che vanno a delimitare la grandezza e la forma dell’oggetto. Una volta salvato, è proprio questo file che darà alla stampante 3D le istruzioni per eseguire la stampa. Si può ottenere un file STL online, in una delle grandi community di maker, dove ogni file STL viene recensito, utilizzato e modificato per migliorarlo sempre più. Oppure si può creare attraverso un programma di modellazione 3D.
Il modeling 3D, invece, è essenzialmente la creazione di un modello 3D attraverso un software dedicato, cioè si procede con la raffigurazione digitale di un oggetto.
Il risultato delle varie figure geometriche utilizzate, dalle linee curve ai triangoli e le superfici, darà alla macchina le istruzioni per creare la forma dell’oggetto. Sono molti i software che si possono utilizzare per il modeling 3D, sia gratuiti che a pagamento. Uno dei più famosi è sicuramente Blender, un software Open Source per modellazione, rendering e animazione 3D. Oltre ai file STL, può utilizzare anche file OBJ, nel caso si trovasse sul web un modello 3D che piace ma salvato in questo formato. È adatto soprattutto ai principianti che vogliono iniziare a stampare oggetti semplici.
Un altro software molto noto nel settore è Autodesk123DCatch, che riesce anche a creare un model 3D a partire da una fotogrammetria. A differenza degli altri metodi, la fotogrammetria permette di creare un modello 3D partendo da immagini bilaterali, ossia da fotografie.
Più fotografie dell’oggetto da diverse angolazioni verranno scattate, maggiore sarà il realismo del modello 3D costruito su di esse. Se non si volesse installare il programma sul proprio PC, Autodesk 123D Catch si può utilizzare anche online, ma solo utilizzando il browser di Google Chrome e registrandosi al sito Autodesk.
Per approfondimento: Il mondo dei Maker: stampanti 3D, cosa sono e come funzionano
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2. Tipologie di stampanti 3D consumer
Una stampante 3D permette di creare un oggetto 3D partendo da un model 3D, dal risultato di una scansione 3D o da un file scaricato da Internet. Esistono diverse tipologie di stampanti, ognuna delle quali ha un diverso modo di produrre l’oggetto desiderato. Le stampanti 3D più famose sono la stampante 3D a resina fotosensibile, la stampante 3D a polvere sinterizzata laser, a polvere indurita tramite inchiostro, la stampante 3D per metalli e a filamento termo fondibile.
A livello domestico, si utilizzano soprattutto due tipologie di stampanti 3D: le stampanti 3D a filamento e a resina.
La stampante 3D a filamento utilizza la tecnologia Fused Deposition Modeling, o FDM, che crea un oggetto utilizzando la tecnica additiva. I filamenti del materiale scelto vengono fusi e depositati dalla stampante su un piatto, seguendo il modello 3D che si è preparato in precedenza. La punta della stampante si muove sui tre assi del modello che indicano la larghezza, l’altezza e la profondità che l’oggetto stampato dovrà avere. La stampa a filamento è considerata la più veloce ed economica, adatta quindi ai neofiti che si stanno approcciando alla materia.
Oltre alle stampanti a filamento, stanno prendendo sempre più piede anche le stampanti 3D a resina, che rispetto alle precedenti offrono un maggior livello di precisione. Proprio per questo vengono spesso utilizzate in ambiti dove la minuziosità è importante, come il modellismo o la gioielleria. Funzionano in maniera completamente diversa rispetto alla stampante 3D a filamento. Le stampanti a resina possono essere infatti di tre tipi: SLA, DLP e LCD.
Tutte e tre utilizzano la resina fotopolimerizzante: la stampante a resina riesce a trasformare la resina liquida in una forma solida attraverso l’utilizzo della luce. La differenza tra le tre tipologie è come l’oggetto viene illuminato: la SLA utilizza un laser UV, la DLP i proiettori digitali e le stampanti LCD utilizzano uno schermo LCD per creare una fonte di luce.
Tra le stampanti che non sono adatte ad un uso prettamente domestico ma più industriale si trovano le stampanti 3D a polvere sinterizzata laser usano un fascio laser per creare l’oggetto, mentre le stampanti 3D a polvere indurita utilizzano uno specifico inchiostro che va ad indurire la polvere utilizzata.
Le stampanti 3D per metalli invece adoperano un fascio laser ad alta potenza per creare un oggetto in metallo. Tra le stampanti 3D per metalli abbiamo la SLM, Selective Laser Melting, e la EBM, Electron BeamMelting.
Per approfondimento: Stampare in 3D: guida introduttiva alla stampa 3D a resina
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3. Stampa 3D: ambiti di utilizzo
Le stampanti 3D nascono principalmente come strumento per l’attività industriale. I primi prototipi sono nati per la realizzazione di oggetti con una tecnica di produzione che limitasse all’osso gli sprechi di materiale. Uno dei vantaggi di usare la stampa 3D è proprio la fabbricazione additiva, che consente di utilizzare solo la materia prima di cui si ha bisogno, riducendo gli scarti di produzione.
Con l’evoluzione della tecnologia alla base delle stampanti 3D e l’individuazione di un numero sempre maggiore di materiali da usare come materia prima, la stampa 3D ha iniziato a prendere piede in diversi settori, arrivando ad espandersi anche in ambiti diversi da quello industriale.
Oggi, la stampa 3D è utilizzata in applicazioni tecnico scientifiche come le scienze matematiche, fisiche e naturali, la geologia e la sismologia, l’archeologia, la medicina, l’architettura e il disegno industriale. Oltre a queste, la stampa 3D si è avvicinata al mondo artistico attraverso l’industria cinematografica e televisiva, l’industria dei videogame e della grafica pubblicitaria.
La stampa 3D è arrivata anche nel campo dell’alimentare: esistono particolari stampanti 3D che riescono ad utilizzare il cioccolato per stampare, per esempio, dei muffin al cioccolato. Un altro campo in cui la stampa 3D è diventata essenziale è il settore medico. La stampa 3D è il futuro della personalizzazione di dispositivi in base alle caratteristiche fisiche dei pazienti. Studiare il model 3D prima ancora che venga creato permette di considerare e misurare ogni particolarità fisica e trasdurla in un file che permetterà alla stampante 3D di creare un dispositivo unico e su misura.
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4. Stampa 3D online
ShutterstockPuò capitare di non avere particolari idee per creare un nuovo model 3D o di voler replicare con la propria stampante 3D un oggetto interessante visto in giro. In questi casi possono essere molto utili i numerosissimi siti online che permettono di scaricare gratuitamente file STL, il formato più comune per l’utilizzo di stampanti 3D. La ricerca su questi siti è molto semplice: si può ricercare il proprio design preferito tra diverse categorie, dai gioielli alle biciclette o pezzi di ricambio.
Il più famoso sito dove poter scaricare gratis questo tipo di file è Cults. Qui si possono trovare centinaia di model 3D dal mondo del fashion, alla gioielleria, l’architettura e tanto altro. Cults ha anche una community di maker molto attiva: possono comunicare tra loro quasi come se fossero all’interno di un socialnetwork di settore. In questo modo si connettono tra loro artisti, designer e makers per scambiarsi idee e opinioni.
La collaborazione tra maker è un elemento molto importante nel settore del modeling e della stampa 3D.
Molti dei progetti più importanti oggi sono opensource: questo comporta un grande livello di partecipazione e spirito collaborativo. Un altro sito che dà molta importanza a questo aspetto è MyMinifactory, una piattaforma che permette ai maker di condividere il proprio lavoro in modo libero.
Anche qui sono molti i file gratuiti per la stampa 3D, ma prima di essere condivisi vengono sempre selezionati e testati dai membri della community. La possibilità di scaricare gratuitamente file STL non si esaurisce qui: Yeggi, Thingiverse, Youlmagine sono solo alcuni dei tanti siti web che offrono idee e spunti per questa community in fermento.
Se invece non si possiede una stampante 3D, si può optare per un servizio di stampa 3D che invia direttamente a casa il modello già stampato. I servizi di questo tipo si differenziano in base alle opzioni che offrono. Per esempio, oltre le tradizionali modalità di stampa 3D, possono essere interessanti le tecnologie di ultima generazione come la CLIP o la MJF, Multi Jet Fusion. Dopo, bisognerà scegliere il materiale dell’oggetto che si vuole stampare.
In questo caso, è molto importante l’utilizzo che se ne andrà a fare: se è un uso estetico, i classici filamenti di plastica o la resina a polimeri possono bastare, ma se si ha bisogno di una parte metallica, bisognerà fare attenzione ai servizi che offrono anche questo tipo di stampa e al costo, che sarà sicuramente più alto.
Molti siti che offrono questo tipo di servizi permettono di visualizzare prima un preventivo di costo per la stampa. Basta caricare il proprio file STL, scegliere il materiale e apparirà una tabella comparativa di prezzi.
I siti più utilizzati sono Shapeways, i.materialise, Kraftwurx, Sculpteo e Xometry. Questi sono solo alcuni, si consiglia di scegliere sempre il servizio più adatto alle proprie personali esigenze.
Se invece si vuole creare un model 3D senza scaricare o acquistare un programma da installare sul proprio PC, si può utilizzare, la versione web di Sketchup un software di progettazione grafica. Per utilizzarlo, basta cercare SketchupFree sul web, collegarsi al sito ufficiale e iniziare a creare il proprio modello 3D. Se si preferisce, si potrà creare un account gratuito per salvare i propri progetti e modelli.
Sketchup Free funziona esattamente come la versione software a pagamento; quindi, si potranno utilizzare tutti gli strumenti a disposizione come gli strumenti della linea, per le forme o dell’arco. Per dare vita alla tridimensionalità basterà spingere o tirare la forma bidimensionale che si è creata. Sketchup si può utilizzare anche su smartphone e tablet scaricando Sketchup Viewer, l’applicazione dedicata appositamente per i dispositivi mobile.
Il grande apporto alla comunità dei maker che ha dato Sketchup non finisce qui. Oltre alle diverse versioni, a pagamento e gratuite, che offre sui diversi dispositivi mobile, Sketchup è collegato anche a 3D Warehouse, uno dei più grandi archivi online di model 3D già pronti e scaricabili. I campi di applicazione sono tantissimi: da elementi strutturali all’arredo, luci, texture e edifici.
I modelli a disposizioni sono già scaricabili in un formato idoneo all’utilizzo di Sketchup, in modo da risparmiare tempo. Sono molte le aziende e gli utenti che caricano i propri model 3D così che i professionisti utilizzino i loro modelli. Ancora una volta, viene a galla la grande creatività e collaborazione di questa nuova comunità di maker 3D.
Per approfondimento: Modeling 3D, i migliori progetti per i modelli 3D
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5. Come creare un modello 3D con SketchUp
monticello / Shutterstock.com
Creare un modello 3D è sempre più accessibile grazie a programmi intuitivi e gratuiti che consentono anche agli utenti alle prime armi di approcciarsi a questa disciplina. Tra i più famosi programmi dedicati alla grafica 3D si posiziona SketchUp, un software web-based e un’applicazione disponibile per tablet o computer.
Con SketchUp gli utenti possono disegnare oggetti di design da stampare con l’aiuto di una stampante 3D, personalizzare modelli preesistenti o crearne di nuovi. Grazie alla sua interfaccia semplice e intuitiva creare un disegno tridimensionale risulta un gioco da ragazzi.
Per utilizzare SketchUp gli utenti devono scaricare l’applicazione accedendo al sito Internet ufficiale e creare un account. Una volta completata la registrazione, si potrà accedere alla schermata principale dell’applicazione, che permette di scegliere l’unità di misura preferita e che verrà utilizzata all’interno del software per monitorare le dimensioni del disegno.
Una volta selezionata la propria scelta, cliccando sul pulsante Crea nuovo si accede alla schermata di lavoro vera e propria.
Per la propria progettazione gli utenti possono usufruire di tantissimi strumenti messi a disposizione da SketchUp. Tra i più utili e interessanti c’è la Linea, che permette di tracciare i confini di un disegno monodimensionale, dando vita anche a forme diverse dai poligoni standard.
Scegliendo una delle forme prestabilite all’interno del menù, tra cui Quadrato, Rettangolo e Cerchio, si può dare vita ad una figura chiara e stabilita senza preoccuparsi dei rapporti tra le dimensioni. Lo strumento Arco, infine, consente agli utenti di dare vita ad archi e semiarchi da combinare con diversi poligoni.
Per modificare le dimensioni di un disegno, selezionare la figura di interesse e digitare l’altezza e la lunghezza all’interno del riquadro in basso a destra. In questo modo gli utenti possono disegnare figure seguendo proporzioni ben precise, utili per ottenere una stampa 3D accurata.
Dopo aver creato la figura monodimensionale di base, si può trasformare il disegno in un progetto tridimensionale grazie all’utilizzo dello strumento Spingi/tira, che consente di trasformare la figura iniziale.
Gli strumenti di SketchUp permettono anche di cancellare eventuali errori commessi durante la fase di progettazione, colorare in maniera diversa singole facce o porzioni del disegno e scegliere texture differenti.
Per guardare il risultato del proprio lavoro da diverse angolazioni, utilizzare lo strumento Orbita.
Se si è alle prime armi e si vuole avere un aiuto in più per utilizzare SketchUp, la piattaforma mette a disposizione un tour iniziale che mostra tutti gli strumenti disponibili e come utilizzarli. Per accedere, basta cliccare sul pulsante Inizia tour.
Per approfondimento: Crea il tuo modello 3D con SketchUp
