Nel 1989, S. Scott Crump brevettò la Fused deposition modeling, cioè la stampa 3D con materiale fuso, che permette ai filamenti plastici fusi di formare strato dopo strato. Quattro anni dopo, il MIT di Boston riuscì a stampare in 3D oggetti a colori, una tecnologia costosa ma dai risultati sorprendenti.

Nonostante siano passati diversi anni dall’introduzione delle stampanti 3D sul mercato, l’argomento continua a suscitare interesse e a evolversi grazie ai progressi dell’intelligenza artificiale (AI). Ne abbiamo parlato con Bernardo Mattiucci, un tecnico innovativo con una vasta esperienza in molti settori tecnologici, ci spiega perché le stampanti 3D rimangono rilevanti nel 2024 e come l’AI sta ridefinendo questo campo.

Nell’intervista che segue, Mattiucci condivide le sue intuizioni, il suo prototipo di 3d Printing e come l’AI stia rivoluzionando il mondo delle stampanti 3D, aprendo nuove possibilità e sfide per l’industria. Esplora anche le tendenze emergenti e le applicazioni future di questa tecnologia in rapida evoluzione.

Qual è stata la tua ispirazione iniziale per sviluppare una stampante 3D e come hai iniziato il tuo percorso?

Bernardo Mattiucci: Per almeno 15 anni, da quando vidi le prime stampanti 3D nelle fiere all’inizio degli anni 2000, pensavo fossero inutili. Erano rivolte al settore consumer e cercavano di convincere la gente che con una stampante 3D si potesse fare qualsiasi cosa.

In realtà, servono conoscenze di grafica 3D, altrimenti si è limitati. Questo ha costretto i produttori a ridurre i costi e la qualità dei prodotti per vendere.

Nel 2019 ho completato la prima fase di un prototipo particolare che sto realizzando. Avevo bisogno di una soluzione rapida e facile per assemblare i pezzi. La stampa 3D mi ha permesso di creare i pezzi, anche se non erano meccanicamente perfetti, ma comunque funzionali per assemblare il prototipo in una versione più piccola.

Con competenze di progettazione e realizzazione di macchine a controllo numerico (Frese CNC 3 e 4 assi e pantografi), ho pensato che costruire una stampante più grande rispetto a quelle sul mercato poteva offrirmi un’opportunità di guadagno.

All’epoca, esistevano stampanti con una superficie di stampa di 450×450 mm; la mia avrebbe avuto una superficie di 600×600 mm nella versione iniziale, ma l’idea che ho è quella di realizzare una stampante 3D modulare, assemblabile dall’utente finale mettendo insieme una serie di pezzi preassemblati in fase di produzione.

Questo, con un numero limitato di “componenti di base”, permetterebbe di scegliere le dimensioni dell’area di stampa, l’altezza utile, le “finiture” e gli eventuali accessori, senza pregiudicare la funzionalità e limitando al contempo il costo di produzione.

Quali sono i vantaggi della tua stampante 3D rispetto a quelle dei grandi marchi e dei produttori cinesi?

Bernardo Mattiucci: La nostra stampante “Quadra” è modulare (anche se il prototipo attuale non lo è) e sarà disponibile in kit di montaggio.

Gli utenti potranno scegliere dimensioni e accessori tramite un sito web e un configuratore online. Riceveranno a casa un pacchetto con tutti i componenti, inclusi manuale di istruzioni, foto, video e altro.

Inoltre, non è solo una stampante 3D, ma una macchina multifunzionale: basta cambiare l’SDcard con il firmware e la testa per avere una CNC con elettromandrino, laser per taglio e incisioni, scanner 3D o manipolatore di oggetti.

Il piano di stampa fisso permette l’uso di filamenti flessibili e, con la camera di stampa chiusa e vari accessori specifici, potrebbe usare filamenti tecnici. Progettata in Italia!

Quali innovazioni specifiche hai implementato nel tuo design rispetto alle tecnologie già esistenti?

Bernardo Mattiucci: La Quadra è una CNC cartesiana con piano di stampa fisso o a nastro, per stampare più pezzi in sequenza.



La testa è intercambiabile, permettendo di passare da un estrusore FDM, a un elettromandrino, a un laser, ecc.

Una particolarità unica è il totem che contiene l’elettronica, separato dal corpo stampante. Questo consente di usare una sola elettronica per diversi modelli di stampante assemblabili con i pezzi del progetto.

Si possono ottenere così modelli con piano di stampa utile di 300x300mm, 600x600mm, 900x900mm oppure 1200×1200 e 1500x1500mm. Anche l’altezza utile può variare, potendo scegliere tra 150 e 1800 mm, con alcune limitazioni per il piano più piccolo.

Come affronti le sfide legate alla competitività dei prezzi rispetto ai produttori di massa?

Bernardo Mattiucci: Al momento non mi preoccupo di questo problema perché sono ancora all’inizio. Devo ancora fare l’industrializzazione, quindi spero che le cose cambino. Credo sempre che la qualità e l’affidabilità abbiano un costo. Abbassare troppo il prezzo non serve a nulla se non a rovinare il mercato.

Oggi abbiamo stampanti 3D di grandi dimensioni a pochi centinaia di euro, ma guardando i costi reali, il prezzo del prodotto finito non arriva neanche alla metà del totale dei singoli pezzi.

Quindi da qualche parte ci deve essere un problema nascosto, che quasi sempre è nell’affidabilità. Vendere stampanti a 500 euro che dopo 6 mesi necessitano della sostituzione delle ruote in gomma dei carrelli degli assi X e Y mi sembra ingannevole.

Quali materiali utilizzi nella tua stampante e come questi materiali influenzano la qualità e la versatilità dei prodotti finali?

Bernardo Mattiucci: La struttura è in alluminio con pannello posteriore in alluminio e pareti in policarbonato. Le guide usano ricircolo di sfere sugli assi X e Y, con motori Nema 17 tra i più potenti disponibili.

L’asse Z, al momento, utilizza 4 barre tonde con viti a ricircolo di sfere e motori Nema 17 indipendenti. Questo, grazie all’elettronica di cui è dotata la stampante, permette un perfetto allineamento del “piano XY” rispetto al piano di stampa, garantendo sempre una stampa ottimale dell’oggetto. 

Nel prototipo che ho assemblato, quasi tutti i materiali sono riciclati o recuperati, eccetto le guide, le viti a ricircolo, l’elettronica e l’estrusore, tra i più potenti e affidabili sul mercato.

Puoi descrivere il processo di prototipazione e test che segui per garantire l’affidabilità della tua stampante?

Bernardo Mattiucci: La Quadra al momento è un prototipo unico, ancora da completare e da sistemare in alcuni dettagli minori, a parte il piano di stampa che non sta funzionando come voglio, ma questo è solo un problema di costi che non posso permettermi al momento.

Questo prototipo l’ho disegnato sul CAD, analizzato insieme ad un paio di amici, visto e modificato almeno una decina di volte. Poi, ho iniziato a produrre i pezzi per assemblarlo, alcuni dei quali stampanti con una stampante commerciale cinese.

Questo lavoro l’ho fatto in mansarda, quindi uno spazio ristretto dove, letteralmente, non c’entra più niente! La struttura è stata assemblata e smontata più volte, apportando varie modifiche anche di recente, così da renderla quanto più robusta possibile. I componenti in PLA (Bioplastica naturale) non sono il massimo della robustezza, ma aiutano a limitare i costi e velocizzare il lavoro.

Essendo un prototipo ho cercato di completarlo quanto più velocemente possibile, ma l’idea che ho per il prodotto finale è che ogni componente vada assemblato e testato per bene, così da rispondere in modo adeguato alle necessità del futuro cliente. Non accetto compromessi… qualsiasi cosa faccio… o la faccio bene, o non la faccio affatto. Anche se questo mi è costato caro!

Per quanto riguarda l’uso della stampante in sé, si inizia con uno schizzo… poi si passa alla grafica 3D con CAD meccanico parametrico. Una volta ottenuto l’oggetto 3D in forma digitale, si fa lo slicing con un software dedicato (attualmente uso ideamaker) e poi si procede con la stampa.La parte più complessa è quasi sempre il disegno 3D, essenziale per stampare qualsiasi oggetto.

Di solito uso il PLA perché la stampante non è ancora completamente a punto e ho qualche problema con il piano di stampa. Una volta realizzato l’oggetto in PLA, si può sistemare e ristampare con materiali tecnici più costosi e performanti.

Questo è il procedimento che ho seguito per realizzare i pezzi necessari per assemblare la Quadra. Quando mi sembreranno perfetti, vedrò di realizzarli con stampa 3D con tecnologia SLS (Sinterizzazione Laser selettiva) e materiali tecnici.

Come affronti la sostenibilità nella produzione delle stampanti 3D?

Bernardo Mattiucci: Nella società industrializzata nella quale viviamo c’è un evidente problema culturale: la ricerca del massimo profitto ha spinto le aziende ad utilizzare materiali troppo economici o a utilizzare componenti in modo troppo “critico”. 

Quando un pezzo di ricambio per un prodotto commerciale costa più del prodotto nuovo, l’utente butta il vecchio e ne compra uno nuova.Questo significa alimentare uno spreco enorme di risorse ed energia, nonché produrre rifiuti spesso non riciclabili.

Il mio progetto punta a realizzare una stampante 3D solida, robusta, funzionale e durevole nel tempo, con la possibilità, essendo modulare, di sostituire il singolo pezzo rotto o difettoso e magari ripararlo facilmente. 

Ho voluto dimostrare che è possibile realizzare un progetto complesso, diverso dalle solite stampanti 3d commerciali.

Un progetto creato sulla base delle mie personali esigenze e che ora può essere la base sulla quale sviluppare nuove soluzioni tecnologiche e applicazioni pratiche.

Ora, quello che cerco, sono collaboratori che mi aiutino a migliorare le parti del progetto che ho implementato personalmente. Cerco degli sponsor che  possano sostenermi nelle attività di raffinamento del prototipo e delle attività necessarie alla sua industrializzazione e distribuzione.

Quali settori vedi come i più promettenti per l’applicazione della stampa 3D in futuro?

Bernardo Mattiucci: La mia passione più grande è l’astronautica. Ho iniziato a fantasticare su come realizzare le pannellature esterne o l’intera struttura già 30 anni fa, senza sapere nulla di stampa 3D.

Oggi potrei spiegare dettagliatamente come costruire lo scafo di un’astronave con la tecnologia 3D. Per me il futuro della stampa 3D è nello spazio, ma anche l’edilizia e la carpenteria potrebbero trarne vantaggio, specialmente con l’uso di più materiali contemporaneamente.

La prototipazione e la realizzazione di oggetti in metallo con stampanti 3D possono migliorare notevolmente la qualità dei prodotti finali e ridurre i costi. Pensiamo ai condotti di aspirazione e scarico di un motore, normalmente realizzati in acciaio saldando insieme vari tubi tagliati e sagomati.

Oggi possiamo stamparli in 3D in un unico pezzo, migliorando le qualità meccaniche e il design.

Quali sono i principali vantaggi dell’integrazione dell’IA nella progettazione di oggetti stampati in 3D?

Bernardo Mattiucci: La stampa 3D, a seconda della tecnologia usata, offre diverse proprietà meccaniche anche con lo stesso materiale.
Una risoluzione maggiore migliora queste proprietà anche nella stampa FDM (a filamento), ma richiede tempi molto più lunghi, aumentando il rischio di problemi.

Progettare accuratamente l’oggetto può ridurre il tempo di stampa o migliorare le sue qualità meccaniche. La posizione e la direzione dei layer di estrusione influenzano significativamente le qualità dell’oggetto. A volte, l’oggetto è troppo complesso per essere stampato nella posizione ottimale.Una simulazione della stampa o del risultato finale aiuterebbe nella progettazione.

Secondo la mia esperienza, lo slicer permette di “vedere” il risultato previsto, ma non consente di valutare le proprietà meccaniche in base al posizionamento o orientamento sul piano di stampa. Una funzione di questo tipo potrebbe risolvere molti problemi.

Come l’IA promuove la sostenibilità nella stampa 3D

Bernardo Mattiucci: L’IA nella stampa 3D può ridurre gli sprechi. Ad esempio, ieri il filamento che stavo usando si era intrecciato a metà bobina, bloccando la stampa. L’IA potrebbe rilevare questi problemi con un’analisi video e mettere in pausa la stampa, richiedendo l’intervento dell’operatore.

Un altro caso è la stampa di oggetti complessi che possono staccarsi dal piano di stampa. Anche qui, l’IA può fermare la stampa e chiedere l’intervento dell’operatore.

Questo è il metodo che alcuni produttori stanno adottando per implementare l’IA nelle loro stampanti. Funzionerà? Forse, ma siamo ancora agli inizi, nonostante si lavori su questo da anni.

Qual è il futuro della personalizzazione dei prodotti nella stampa 3D grazie all’IA?

Bernardo Mattiucci: Secondo me, con l’evoluzione della stampa 3D e dell’intelligenza artificiale, si potrà usare una varietà di materiali, anche quelli attualmente incompatibili, per creare componenti complessi.

La stampa 3D non è solo per pupazzi o prototipi. Si possono realizzare moltissime cose con questa tecnologia. Nel settore aerospaziale, ad esempio, alcune aziende stanno stampando serbatoi e parti di motori a razzo.
Queste sono applicazioni sperimentali basate su tecnologie già testate, ma la direzione è promettente.

Quali consigli daresti a giovani imprenditori che vogliono entrare nel settore della stampa 3D?

Bernardo Mattiucci: Prima di tutto, informarsi bene su cosa si vuole fare con la stampante 3D. La stampa 3D deve essere una scelta strategica, non solo una prova.

Realizzare un oggetto con macchine CNC che rimuovono materiale richiede competenze e macchinari non sempre disponibili. Il processo è complesso e lungo, ma i risultati possono essere straordinari. La progettazione del prodotto deve essere pensata per la realizzazione CNC.

Con la stampa 3D si può evitare la complessità delle lavorazioni CNC, permettendo di creare strutture complesse, come i condotti interni di un motore, senza preoccuparsi troppo di come realizzarli. Basta disegnarli!

È fondamentale che tutto il processo di progettazione e stampa 3D sia seguito da personale esperto, altrimenti i risultati non saranno mai di qualità. Il mio progetto prevede l’uso dell’IA al posto del gcode. È un’idea che ho da almeno un anno, ma vorrei confronarmi con degli esperti (SME).

Attualmente, la stampa richiede un programma da eseguire sulla stampante, un gcode, che è una sequenza di comandi per muovere la testina e l’estrusore. Qualsiasi problema o modifica richiede la creazione di un nuovo programma e il riavvio della stampa.

Vorrei eliminare questo problema, permettendo a un’IA di gestire la stampante, analizzando l’oggetto e chiedendo all’operatore solo alcune indicazioni come il materiale, la qualità di stampa e il numero di pezzi. Oggi, gli slicers hanno troppi parametri e variabili!

Bernardo Mattiucci: Se qualcuno è interessato, sono disponibile per qualsiasi collaborazione. Scrivete a Redazione@Rivista.AI