Economia, produzione, responsabilità civile: una nuova frontiera, le stampanti 3D – prima parte

Di Riccardo Tacconi                                 

Le stampanti 3D sono un mondo in impressionante evoluzione. I dati tecnici di questo articolo, pertanto, sono aggiornati alla data di consegna ad Assinews e cioè il 30 maggio 2014. Non si risponde di mirabolanti successive applicazioni …

Le stampanti 3D, nella loro prima concezione, risalgono già al 1984[1] (tanto è vero che varie licenze sono già in scadenza[2]), hanno avuto nel Resto del Mondo un importante sviluppo negli ultimi 4 anni, un po’ meno in Italia, nonostante alcuni punti di eccellenza, come il Politecnico di Torino; sono finite al centro dell’interesse generale, quando il Presidente Obama ha lanciato una campagna governativa per il sostegno dei FabLab (i centri in cui giovani professionisti sviluppano idee e progetti, sfruttando le attrezzature, loro messe a disposizione)[3].

Il segnale di Obama ha avuto ripercussione anche in Italia, sia perché il governo USA intende investire anche in alcuni centri italiani (come quello di Firenze), sia perché, con quel segnale, la discussione è uscita dalla “ristretta” (si fa per dire) cerchia degli “intenditori”.

Cos’è una stampante 3D?

La stampante 3D è, prima di tutto, un mezzo destinato a rivoluzionare il modo di produzione, con effetti assai rilevanti, come vedremo in seguito, sull’economia internazionale.

Una stampante 3d è una macchina che consente di produrre un oggetto solido partendo da un modello digitale dell’oggetto medesimo, realizzato con un software di modellazione 3D.

La stampa tridimensionale di un oggetto si ottiene tramite il processo di produzione additiva di materiale, ossia la sovrapposizione dei diversi materiali in strati; è una procedura inversa a quella utilizzata nei tradizionali sistemi di fabbricazione (produzione sottrattiva), in cui l’oggetto viene ricavato da operazioni di taglio e perforazione di un blocco di materiale iniziale.

La stragrande maggioranza delle stampanti tridimensionali si ispira al Progetto RepRap, un’iniziativa nata nel 2005 con l’obiettivo di realizzare una stampante 3d in grado di produrre

autonomamente i suoi stessi componenti. Tutti i lavori nell’ambito di tale progetto sono stati pubblicati con licenze Open Source, cosa che ne ha permesso la diffusione e lo sviluppo.

Il materiale più usato è la plastica, e più specificamente:

ABS  – Acrilonitrile-butadiene-stirene un materiale termoplastico che può essere stampato sia ad iniezione che a estrusione. È più resistente del PLA, ma richiede una temperatura maggiore per l’estrusione (240-250°C). Queste caratteristiche lo rendono più appropriato del PLA per la realizzazione delle parti piccole dei prodotti[4].

In generale, è appropriato per realizzare prodotti resistenti agli urti e all’usura. È il materiale con cui sono realizzati i blocchi del Lego.

PLA – Acido Polilattico, è un biopolimero derivante dall’amido di mais e completamente biodegradabile. È più resistente del PTFE e fonde ad una temperatura più bassa (180-220°C).

Tra i vantaggi che il PLA presenta rispetto all’ABS c’è la possibilità di avere molti più colori e di una maggiore elasticità, che permette la creazione di oggetti come molle o simili.

Ma non di sola plastica si produce, come vedremo.

Il vantaggio immediato della produzione[5] con stampante 3D è il risparmio di materiale rispetto alla produzione tradizionale (lo “sfriso” non supera di norma il 2-3%, contro punte del 30-40% di certe produzioni tradizionali); la possibilità di replica esatta dello stesso oggetto, che si intende produrre, non essendoci il rischio di deformazione o consunzione proprio degli stampi tradizionali; la possibilità di riciclo degli scarti della produzione o di altre produzioni[6] ; la riduzione delle ore di lavoro e, almeno stando alle attuali esperienze, si ritiene che ci sia un’elevata completa affidabilità del prodotto così stampato[7].

Su questo punto non manca chi ancora esprime dei dubbi e, comunque, questo tipo di produzione richiede la massima attenzione nella manutenzione, controllo della performance e gestione dei materiali da parte di chi la utilizza[8].

Al momento, il maggior ostacolo alla diffusione delle stampanti 3D nell’industria è rappresentato dai costi ancora elevati (fino USD 1.000.000,00) di alcuni sistemi. Tale situazione è destinata a mutare nei prossimi anni, in senso favorevole agli acquirenti.

Le tecnologie principali[9]

Per fare la stampa 3D sono disponibili numerose tecnologie “tradizionali” concorrenti, peraltro in via di superamento e/o miglioramento.

Le loro differenze principali riguardano il modo in cui sono costruiti gli strati per creare le parti.

Alcuni metodi usano materiali che si fondono o si ammorbidiscono per produrre gli strati, ad es. il selective laser sintering (SLS) e la modellazione a deposizione fusa (fused deposition modeling, FDM), mentre altri depongono materiali liquidi che sono fatti indurire con tecnologie diverse.

Nel caso dei sistemi di laminazione, si hanno strati sottili che vengono tagliati secondo la forma e uniti insieme.

Ogni metodo ha i suoi vantaggi e inconvenienti, e conseguentemente alcune società offrono una scelta tra polvere e polimero come materiale dal quale l’oggetto è ricavato.

 Generalmente, i fattori principali presi in considerazione sono la velocità, il costo del prototipo stampato, il costo della stampante 3D, la scelta dei materiali, le colorazioni disponibili, ecc.

Un metodo diffuso di stampa 3D consiste in un sistema di stampa a getto d’inchiostro.[10]

Altri metodi:

Nel digital light processing (DLP), una vasca di polimero liquido è esposto alla luce di un proiettore DLP in condizioni di luce inattinica (la luce che si usa nella camere oscure)[11].

Il fused deposition modeling (FDM), una tecnologia sviluppata dalla Stratasys, che si adopera nella prototipazione rapida tradizionale, usa un ugello per depositare un polimero fuso su una struttura di supporto, strato dopo strato[12].

Un altro approccio è la fusione selettiva di un mezzo stampato in un letto granulare[13].

Infine, le configurazioni ultrasottili sono realizzate mediante la tecnica di microfabbricazione 3D della fotopolimerizzazione a due fotoni[14].

Per la fabbricazione di prototipi è molto usata la  stereolitografia anche laser, che è una tecnica che permette di realizzare singoli oggetti tridimensionali a partire direttamente da dati digitali elaborati da un software CAD/CAM[15].

Una sua importante applicazione si ha nell’imaging medico dove, a partire da immagini tomografiche o RMN è possibile realizzare in tempi brevi modelli di protesi, parti di ossa, tumori, vasi e altre parti anatomiche su cui il chirurgo può preparare l’intervento.

Gli oggetti prodotti sono costituiti interamente da resine speciali e ciò limita la possibilità di fabbricazione di oggetti metallici o di altri materiali.

Qui sotto, troviamo un modello recentissimo di questo tipo di stampante[16] a stereolitografia laser, delle dimensioni di 150 x 150 x 200 mm:

Cosè un FabLab[17]

Fablab è uno spazio in cui tutti posso (co)progettare e realizzare i loro oggetti, esattamente come li vogliono. è il figlio dell’industria, da cui ha preso la precisione e la riproducibilità dei prodotti, il nipote dell’artigianato da cui ha preso la progettazione su misura, fratello dell’opensource, con cui condivide la filosofia di scambiarsi progetti liberamente. I FabLab, infatti, sono spazi aperti: i progetti sono condivisi in rete e vengono realizzati con strumenti “aperti”.

I Fablab sono palestre per inventori, laboratori di creatività, piccole botteghe che producono oggetti grazie alle nuove tecnologie digitali. Quello che l’Economist ha definito la “Terza Rivoluzione industriale”, un nuovo modo di produrre in digitale e attraverso strumenti di ultima generazione quali stampanti 3D, taglierini laser, fresatrici a controllo numerico, aspiratori.

Il primo FabLab è stato aperto al MediaLab del Massachussetts Insitute of Techology di Boston nel 2003; da allora sono stati censiti nel mondo (dati International FabLab association) 252 laboratori. In Italia, la partenza è stata molto lenta: un primo laboratorio provvisorio viene aperto a Torino nel 2011, in occasione della mostra Stazione Futuro per il centocinquantenario dell’Unità d’Italia: un’istallazione con una piccola stampante 3D e una tagliatrice laser.

Gli ha fatto seguito il primo vero FabLab italiano, Officine Arduino (nato a Torino nel 2012), che prende il proprio nome dal primo microprocessore “open source” inventato a Ivrea e diventato uno strumento indispensabile dei FabLab di tutto il mondo, perché consente facilmente di sperimentare a basso costo.

Ambiti di applicazione delle stampanti 3D

La prospettive di applicazione sono sempre più ampie.

I prezzi sono in discesa e la scadenza di molte licenze, in particolare nel settore delle stampanti “laser sintering” e FDM, comporterà un’ulteriore riduzione dei prezzi[18], che favorirà la loro diffusione specialmente nel settore domestico professionale dei piccoli studi. Si prevede in questo campo un incremento della produzione cinese[19].

Stabilite le tendenze dei prezzi, possiamo dire che già ora, ma ancora di più con lo sviluppo quasi giornaliero delle tecnologie disponibili, il campo di applicazione delle stampanti 3D è vastissimo.

Direi che possiamo individuare alcuni macro settori avendo presente che

Circa il 21% del mercato è occupato da stampanti per uso die cosumatori e dell’elettronica; il 18% da quelle per l’industria dell’auto; il 16% da quelle per il settore della salute; il 13% da quelle per l’industria e gli uffici e il 10% da quelle per il settore Aereonautico e Spaziale[20]. Con percentuali minori, seguono gli altri settori

1)      Ambito domestico

La stampante 3D diventa un attrezzo simile al piccolo elettrodomestico, con costi, che , per i modelli più semplici, si attestano sui 400,00 euro.

Sono state sviluppate stampanti 3D, che consentono, per esempio,

–       modellare dolci e cibi[21] [22]

–       di “stampare” pasta[23]

–       ristampare la chiave dell’auto smarrita[24], con tutti i problemi di sicurezza che ne conseguono….Ma alcune case automobilistiche e delle assicurazioni[25] si stanno muovendo in questa direzione, garantendo (?!) la sicurezza.

–       produrre piccola oggettistica casalinga.

Il settore “consumers” è uno degli obiettivi principali dei produttori di stampanti 3D. Riproduco qui due recentissimi tipi del modello Replicator di uno dei  leader del settore, MakerBot, modello “app & cloud friendly”[26].

2)      Applicazioni professionali

Stampanti 3D di piccole e medie dimensioni[27] per la progettazione, in ogni ambito, di prototipi di piccola e media grandezza, a disposizione di designer, architetti, artigiani[28], moda, di cui parleremo alla voce “Applicazioni industriali” [29], medici e laboratori di protesi[30].

–       Settore delle protesi

Quest’ultimo è uno dei settori quasi di riferimento per il mondo delle stampanti 3D.

Una recente esperienza – sulle tecniche operatorie, è stata fatta in Malaysia, dal dr. Ranjit Singh, che ha prima riprodotto, con l’aiuto di un service provider, con una stampante 3D, il ginocchio, scannerizzato, di un paziente, operando in maggior sicurezza e in 1 ora contro le abituali 4 ore richieste da quel tipo di operazione.[31]

Le stampanti 3D consentono infatti di produrre protesi ad hoc per il singolo paziente; gli sviluppi in corso prevedono anche la produzione di tessuti biologici. Su questo terreno, un solo esempio fra tanti:

Non mancano ditte,  come la Fasotec – Giappone – che danno modo di stampare un modello del feto di 8 mesi, partendo dall’ecografia, non solo per far felici i genitori, ma anche per dar modo ai medici di valutare meglio possibili problemi o malformazioni, ma c’è già chi, come una start-up, la 3D Babies, progetta un modo per intervenire prima[32],.

–       Settore Bio-Organi

In questo campo, si uniscono facilmente nanotecnologie e stampanti 3D[33].

Lo scorso anno, ricercatori della Princeton University hanno creato un orecchio funzionale adattando una stampante 3D a getto d’inchiostro del valore di USD 1.000.00, orecchio che potremmo dire “bionico” in quanto, il tessuto è stato combinato con componenti elettroniche che ne hanno potenziato le capacità uditive, rispetto a quelle “umane”[34].

La Organovo Holdings, una compagnia statunitense, che da anni lavora per ottenere in laboratorio tessuti vascolari da utilizzare nei trapianti o per testare farmaci per le malattie del fegato, ad aprile 2013 ha riprodotto con una stampante 3D un campione di tessuto di fegato umano. I “fegatini” creati misurano appena mezzo millesimo di millimetro di spessore e quattro millimetri di larghezza, costituiti da pochi strati di cellule. Nonostante le dimensioni “lillipuziane”, sono più che capaci di produrre le proteine necessarie per trasferire ormoni del corpo necessari così come gli enzimi utilizzati nella disintossicazione di alcol[35]. A Novembre 2013, la ditta ha confermato che le cellule sopravvivono 40 giorni.

Di più, sta ora lavorando sulla lavorazione di cellule, trattate con farmaci anti-tumorali[36]

La Cina non dorme…[37]

Le innovazioni di Regenovo…

La Regenovo sta sviluppando una Bioprinter 3D, con l’aiuto della Hanghou University of Science and Technology in Zhejiang, Provincia della Cina, per la stampa di numerose gelatine organiche, orecchie semitrasparenti,  reni e vari altri insiemi di cellule in ambiente sterile. Le cellule prodotte sono 5 volte più grandi di quelle normali. Usando polimeri medici, cellule vive e materiali inorganici e hydrogel, si crea un contenitore in cui coltivare le cellule, per creare tessuti viventi. Durante il processo di stampa il 90% delle cellule restano in vita e quelle poi messe in incubazione durano fino a 4 mesi. La stampante ha dimensioni di  60 x 50 x 74 cm . Tutto il procedimento è in via di ulteriore perfezionamento.

Un altro esempio:ricercatori britannici, nel dicembre 2013, hanno annunciato di aver prodotto cellule oculari con una stampante 3D[38] .

Ci si dovrà, poi, porre qualche problema sulla regolamentazione giuridica ed etica di questo “territorio” ?!

–       Archittettura

C’è chi ha già elaborato giunti e snodi in nylon sinterizzato per un nuovo centro commerciale a Londra[39]

e chi, in Scandinavia, ha già “stampato” un’intera casa in legno[40].  Un architetto olandese ha progettato la costruzione, con stampante 3D, di una casa di 1100 mq[41]

Sempre in Olanda, la DAS ha costruito una stampante apposita, la KamerMaker XL (”costruttore di stanze”), grande 3,5 metri, un modello che si basa sul RepRap, che usa una lega chimica 80% bio-based sviluppata dalla Henkel, per stampare le parti che poi verranno assemblate per formare la casa, un po’ nello stile del Lego. Questo tipo di produzione appare molto più economico di quello tradizionale.[42]

3)  Applicazioni industriali

Qui il campo è vastissimo, anche, se spesso, si richiedono investimenti economici anche impegnativi (anche oltre 1.000.000 di dollari).

Faccio solo alcuni degli esempi di applicazione più recenti:

–       strumenti musicali [43]

–       ARMI[44]

–       Lenti ed ottica in genere[45]

–       Componentistica di ogni genere e, quindi, per esempio

• Componenti per aerei, dall’iniettore per combustione[46] a parti della fusoliera[47] a motori più ecosostenibili[48]
• Componentistica aereo-spaziale[49]
• Componentistica per auto e formulazione  di prototipi[50] di automobili da passare in produzione[51]
• In genere componenti in metallo. Qui, per esempio, Mitsubishi ha una propria tecnologia tramite la consociata Matsuura, che combina il sistema di laser sintering con quelle di fresatura, arrivando a risultati notevoli.[52]

 Andamento delle vendite di stampanti 3D per la produzione di parti in metallo [53]

[54]

• Componenti in ceramica e resine industriali anche e soprattutto per prodotti di precisione[55]
• Componentistica per telefoni cellulari, tablet, IPad, computers etc.[56] dove si trovano ampie applicazioni, sia nella “collaborazione” fra Ipad e stampanti 3D, sia nella produzione non solo di componentistica ma anche – come sta facendo Rank Xerox, di produzione dell’intero cellulare o Ipad.

–       Elettronica

la canadese Lomiko Metals Inc. ha annunciato un suo accordo con Graphene 3D Lab, che ha ottenuto un brevetto temporaneo per l’utilizzo del grafene da solo o in combinazione con altri materiali, con le stampanti 3D. Il grafene è un materiale eccezionale, di perfetto utilizzo in particolare nel campo degli elettrodi e dei circuiti elettronici.[57]. Il grafene può essere – con il brevetto di cui parliamo – aggiunto ai polimeri normalmente usati nella stampa 3D migliorandone le caratteristiche di resa.[58]

Per fare un altro esempio, un gruppo di scienziati cinesi del Department of Biomedical Engineering at the School of Medicine della Tsinghua University a Beijing, è riuscito a creare degli elettrodi, iniettabili nel corpo, senza creare scompensi nel fisico del paziente. 

–       Moda, Abbigliamento, calzature etc.

Grazie alla stampa 3D si possono realizzare progetti creativi e innovativi che non possono essere realizzati con ago e filo. Inoltre, si possono aggiungere dati personali e quindi dare un tocco di originalità al look. Una delle cose più interessanti della stampa 3D è soprattutto la possibilità di regolare la taglia deivestiti perfettamente alla morfologia.[59]

L’esempio della Nike

La Nike ha sviluppato un modello di scarpa, da football USA, denominato Vapor Carbon Elite, che debutterà nel Super Bowl 48.[60]

Ma c’è già anche chi promette scarpe su misura, consegnate al cliente in una settimana[61]

–       Nanotecnologie

L’altro campo futuro ma non troppo, dato che applicazioni sono già in corso, è quello della cooperazione fra nanotecnologie e stampanti 3D[62]

Due esempi:

 – Ricercatori dell’ Harvard University della University of Illinois at Urbana-Champaign, hanno prodotto microbatterie al litio, non più grandi di un grano di sabbia ma più potenti delle più potenti batterie normali, usando una normale stampante 3D[63]

– La PyroGenesis Canada Inc., specializzata nella gassificazione al plasma di ogni tipo di rifiuto industriale, per poi trasformarlo in prodotti utili, ha comprato un impianto da 2 milioni di dollari che combina . a tale fine – l’utilizzo di nanotecnologie e stampanti 3D.[64]

–       Settore farmaceutico:

Insieme al settore dei Bio-Organi, qui siamo di fronte alle prospettive di maggior cambiamento, secondo l’opinione di tutti quelli che studiano gli effetti dello sviluppo delle stampanti 3D.

Rapporto Gartner (pag. 14):

L’attuale catena di distribuzione delle case farmaceutiche prevede la formulazione del farmaco, l’autorizzazione dell’Ente preposto (FDA; EMA etc.), la previsione della possibile richiesta di mercato, la produzione in bulk e la vendita alle farmacie, da qui poi la consegna ai pazienti sulla base delle prescrizioni dei loro medici. Tutto questo ciclo, che coinvolge un sacco di gente, può essere sostituito in futuro da uno più semplice.

Il potenziale paziente/cliente invia il proprio DNA (per chiavetta UBS o per smartphone), la casa farmaceutica, sulla base del DNA, sceglie e dosa il farmaco più adatto (magari usando il cloud invece di un dipartimento interno IT); stampa il farmaco (usando una stampante  3D organica o biologica), inviandolo, all’inizio, a un “third party print-shop” per biomateriali, più avanti nel tempo, magari, direttamente al farmacista del paziente o a quest’ultimo.

Fantascienza?!

Riprendiamo il saggio, già citato, di Di Mattia (pagg. 16-17):

“Una farmacia fai da te. Pillole fatte in casa? Comprare elementi chimici comuni, inserirli in una stampante 3D, premere un pulsante e ottenere la medicina prescritta? Perché no, un giorno potrebbe davvero accadere.

La produzione di medicinali “ad personam” è il risultato di un’altra applicazione oggetto di sperimentazione avviata all’Università di Glasgow.

È lì che è stato messo a punto un procedimento efficace in termini di tempi e costi, grazie all’uso di una stampante 3D. L’aggeggio a tre dimensioni ha prodotto costruttori chimici etichettati come “reactionware”, ad uso domestico che i consumatori potrebbero utilizzare per progettare e creare medicine in casa. Speciali provette per reazioni chimiche realizzate con un gel polimerico che diventa attivo a temperatura ambiente.

Con l’aggiunta di altre sostanze chimiche al gel depositato dalla stampante, il team dei ricercatori è stato in grado di rendere il vaso stesso parte del processo di reazione…. Il professor Lee Cronin, responsabile del team e presidente della facoltà “Gardiner” di Chimica presso l’Università, ha spiegato sulla rivista “Nature Chemistry” che “l’evoluzione di tale tecnologia potrà rendere più efficienti ed economici gli aspetti diagnostici e curativi dell’assistenza sanitaria attraverso la capillarità sul territorio di tali strumenti. In primis nei paesi in via di sviluppo, ma anche nel mondo sviluppato dove la stampante 3D domestica fornirà insieme ad oggetti utili anche medicinali.

In futuro, sempre secondo il Prof. Lee, si potranno avere dalle app le istruzioni necessarie per ottenere, da elementi chimici comunemente acquistabili, i medicinali personalizzati per il paziente. Semplicemente schiacciando un pulsante”.

E’ di facile intuizione, da un lato, l’impatto sull’occupazione, anche qualificata, di un così diverso ciclo di produzione e servizio e quali problemi si pongono in tema di controlli ed autorizzazioni su farmaci così prodotti, se non vogliamo finire in mano alle pozioni del Mago Franco di Casorate …

Credo di aver dato un’idea sufficiente delle potenzialità della stampa a 3D.

Nella seconda parte affronteremo l’impatto delle stampanti 3D sull’economia globale e gli aspetti giuridici ed assicurativi.