Il 9 febbraio 2008 una RepRap 1.0 “Darwin” ha stampato più della metà delle proprie parti in plastica, poi assemblate in una seconda macchina funzionante. È la prima verifica concreta della tesi che Adrian Bowyer, docente di ingegneria meccanica all’Università di Bath, aveva formulato nel 2005: una stampante a deposito di filamento fuso (Fused Deposition Modelling, FDM) può fabbricare buona parte di se stessa, e il progetto può circolare sotto licenza libera come il software.

Contesto

Nel 2005 le macchine FDM commerciali costavano decine di migliaia di euro ed erano coperte da brevetti. Il brevetto originario sul processo FDM, depositato da Stratasys alla fine degli anni Ottanta, si avvicinava alla scadenza, e questo apriva uno spazio fino ad allora chiuso. Bowyer ha impostato RepRap (Replicating Rapid-prototyper) su un vincolo dichiarato: massimizzare la frazione di componenti che la macchina riesce a produrre da sé, e ridurre il resto a viteria, barre filettate, motori passo-passo ed elettronica che si comprano al banco di una ferramenta o di un distributore di componenti.

Il nodo è il regime di licenza. I disegni meccanici e il software di RepRap escono sotto GNU General Public License (GPL). Chiunque può scaricarli, modificarli, costruire una macchina e venderne copie o derivati, purché mantenga libere le modifiche. È la stessa meccanica che ha reso copiabile il software libero, applicata a oggetti fisici.

Architettura

Darwin è un telaio cubico fatto di barre filettate M8 e snodi stampati che ne formano i vertici. Sul cubo scorrono tre assi cartesiani, mossi da motori passo-passo e cinghie dentate. La testa di estrusione tira un filamento di plastica — al 2008 perlopiù acido polilattico (PLA) e acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) — attraverso un riscaldatore resistivo, e lo depone strato su strato lungo un percorso calcolato a monte.

La frazione autoreplicante è parziale, e conviene leggerla con cura. Darwin stampa i propri snodi, le staffe, i supporti e i carrelli: i pezzi a geometria libera. Non stampa le barre filettate, i cuscinetti, i motori, le resistenze né l’elettronica. Per questo Bowyer parla di self-replication come obiettivo asintotico, non come stato raggiunto. Il dato del febbraio 2008 — oltre il 50% delle parti stampate riprodotte — dice esattamente questo: la macchina ha fatto i propri pezzi stampabili, non la macchina intera.

Catena software

Al 2008 la catena che porta da un modello a un oggetto è tutta libera ma frammentata, ed è il punto più fragile dell’insieme. Convivono due toolchain CAM:

  • RepRap Host, scritto in Java da Adrian Bowyer, che pilota la macchina direttamente.
  • Skeinforge, una catena di script Python di Enrique Perez, che converte un modello triangolato in formato STL in G-code, il linguaggio di controllo numerico ereditato dalle macchine utensili.

Il G-code finisce poi all’elettronica della macchina, che al 2008 gira su microcontrollori e schede di controllo motori auto-costruite e documentate sul wiki del progetto. In parallelo Forrest Higgs porta avanti Tommelise, una macchina e un software pensati per costi e complessità ancora più bassi. In un progetto giovane questa varietà fa bene, ma chi assembla una RepRap deve mettere d’accordo a mano pezzi di software scritti da persone diverse, in linguaggi diversi, con convenzioni di G-code che non coincidono del tutto.

Punto critico

L’autoreplicazione parziale ha un effetto di secondo ordine, ed è qui che si gioca il progetto: la curva dei costi. Una macchina che stampa i propri pezzi a geometria complessa sposta il costo marginale di una nuova unità verso il prezzo della materia prima — filamento, viteria, motori — più il tempo di chi assembla. Sotto licenza GPL, dove chiunque può vendere kit derivati, fra i fornitori indipendenti parte una corsa al ribasso.

L’effetto si vede già. Una FDM da banco che nel 2006-2007 partiva da cinque o seimila euro, al 2008 si trova come kit RepRap o derivato attorno ai due-tremila, e il prezzo scende man mano che cresce il numero di chi sa stampare e rivendere gli snodi. Era prevedibile: i disegni e la documentazione sono liberi, e parte della produzione la fanno le macchine già esistenti.

Limiti

Al giugno 2008 RepRap non è una macchina per chi non vuole metterci le mani. L’assemblaggio chiede saldatura, allineamento meccanico degli assi, calibrazione termica dell’estrusore e parecchia pazienza per le stampe che falliscono. La ripetibilità dimensionale è modesta rispetto alle macchine commerciali; l’estrusore si intasa; l’ABS si imbarca mentre si raffredda e deforma i pezzi grandi. La frazione non stampabile — motori, barre, elettronica — resta legata a fornitori esterni, quindi “auto-riproduzione” vale per il sottoinsieme stampabile, non per la macchina intera.

Bowyer lo dice apertamente, e la domanda di lungo periodo resta aperta: quanto può crescere la frazione autoreplicante prima di trovare un limite fisico? Stampare un cuscinetto o un motore passo-passo con un estrusore a singolo materiale non è all’orizzonte del 2008. Quello che oggi si verifica è più sobrio, e basta: esiste una macchina la cui geometria libera è prodotta da se stessa, i cui disegni stanno sotto GPL, e che il 9 febbraio ha mostrato il passaggio da un esemplare al successivo.

Immagine di copertina: Adrian Bowyer, fondatore di RepRap, e Vik Olliver con due macchine RepRap Darwin: a sinistra la ‘genitore’, a destra la prima RepRap da essa prodotta — foto di SteveBaker, CC BY-SA 3.0 — https://commons.wikimedia.org/wiki/File:First_replication.jpg