Conoscere il mondo della stampa 3D ad uso hobbistico in 6 mosse!


5) Processo di fabbricazione con stampante 3D FDM

5.1 – Modellazione

Come già anticipato, per avere un oggetto 3D da stampare è ovviamente necessario poter disporre di una sua riproduzione virtuale in 3D. Il metodo principale per progettare un oggetto tridimensionale è quello di utilizzare opportuni software chiamati genericamente CAD (Computer Aided Design), che nel caso specifico sono CAD 3D. Esistono diverse tecniche di modellazione 3D molto diverse tra loro, che si distinguono in base al tipo di oggetto che si vuole realizzare, dalle sculture a parti meccaniche anche molto complesse, di conseguenza esistono diverse tipologie di software per la modellazione 3D  che vanno incontro alle diverse esigenze progettuali.
Semplificando estremamente, le principali tecniche di modellazione 3D possono essere ridotte alle seguenti tre modalità principali:

  • Scultorea – E’ un tipo di modellazione che, come suggerisce il nome, è pensata per la realizzazione di modelli artistici. Come avviene un po’ nella scultura, in questa tecnica di modellazione si parte da solidi tridimensionali a cui virtualmente si “sottrae materiale” con degli strumenti virtuali che possono avere forme diverse al fine di ottenere la forma desiderata. I software di modellazione 3D scultorea più famosi sono Zbrush (a pagamento) e Scultpris (gratuito), poi c’è anche Meshmixer (gratuito) che è utile anche per altre su funzionalità.
Esempio di software per modellazione scultorea
  • Solida – Si basa sulla costruzione di modelli attraverso l’interazione di forme primitive come sfere, cubi, coni, cilindri, ecc. Il software gratuito più semplice in circolazione per la modellazione solida è sicuramente Tinkercad.
  • Parametrica – E’ una tecnica molto diffusa per cui la modellazione parte da disegni a due dimensioni creati tramite delle primitive come cerchi, linee, archi, ecc.., che vengono opportunamente dimensionati e diventano la base su cui creare l’oggetto 3D. La particolarità del disegno parametrico è che in qualsiasi fase di progettazione sarà possibile ridimensionare ogni singola parte del disegno come lunghezze, raggi di circonferenze o angoli. I software per modellazione parametrica gratuiti più diffusi Fusion 360 e FreeCAD, mentre tra i commerciali citiamo SolidWorks, Inventor e Rhinoceros. Alcuni software come OpenSCAD (gratuito) utilizzano linguaggi di programmazione anziché interfacce grafiche, quindi ogni modello è realizzato tramite la scrittura di un vero e proprio programma.

Ai fini della stampa 3D, a prescindere dal software che deciderete di utilizzare, la cosa più importante è quella di poter esportare il modello in formato STL (STereo Lithography interface format).

Il file STL, formato standard utilizzato nella stampa 3D, è una rappresentazione 3D del modello la cui superficie viene riprodotta tramite una composizione di triangoli connessi tra loro e opportunamente orientati nello spazio (mesh). Per fare un confronto con la fotografia digitale, è un po come avviene per i pixel di una immagine, maggiore è il numero di mesh che costituiscono la superficie, maggiore sarà la risoluzione della superficie del modello. Nell’immagine che segue è facile capire meglio questo concetto grazie ad una sfera che viene esportata in cinque diversi file STL con un numero crescente di mesh.

Esempio di come il numero di mesh influisce sulla risoluzione del modello 3D – https://www.sublimelayers.com

Quando si esporta in formato STL viene richiesta la tolleranza in mm con cui si vuole esportare il modello, nel caso della stampa 3D FDM una tolleranza di 0,01 mm (1 centesimo di millimetro) è assolutamente più che sufficiente.

A questo punto qualcuno intenzionato ad entrare nel mondo della stampa 3D potrebbe anche scoraggiarsi, visto che in base a quanto visto fin’ora sembrerebbe che prima di poter arrivare ad usare una stampante 3D sia indispensabile il dover imparare a creare modelli 3D. Non è così!

Oggi ci sono diversi siti internet in cui migliaia di utenti (maker, professionisti, designer o semplici appassionati) condividono i propri modelli 3D gratuitamente o attraverso il pagamento di piccole somme. E’ proprio grazie a questi siti che si può iniziare ad utilizzare una stampante 3D senza avere nessuna competenza di modellazione 3D, sarà solo necessario imparare a conoscere la stampante e la procedura di slicing che vedremo nel prossimo capitolo. In questi siti è quindi possibile scaricare gratuitamente tantissimi modelli in formato STL pronti per essere stampati. Purtroppo non ci si può sempre fidare della qualità dei file condivisi, quindi quando si scaricano modelli online è sempre bene verificarli e controllare, ad esempio, che le mesh del modello siano integre e la superficie del modello non presenti buchi. Purtroppo può succedere in fase di creazione di un modello di fare errori di progettazione tali da impedire una corretta stampa del file. Questo tipo di problemi tuttavia non sono all’ordine del giorno ma non si possono escludere a prescindere. Per controllare o riparare STL scaricati online esistono servizi online automatici come Netfabb oppure software come Meshmixer a cui abbiamo menzionato in precedenza.

Di seguito vi proponiamo una lista dei siti web più popolari dove poter scaricare gratuitamente file STL da stampare:

  • Thingiverse (http://www.thingiverse.com) – E’ il più popolare repository di condivisione di modelli 3D gratuiti.
  • MyMiniFactory (https://www.myminifactory.com) – Rispetto a Thingiverse ha un target più professionale, è frequentato da molti designer che vendono i propri modelli, tuttavia è possibile trovarne di gratuiti.
  • YouMagine (https://www.youmagine.com) – Altro repository di modelli 3D.

Volendo dire qualcosa in più sul popolarissimo Thingiverse, diamo un rapido sguardo ad una pagina di un modello STL condiviso e scaricabile gratuitamente.

Esempio di modello condiviso su Thingiverse

Una volta registrati al sito è possibile scaricare o semplicemente collezionare il modello nella propria raccolta personale per scaricarlo successivamente. Attraverso la pagina del modello è possibile commentare ed interagire con l’autore o altri utenti che magari hanno già scaricato e stampato il modello, è possibile pubblicare e condividere una rielaborazione o modifica del modello in oggetto (Remix) oppure pubblicare la propria stampa del file (Post a Make). Oltre alla semplice condivisione di file STL è possibile usufruire di servizi di terze parti come ad esempio quello di richiedere una stampa di un determinato modello e farselo spedire a casa, oppure poter modificare con un editor visuale dei modelli 3D. La modifica online è una operazione possibile quando è disponibile la versione parametrica del modello, su Thingiverse tutti i modelli 3D sviluppati con OpenSCAD possono essere modificati tramite un editor visuale chiamato Customizer, ad esempio, il modello di un mattoncino da costruzione può essere facilmente modificato nelle sue principali caratteristiche (lunghezza, larghezza, ecc.) al fine di ottenerne una versione personalizzata. In questo caso l’utente condivide il file in formato OpenSCAD, gli utenti possono personalizzare il modello in modalità parametrica e successivamente possono scaricare il file STL della loro personalizzazione. Molto spesso la modellazione parametrica può essere utile con modelli che ad esempio contengono scritte personalizzabili.

Thingiverse Customizer

Oltre alla modellazione ed ai repository online esiste anche una terza via per ottenere dei modelli 3D ed è quella della scansione 3D. Il tema è molto ampio e complesso quindi non lo approfondiremo in questo articolo, menzioniamo solo al fatto che oggi si possono acquistare scanner 3D di bassa fascia a prezzi molto accessibili, utili e funzionali ad effettuare semplici scansioni di oggetti reali al fine di ottenerne una loro rappresentazione in un modello virtuale 3D da stampare.

5.2 – Slicing

In questo ultimo capitolo di questo articolo andremo a scoprire quella che è la fase fondamentale per utilizzare una stampante 3D con tecnologia FDM. La fase di slicing è quella in cui il modello 3D in formato STL viene “convertito” in istruzioni da impartire alla stampante 3D attraverso l’impiego di opportuni software. La qualità di stampa riguarda sicuramente aspetti meccanici ed elettronici della stampante, quindi una volta effettuata una opportuna taratura dell’hardware, per ottenere stampe di qualità diventa fondamentale una accurata fase di slicing. Come vedremo più avanti, nello slicing non esistono impostazioni standard per qualsiasi oggetto da stampare, possono esistere delle impostazioni di base dipendenti dalla nostra stampante e dal materiale di stampa, ma ogni oggetto ha caratteristiche diverse che vanno trattate diversamente, inoltre uno stesso modello può essere stampato con caratteristiche strutturali anche molto diverse in base all’utilizzo che se ne farà o ad esigenze di stampa. Avrete già intuito che nella fase di slicing le variabili in gioco sono moltissime, quindi bisogna acquisire delle basi concettuali solide da mettere poi in pratica e fare esperienza sul campo. La rete è piena di buoni tutorial, guide e forum, tutte queste risorse vi saranno sicuramente utili sopratutto nelle fasi iniziali. Volendo riassumere i concetti principali che riguardano lo slicing in tre soli punti, possiamo dire che:

  • Lo slicing è indispensabile per poter creare il g-code da inviare al microcontrollore della stampante che lo interpreta.
  • Lo slicing consiste nel settaggio di tanti paramatri di stampa che vanno testati e successivamente affinati fino a raggiungere l’alchimia perfetta tra le variabili in gioco, al fine di ottenere stampe di qualità che rispettino le attese sia in termini estetici che meccanici.
  • In questa fase si può ottenere una preventivazione di tempi di stampa e di consumo del materiale, quindi una preventivazione dei costi.

I software che effettuano lo slicing, prendono il modello 3D e letteralmente lo “affettano”, ovvero lo suddividono in singoli strati e per ognuno di questi calcola le coordinate e comandi da impartire alla stampante affinché il materiale fuso possa essere depositato opportunamente seguendo un preciso percorso al fine di realizzare ogni singolo strato consecutivamente dal basso verso l’alto.

Il software di slicing deve essere configurato con le caratteristiche meccaniche della stampante 3D in uso, come ad esempio il volume di stampa, al fine di impedire la lavorazione di oggetti dimensionalmente non realizzabili con la stampante in uso, e tanti altri parametri.

Esempio di configurazione per una stampante tipo Delta, quindi con volume di stampa cilindrico (diametro 200mm e altezza 400mm). Il firmware è di tipo Marlin.

All’interno del software di slicing si vanno a settare tutta una serie di parametri che riguardano: la qualità e la velocità di stampa, la temperatura di fusione che varia da un materiale di stampa ad un altro, il livello di riempimento dell’oggetto, il livello di robustezza della superficie perimetrale e la costruzione di supporti per sostenere eventuali parti sospese che potrebbero collassare in fase di deposizione del materiale fuso, e molti altri parametri. Una volta terminata tutta la configurazione si potrà procedere con l’esportazione del file g-code. Iniziamo con l’esaminare l’interfaccia di un software di slicing che ci sarà utile a capire più nel dettaglio come è fatto un slicer e quali sono i parametri fondamentali da impostare, per farlo useremo una vecchia versione di uno slicer chiamato Cura che in questa occasione ci è funzionale a limitare la spiegazione a pochi basilari concetti.

Interfaccia del software Cura 15

Tipicamente uno slicer ha una parte di anteprima (a destra) ed una parte di settaggi (colonna di sinistra), i due parametri fondamentali da configurare inizialmente sono il nozzle size e il filament diameter, ovvero il diametro del foro dell’ugello (nel nostro caso è il popolarissimo 0,4 mm) ed il diametro del filamento, il quale ha una misura nominale di 1,75 mm, che però potrebbe non essere perfettamente esatta, quindi solitamente si usa misurare l’effettivo diametro del filo con un calibro. Il Flow (flusso) è un concetto molto complesso che dipende dalla misura del foro dell’ugello e dal diametro del filamento, andrebbe calibrato al primo utilizzo della stampante perché influisce sull’accuratezza dimensionale della stampa, poi andrebbe aggiustato ogni volta che si cambia bobina di filamento.

Un flusso troppo elevato crea stampe con gli strati molto visibili e deformati, come se fosse stato estruso troppo materiale, un flusso basso può creare l’effetto opposto, ovvero buchi dovuti alla mancanza di materiale.

Una volta fissati questi dati si può procedere con i parametri riguardanti la qualità, ricordiamo che tutti i valori dei parametri a cui menzioneremo da qui in avanti andranno sempre riferiti alla scelta di un nozzle da 0,4 mm ed un filamento di 1,75 mm.

Il layer height (altezza dello strato) definisce quanto deve essere alto ogni singolo strato depositato, più piccolo sarà l’altezza dello strato, maggiore sarà la qualità della superficie esterna, in particolare saranno meno visibili le righe orizzontali sul pezzo stampato. Il range tipico va da 0,1 mm per un’alta qualità (alta risoluzione) ed un 0,3 mm per una bassa qualità (bassa risoluzione), ovviamente un altezza layer bassa offre si una migliore qualità ma richiede tempi di stampa elevati, il valore utilizzato con più frequenza è lo 0,2 mm che rappresenta un buon compromesso tempo/qualità.


Per comprendere meglio i prossimi tre parametri bisogna prima capire come viene trattato il modello 3D importato nello slicer. Probabilmente avete pensato che gli oggetti stampati in 3D siano oggetti realizzati da tanti strati sovrapposti che vanno a creare un pezzo pieno e molto rigido. Non è esattamente così, o meglio, è sicuramente possibile stampare pezzi pieni, ma non è assolutamente conveniente in termini di consumo di materiale e ore di stampa necessarie. Per avere pezzi che siano meccanicamente resistenti senza sprecare materiale e tempo è possibile “giocare” con tre parametri dell’oggetto come lo spessore delle pareti laterali, lo spessore della base e del tetto del pezzo ed il livello di riempimento.

Lo shell thickness (spessore della parete) definisce il numero di pareti concentriche che vogliamo stampare per realizzare le pareti del pezzo, per tale motivo deve essere un multiplo del diametro del nozzle in quanto questo deposita una striscia di materiale fuso pari al suo foro. Questo concetto diventa sicuramente meglio comprensibile guardano l’anteprima di un modello 3D.

Le tre immagini rappresentano il primo strato di un modello in fase di slicing (area gialla) come vedremo più avanti gli strati iniziali e finali sono sempre pieni. Nella prima immagine a sinistra abbiamo impostato il valore a 0 mm, quindi non c’è nessun contorno che fa da parete, nella seconda immagine il valore di 0,4 mm corrisponde esattamente ad un solo contorno spesso come il diametro del nozzle (riga rossa), nella terza il valore pari a 0,8 mm che corrisponde a due strati concentrici (uno rosso ed uno verde). In quest’ultimo caso la stampante farà due contorni concentrici e poi stamperà l’area gialla di riempimento. Ovviamente si possono impostare anche valori di 1,2 mm (3 pareti concentriche) o superiori, in base alla finitura che vogliamo ottenere ed il tempo di stampa che riteniamo idoneo per la lavorazione.

Passiamo alle bottom thickness e top thickness, ovvero lo spessore dei primi N strati (bottom) e gli ultimi N strati (top) della stampa. Queste parti sono di fatto strati strati pieni sovrapposti, quindi il parametro dovrà essere per forza di cose un multiplo del layer height. Ad esempio, avendo impostato una altezza layer di 0,2 mm, se voglio che la base ed il tetto del pezzo abbiamo 4 strati di materiale dovrò impostare il valore a 0,2*4 che equivale a 0,8 mm. Questo parametro è molto importante per la finitura superficiale del pezzo perché maggiore è il numero di strati superficiali pieni, migliore è la finitura superficiale. I valori tipici vanno da 0,8 mm (4 strati) a 1,2 mm (6 strati) o più.

Per quanto riguarda lo spazio compreso tra le pareti (shell) il bottom e il top bisognerà definire un livello di riempimento, tecnicamente chiamato infill. Questa variabile ci evita di dover riempire di materiale ogni stampa, risparmiando quindi tempo e materiale, viene espresso in percentuale ed in base alle caratteristiche del nostro pezzo si può regolare in maniera da velocizzare molto la stampa (infill basso) o irrobustila (infill alto). Il pattern del riempimento è generato in maniera automatica ed è possibile di personalizzare il tipo di disegno che compone il riempimento.

Per quanto riguarda le temperature di ugello e piatto, come già abbiamo accennato nel capitolo dei materiali di stampa, dipendono molto dal tipo di filamento in uso ma anche da altre variabili, questo per dire che non esiste una temperatura esatta per stampare ma un range all’interno del quale trovare l’impostazione migliore, a tal proposito esistono proprio dei test di stampa per trovare l’impostazione di temperatura di ugello ideale per il materiale che si sta utilizzando. La temperatura del piatto a 40° va benissimo per il PLA, per altri materiali come PETG e ABS si sale anche a 70° o più.

Un aspetto molto importante lo ricopre la velocità di stampa, per questa vale la regola generale: ad una bassa velocità corrisponde una alta qualità e viceversa. La velocità di stampa di misura in mm/s (millimetri al secondo), con stampanti ad uso hobbistico come le Prusa si ottengono buoni risultati tra i 20 mm/s (bassa velocità) ed gli 80 mm/s (alta velocità), per ottenere una qualità discreta a velocità superiori occorrono macchine con telai più rigidi come nelle Delta o le CoreXY. Il tema delle velocità e delle accelerazioni è molto complesso, si possono definire velocità diverse tra i primi strati ed il resto della stampa, oppure velocità diverse tra le parti stampate e gli spostamenti in cui l’ugello non estrude materiale, ci vuole molta pazienza e svariati test prima di comprendere al meglio tutti questi aspetti e sfruttarli a proprio vantaggio. Aumentare la velocità di stampa non è l’unico modo per velocizzare il processo, come abbiamo visto si possono modificare il numero di perimetri (shell) modificare il numero di strati solidi bottom e top, modificare la percentuale di riempimento, oppure c’è anche l’opzione di aumentare il diametro del foro dell’ugello.

C’è un aspetto molto delicato della stampa 3D contro cui ci si deve confrontare spessissimo, ovvero la perfetta adesione del pezzo sul piatto di stampa. Ne abbiamo parlato nella parte relativa ai piatti di stampa ed alle tecniche per migliorare l’adesione, anche nella fase di slicing si possono adottare soluzioni per migliorare questo aspetto. Ci sono tanti fattori che concorrono a questo, in primis la perfetta calibrazione della distanza tra ugello e piatto, poi la tipologia di piatto con il suo rivestimento, poi la stampa del primo strato (si tende a farlo a bassa velocità con temperatura di qualche grado superiore al resto della stampa) ed infine con l’applicazione di brim e raft. Queste due opzioni tornano molto utili ad esempio quando non c’è un piatto riscaldato oppure quando dobbiamo stampare un modello che ha una limitata superficie di contatto con il piatto. Il raft è proprio una base di N strati su cui viene successivamente stampato il pezzo, mentre il brim è costituito da un solo strato composto da una serie di perimetri che circondano il pezzo allo scopo di aumentare la superficie di contatto. Lo skirt invece è una particolare tipologia di brim che non serve a migliorare l’adesione perché costituito da una serie di perimetri staccati dal pezzo, in questo caso diventa utile in assenza di brim o raft in quanto aiuta a far fluire del materiale fuso prima di iniziare con la stampa effettiva del pezzo.

Nelle foto che seguono alcuni esempi di stampe rovinate a causa di una scarsa adesione del pezzo sul piatto.

In questo articolo abbiamo menzionato più volte anche al problema di dover stampare parti che sono sospese nel vuoto, quindi al bisogno di avere un “sostegno” su cui far appoggiare la nostra stampa durante il lavoro e da rimuovere al termine. Come già anticipato stiamo parlando dei supporti (support), una vera e propria “impalcatura di sostegno” che va definita ed impostata nella fase di slicing. Anche qui il tema è molto ampio, in primis bisogna ragionare sul fatto che i supporti siano realmente necessari, magari ruotando la posizione del pezzo possiamo evitare di usarli visto che ci costano in termini di tempo di stampa e spreco di materiale. L’applicazione di supporti ci aiuta a stampare parti che altrimenti non potremmo realizzare, inoltre bisogna settare bene i loro parametri perché da una parte devono sostenere, dall’altra devono poter essere rimossi senza rovinare la superficie del pezzo in fase di rimozione. Ci sono tante considerazioni da fare sui supporti, di conseguenza anche diversi parametri da settare, in genere i supporti sono generati in maniera automatica, con alcuni software possono essere creati ad hoc in modo da metterli solo dove occorrono realmente andando a risparmiare tempo e materiale.

Con stampanti a doppio estrusore si possono usare materiali particolari per realizzare solo le parti di supporto al fine di semplificarne la loro rimozione.

Esempio di supporti realizzati in PVA, materiale solubile in acqua

Chiudiamo la parte relativa allo slicing con una delle più spinose questioni che affliggono la stampa 3D, parliamo della retraction (ritrazione). Questa funzione riguarda le parti in cui l’ugello non deve estrudere materiale fuso, cioè tutte le parti in cui la testa di stampa si sposta da una zona di stampa ad un’altra, e consiste in un movimento di estrusione in direzione inversa al fine di tirare indietro il filamento anziché spingerlo dentro l’hot-end.

Esempio di ritrazione non regolata opportunamente

La retraction principalmente dipende da due parametri: la distanza in mm di cui si vuole ritrarre il filo che varia molto in base al tipo di estrusione (diretta o bowden), la velocità di ritrazione filo e la velocità degli spostamenti della testa di stampa. Per tarare questo parametro esistono anche dei modelli 3D che aiutano a trovare il setting giusto.

Test di ritrazione. A destra il test con i parametri corretti

A volte può capitare che in presenza di particolari geometrie della stampa non si riesca ad ottenere il risultato desiderato, alcuni slicer forniscono alcune opzioni aggiuntive che possono aiutare l’utente a migliorare il risultato.

Una volta impostati tutti i parametri in maniera opportuna si può creare finalmente il file g-code che contiene tutte le istruzioni necessarie alla realizzazione del lavoro da inviare alla stampante.

In queste due immagini esemplificative, essendo il g-code un listato generalmente molto lungo, abbiamo inserito solo l’inizio e la fine del file per mostrare com’è fatto al suo interno. In entrambe le immagini abbiamo evidenziato con una parentesi le prime e le ultime righe del file, queste sono istruzioni standard inserite in ogni g-code, personalizzabili dall’utente, che servono a preparare la stampante prima di iniziare la stampa effettiva dell’oggetto e per gestire le fasi finali quando l’oggetto è stato completato. Nel g-code iniziale solitamente sono contenuti i comandi per resettare tutti gli assi verso i rispettivi finecorsa permettendo alla stampante di configurarsi nella posizione di “home” che funge da riferimento cartesiano per il modello da stampare, inoltre vi sono contenuti i valori delle temperature a cui vanno impostati l’hot-end e il piatto di stampa e solitamente un comando per l’estrusione di qualche millimetro di materiale al fine di assicurarsi che l’ugello sia pieno all’inizio della stampa. Dopo le istruzioni iniziali si parte con la realizzazione dell’oggetto e quando si arriva alla fine ci saranno i comandi di chiusura, che solitamente servono a impostare a zero le temperature dell’hot-end e del piatto, a spegnere i motori ed eventualmente a effettuare delle movimentazioni utili alla successiva rimozione del pezzo del piatto.

Volendo fare qualche esempio più concreto, elenchiamo alcune istruzioni standard che è possibile trovare all’inizio o al termine di un g-code:

  • G28 X0 Y0 Z0 imposta la stampante nella posizione di “home” per tutti gli assi
  • G1 F200 E3 estrude 3mm di filamento per riempire l’ugello
  • M109 S200 imposta l’ugello a 200° ed attende che raggiunga tale temperatura prima di proseguire
  • M190 S40 imposta il piatto a 40° ed attende che raggiunga tale temperatura prima di proseguire
  • M104 S0 imposta la temperatura dell’ugello a 0°
  • M109 S0 imposta la temperatura del piatto a 0°
  • M84 Spegne i motori

Per concludere questa parte segnaliamo alcuni tra gli slicer più diffusi:

  • Cura (gratuito)
  • Simplify 3D (a pagamento, 150€ per 2 licenze)
  • Slic3r (open source)
  • KISSlicer (gratuito per singoli utenti con supporto di un solo estrusore)

Indice

  1. Fabbricazione digitale con la stampa 3D

  2. Principali tecnologie di stampa 3D

  3. Stampanti 3D a filamento

  4. Materiali per la stampa 3D FDM

  5. Processo di fabbricazione con stampante 3D FDM

  6. Conclusioni: il mercato, approfondimenti, community e fonti


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