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

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Il contenuto di questo articolo è limitato solo ad alcuni capitoli dimostrativi.


Introduzione

In questo articolo cercheremo di dare una breve ma quanto più esaustiva panoramica sul mondo della stampa 3D ad uso hobbistico. Come al solito cercheremo di utilizzare un linguaggio comprensibile anche a persone senza uno specifico background tecnico (in pieno stile informatica37.it), andando a toccare tutti gli argomenti principali, come: le varie tipologie di stampanti, le loro caratteristiche costruttive e le componenti principali, i materiali di stampa ed una descrizione completa dell’intero processo di fabbricazione, senza tralasciare link ad approfondimenti esterni e qualche piccolo consiglio su come orientarsi sul mercato per un eventuale primo acquisto.

Tutti i contenuti della guida sono stati organizzati in 6 capitoli principali secondo il seguente 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

1)  Fabbricazione digitale con la stampa 3D

La stampa 3D è una tecnologia di fabbricazione digitale con cui si possono realizzare oggetti fisici partendo da un modello 3D digitale che può essere realizzato grazie a dei software di modellazione 3D comunemente chiamati CAD (Computer Aided Design). La stampa 3D è una tecnologia di fabbricazione come lo è ad esempio la fresatura a controllo numerico (CNC) o il taglio laser.

Uno degli ambiti di applicazione in cui la tecnologia di stampa 3D ha trovato un terreno fertile è stato quello della prototipazione rapida, ovvero in tutte quelle applicazioni in cui è vantaggioso poter ottenere un prototipo di un oggetto in tempi brevi, senza bisogno di quantitativi minimi di produzione ed a basso costo. Realizzare un oggetto con “forme particolari” o “geometrie complesse” potrebbe essere impossibile o molto difficoltoso (quindi molto costoso) da realizzare con altre tecnologie alternative come ad esempio le frese CNC o la stampa ad iniezione. E’ infatti molto diffusa in ambito industriale la necessità di produrre a costi contenuti delle piccole tirature o singoli prototipi che altrimenti avrebbero un costo esorbitante se realizzati con processi che richiedano la configurazione di una macchina molto complessa e grandi quantitativi di pezzi per poter ammortizzare i costi fissi.

Tecnicamente la stampa 3D è definita una tecnologia di fabbricazione di tipo additivo in cui l’oggetto viene realizzando depositando materiale strato dopo strato, mentre le frese a controllo numerico (frese CNC), pur facendo parte delle tecnologie di fabbricazione, queste lavorano con una modalità sottrattiva, ovvero asportando materiale da un blocco di partenza. Facendo un grossolano confronto, la stampa 3D risulta essere una tecnologia meno complessa che permette di lavorare a velocità maggiori, non produce materiale di scarto (o ne produce in piccolissima parte) e permette la stampa di tanti materiali diversi. Ovviamente le stampanti 3D non sostituiranno mai le frese perché ci sono tipi di lavorazioni e materiali che sono lavorabili solo con questa tecnologia di fabbricazione. Le immagini che seguono dovrebbero chiarire meglio le differenze tra le due modalità di fabbricazione.

La stampa 3D è quindi presente da diversi anni in ambienti professionali ed industriali mentre più recentemente, grazie anche all’esplosione del movimento dei maker e la diffusione dei Fab Lab, le stampanti sono entrate in contesti artigianali e domestici. La diffusione delle stampanti 3D in contesti artigianali ed hobbistici è stata favorita anche dal notevole abbassamento dei costi di acquisto delle stampanti e alla facilità con cui si possono reperire informazioni per imparare ad utilizzarle o addirittura ad autocostruirsele.

Il processo di fabbricazione digitale, sia esso realizzato con la  stampa 3D, con la fresatura a controllo numerico (CNC) o con un laser da taglio, è sempre composto da due fasi principali:

  1. CAD (Computer Aided Design) – Il disegno tecnico assistito dall’elaboratore è la fase di creazione digitale dell’oggetto al computer grazie all’utilizzo di opportuni software per il disegno 2D e la modellazione 3D.
    Oggi esistono tanti software gratuiti e molto semplici da utilizzare che consentono anche a neofiti di poter progettare oggetti 3D da stampare, esiste a tal proposito anche tanta documentazione online per formarsi all’uso di software specifici. Come vedremo più avanti, la stampa 3D si è molto diffusa a livello domestico anche perché oggi si possono trovare online tanti oggetti 3D già disegnati che possono essere scaricati gratuitamente e stampati da chi non ha nessuna competenza di disegno tecnico e modellazione 3D. Una modalità alternativa per ottenere un modello 3D è quella dell’utilizzo di tecniche di reverse engineering (ingegneria inversa), dove grazie all’utilizzo di appositi dispositivi hardware è possibile effettuare la scansione 3D di oggetti fisici al fine di ottenerne una rappresentazione digitale. Ovviamente questa modalità è più molto più complessa e costosa, quindi è utilizzata principalmente in contesti professionali.
  2. CAM (computer Aided Manufacturing)La produzione assistita da computer è la fase in cui l’oggetto disegnato con il CAD viene elaborato da opportuni software al fine di ottenere una lista di istruzioni da inviare alla macchina che effettuerà la lavorazione. Con la fase CAM è possibile, nonché utile, ottenere anche una preventivazione dei tempi e dei costi della lavorazione stessa.
    Nel caso della stampa 3D la fase CAM è chiamata slicing (letteralmente: “fare a fette”), processo in cui il modello 3D viene letteralmente sezionato in strati (layer) di uno specifico spessore, in modo da ottenere le coordinate e le istruzioni per realizzare ogni singolo strato del modello stesso. Tutte le istruzioni vengono poi salvate in un file g-code che contiene tutte le istruzioni da inviare alla macchina affinché possa realizzare la lavorazione. Come vedremo più avanti in questa fase si andranno a definire molti parametri necessari alla fabbricazione che saranno per forza di cose legati alla caratteristiche della stampante, al materiale di stampa utilizzato e ovviamente anche alla conformazione dell’oggetto ed alla finitura che vogliamo ottenere.

In generale, i principali vantaggi della stampa 3D sono:

  • Creare oggetti geometricamente complessi senza costi aggiuntivi.
  • Nessun costo fisso per la preparazione della macchina o di stampi.
  • Prototipazione di pochi pezzi ad un costo molto basso.
  • Possibilità di utilizzare tanti materiali di stampa diversi.

Purtroppo ci sono anche dei punti deboli, sopratutto se parliamo di stampanti 3D non industriali, come:

  • Scarse proprietà meccaniche dei pezzi prodotti, non idonei ad applicazioni in cui sono richieste elevate prestazioni.
  • Svantaggiosa nella stampa di oggetti di grandi dimensioni.
  • Limitata accuratezza dimensionale, ovvero la scarsa capacità di produrre oggetti aderenti al progetto entro certe tolleranze dimensionali. Ad esempio la produzione di un pistone di un motore dovrà avere delle misure estremamente accurate rispetto a quelle di un vaso. In questi casi la fresatrice CNC offre accuratezza maggiore.
  • E’ necessaria una post-produzione dei pezzi, ovvero di un lavoro di rifinitura successivo alla produzione.

Riguardo alla post-produzione, essendo la stampa 3D una tecnologia additiva, la realizzazione di parti sospese richiede la presenza di “strutture di supporto” che non facciano collassare tali parti nella fase di stampa. Le parti di supporto andranno rimosse senza lasciare traccia e senza danneggiare il pezzo stesso.

Di seguito un esempio dei supporti prodotti da una stampante a filamento.

Esempio di strutture di supporto con stampa 3D a filamento (lettere H e T)

Ci sarà modo di approfondire il tema dei supporti di stampa quando parleremo più nel dettaglio della fase di slicing con le stampanti a filamento. Un altro esempio di post-produzione è ad esempio, nel caso in cui si stia realizzando un oggetto che deve essere gradevole anche esteticamente, è quello di lisciare la superficie con varie tecniche (in base al materiale) al fine di eliminale le tracce che si formano a causa della lavorazione additiva a strati.

Esempi di strati visibili con stampa 3D a filamento

2) Principali tecnologie di stampa 3D

Esistono ovviamente tante tecnologie di stampa 3D, dalle più semplici ed economiche che permettono di ottenere oggetti meno accurati dal punto di vista dimensionale fino ad arrivare a macchine che implementano tecnologie molto avanzate per stampare oggetti dimensionalmente molto precisi, oppure realizzati con materiali particolari o di grandi dimensioni. Quando si parla di accuratezza dimensionale si intende la capacità della stampante a fabbricare un oggetto quanto più preciso ed aderente alle misure definite in fase di progettazione del modello 3D, che dipende ovviamente dalla taratura della stampante ma sopratutto dalla tecnologia con cui è costruita la stampante stessa. Si può intuire abbastanza facilmente che una stampante ad uso domestico, utilizzata ad esempio per stampare statuette e vasi, non necessiti di una accuratezza dimensionale paragonabile alle stampanti utilizzate per creare protesi dentarie o prototipi in ambito meccanico.

Ci sono tante tecnologie di stampa diverse per ogni esigenza, nel nostro caso accenneremo solo ad alcune di queste per poi soffermarci sulla tecnologia più diffusa nelle stampanti ad uso artigianale e hobbistico perché più accessibili sia in termini economici che di complessità nell’utilizzo. Tra le tecnologie più diffuse menzioniamo:

  1. Stampanti a filamento (FDM, FFF)
  2. Stampanti a resina: SLA e DLP
  3. Stampanti a polvere (SLS, SLM)

2.1 – Stampanti a filamento

E’ proprio questa tecnologia con cui sono realizzate anche le stampanti 3D “entry level” ad uso hobbistico. E’ una tecnologia che è largamente utilizzata anche in ambienti professionali ma con caratteristiche e costi ovviamente diversi rispetto a quelle usate in contesto domestico o artigianale. E’ una tecnologia di fabbricazione additiva semplice e poco costosa, per questo è ideale per un utilizzo da parte di appassionati di bricolage e “fai da te”.

La tecnologia di stampa a filamento nasce a fine anni ’80 con il nome di “Modellazione a deposizione fusa” (FDMFused Deposition Modeling), poi agli inizi degli anni ’90 viene brevettata e commercializzata dall’azienda Stratasys, per tale motivo è stato coniato l’acronimo alternativo FFF (Fabbricazione a fusione di filamento) affinché altre aziende produttrici di stampanti 3D basate sullo stesso principio di funzionamento potessero dare un nome alla stesso tipo di tecnologia. Il brevetto sulla tecnologia FDM è scaduto nel 2009.

La tecnologia FDM permette quindi di creare gli oggetti con una modalità additiva, ovvero depositando strati di materiale plastico fuso uno sopra all’altro. L’oggetto stampato in 3D con questa tecnologia prevede l’impiego di un filamento plastico che tramite un meccanismo (estrusore) viene spinto verso un ugello riscaldato (hot-end), il quale estrude materiale fuso e lo deposita su un piatto di stampa (bed). Il piatto di stampa può essere freddo oppure anch’esso riscaldato (heated bed) al fine di migliorare l’adesione sul piatto stesso del primo strato depositato evitando che il pezzo si possa spostare durante la stampa.

Nel video che segue si vede molto bene come l’ugello deposita il materiale fuso strato dopo strato fino alla realizzazione dell’oggetto finale.

Con le stampanti FDM è possibile stampare con una varietà di materiali plastici ed è possibile fare stampe a più colori anche se la complessità ed il costo delle stampanti può crescere anche di molto. Il principio di stampa FDM è stato utilizzato anche per la realizzazione di stampanti in grado di produrre oggetti in argilla, di cioccolato e perfino di pasta!

L’accuratezza dimensionale massima ottenibile con questo tipo di tecnologia è dell’ordine dei 100 micron (0,1 mm), questo vuol dire che se progetto un cubo di lato 20 mm con un programma di modellazione 3D, se la sua stampa risultasse di lato 20,1 mm sarei esattamente entro il margine di massima accuratezza ottenibile con questo tipo di tecnologia. L’accuratezza dimensionale non va confusa con la risoluzione di stampa che dipende dallo spessore dei singoli strati (layer) che, come vedremo più avanti con maggiore dettaglio, viene definito nella fase di slicing. Il volume massimo di stampa è un aspetto fondamentale in fase di scelta della stampante, il volume di stampa tipico è rappresentabile da cubo con il lato di 20 cm, ovviamente ci sono stampanti con volumi maggiori e minori di questo standard che dipendono anche dalle caratteristiche costruttive della stampante stessa. 

Più avanti andremo ad approfondire come funziona una stampante 3D a filamento, analizzeremo gli aspetti costruttivi, quali sono i materiali di stampa utilizzabili e come avviene il processo di fabbricazione completo.

Il costo indicativo di una stampante a FDM può andare dalle 150 euro (provenienza cinese) ai 1500 euro circa per macchine ad uso hobbistico, passando poi alla fascia compresa tra i 1500 ed i 3500 euro delle macchine di una certa qualità ed affidabilità idonee ad un uso professionale, fino a superare la soglia dei 5000 euro di una macchine altamente professionali con elevati volumi di stampa.

2.2 – Stampanti a resina

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2.3 – Stampanti a polvere

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3) Stampanti 3D a filamento

In questo terzo capitolo analizzeremo nel dettaglio le varie tipologie costruttive ed i componenti principali di una stampante 3D a filamento. Come già anticipato, la tecnologia FDM (Fused Filament Fabrication), anche detta FFF, consiste in una tecnologia di fabbricazione additiva in cui un filamento plastico viene trascinato in un hot-end che lo scioglie e tramite un ugello deposita il materiale fuso su strati sovrapposti.

Principio di funzionamento di una stampante FDM

 

Di base una stampante 3D FDM è dotata dei seguenti componenti:

  • Telaio (frame) – rappresenta la parte meccanica strutturale della stampante. Il telaio è principalmente costituito da parti plastiche (stampate in 3D), da profilati metallici o da parti metalliche o in legno.
  • Motori – parte necessaria a movimentare gli assi della stampante in uno spazio tridimensionale e permettere l’estrusione di materiale fuso.
  • Movimentazione – è la parte meccanica necessaria a connettere i motori alle le varie parti in movimento della stampante. Le parti in movimento generalmente scorrono sugli assi grazie all’accoppiamento di barre a sezione circolare con cuscinetti lineari, esistono anche accoppiamenti su carrelli o guide lineari che sono più affidabili  ma anche più costosi. Le movimentazioni più comuni sono realizzate con barre filettate e sistemi cinghia-puleggia.
  • Elettronica – è il “cervello” della stampante ed è costituito da un microcontrollore che gestisce un software necessario a gestire la stampante (firmware).
  • Testa di stampa (print head) – dove il filamento viene estruso e fuso.
  • Piatto di stampa (bed) – dove viene depositato il materiale fuso.
Esempio movimentazione componenti di una stampante 3D

Nell’immagine precedente è schematizzata una stampante 3D in base ai movimenti che vengono compiuti in uno spazio tridimensionale rispetto agli assi X, Y e Z. Come vedremo più avanti, gli assi di movimento possono essere costruiti in modi diversi, ci sono tipologie costruttive in cui la testa ed il piatto di stampa vengono messi in movimento con modalità anche molto diverse tra loro, questo per favorire alcuni aspetti come il maggiore volume stampa, la velocità di stampa o la stabilità del telaio, solo per citarne alcuni.

3.1 – Tipologie di stampanti FDM

Partiamo con una semplice analisi di mercato dandovi una panoramica macroscopica del mercato delle stampanti 3D e del mondo commerciale ed open-source.

Fonte: https://reprap.org/wiki/RepRap

Come si può notare il “maggiore produttore” di stampanti 3D è il Progetto RepRap, che non è un’azienda ovviamente, bensì il più grande progetto open-source finalizzato alla diffusione di stampanti 3D in grado di produrre i pezzi necessari alla costruzione di un’altra stampante RepRap (Replicating Rapid Prototyper, “prototipatore rapido a replicazione”). La filosofia dietro al concetto RepRap è proprio quello della costruzione di stampanti 3D “autoreplicanti” ovvero in grado di fabbricare pezzi per la costruzione di un altre stampanti RepRap. Maggiori dettagli sul progetto sono disponibili sul Wiki ufficiale e su Wikipedia. Questa premessa è doverosa in quanto molte stampanti ad uso hobbistico si basano su progetti RepRap o su cloni e derivazioni di questi.

Nel campo delle stampanti FDM ci sono tante tipologie di stampanti 3D con caratteristiche tecniche molto diverse, tuttavia le tecniche costruttive dei telai delle stampanti sono riconducibili a due macro geometrie principali, che sono rispettivamente:

  1. Cartesiane – In questo tipo di stampanti la testa di stampa ed il piatto di stampa si muovono all’interno di uno spazio tridimensionale grazie a dei motori che permettono di effettuare movimentazioni lineari lungo tre assi (X,Y e Z) utili a spostare la testa ed piatto all’interno del volume utile di stampa. La movimentazione di questi componenti può essere realizzata con modalità diverse dipendenti dalla soluzione costruttiva adottata per la costruzione della stampante. Per fare alcuni esempi: in alcuni casi la testina di stampa può muoversi lungo gli assi X e Z mentre il piatto si muove in Y, oppure in altre soluzioni costruttive la testina di stampa si muove in X e Y mentre il piatto si muove su Z, ecc. Il volume utile massimo (volume di stampa) all’interno del quale è possibile muoversi, che quindi limita le dimensioni massime del pezzo stampabile, è solitamente definito all’interno di un cubo o di un prisma a base rettangolare.
  2. Delta – Come si può notare nell’immagine che segue, anche con le stampanti Delta ci si muove in uno spazio tridimensionale ma con una modalità diversa. In pratica ci sono 3 motori che permettono a dei carrelli scorrevoli di muoversi verticalmente su 3 assi che sono disposti su una base di forma triangolare. I carrelli sono collegati alla testa di stampa e quando variano la loro  posizione verticale su questi 3 assi permettono alla testa di stampa di muoversi all’interno di uno spazio tridimensionale. Il movimento su questi tre assi verticali permette di coprire una superficie circolare, ragione per cui in questo tipo di stampanti il volume di stampa ha una forma cilindrica. Un’altra particolarità delle Delta è che il piatto di stampa non è in movimento ed è fissato alla base della stampante, questo perché il solo movimento dei 3 carrelli permette già di muovere la testa di stampa nello spazio tridimensionale, mentre visto poc’anzi per le cartesiane, la testina di stampa si muove contemporaneamente lungo 2 assi (spazio bidimensionale).
Confronto tra geometrie Cartesiana e Delta

Volendo fare un semplice confronto tra Delta e Cartesiane possiamo affermare che:

  • Con le Delta, a parità di superficie di ingombro della stampante posso avere un volume di stampa maggiore, questo perché la struttura meccanica si sviluppa facilmente in altezza senza troppe complicazioni di natura meccanica, mantenendo quindi una certa rigidità del telaio. Con queste stampanti è possibile raggiungere velocità di stampa e accuratezza maggiori rispetto alle Cartesiane, per contro, sono stampanti complesse da calibrare e generalmente più costose delle Cartesiane. Con queste stampanti solitamente si utilizzano delle schede elettroniche di controllo più potenti perché per avere una movimentazione precisa nello spazio tridimensionale occorre una potenza di calcolo maggiore, sono proprio la necessità di questi calcoli per posizionare la testa di stampa nello spazio cartesiano che rendono difficoltosa la taratura della stampante rispetto ad una cartesiana.
  • Le Cartesiane hanno dalla loro parte la maggiore semplicità ed economicità a scapito della velocità e del volume di stampa.

Le Cartesiane sono sicuramente le più diffuse, in particolare i modelli Prusa sono tra i più semplici e meno costosi, mentre i modelli le CoreXY (una particolare tipologia di Cartesiana) e le Delta sono meccanicamente più complessi e possono garantire velocità e aree di stampa maggiori ad un costo generalmente più elevato.

Per capire meglio questi concetti, la stampante più semplice da analizzare è sicuramente la Prusa i3, la quale è progettata in maniera che la testa di stampa possa scorrere orizzontalmente sull’asse X, asse che si muove a sua volta verticalmente sull’asse Z mentre il piatto di stampa scorre lungo Y. La testa di stampa deposita il materiale sul piatto, poi ogni volta che lo strato è completato tutto l’asse X si alza grazie ai motori dell’asse Z, permettendo così alla testa di stampa di completare gli strati successivi.

Le cartesiane di tipo Core XY e derivati, come anticipato precedentemente, sono costruite in maniera che la testa di stampa si muova su un piano XY attraverso un complesso meccanismo costituito da cinghie e pulegge, mentre il piatto si muove lungo l’asse Z. La stampa parte con il piatto in posizione alta e ad ogni completamento dello strato questo si abbassa affinché possa essere depositato il materiale dello strato successivo.

Prendiamo di nuovo in esempio una stampante tipo Prusa i3 per schematizzare le varie parti che compongono stampante e che nei prossimi paragrafi verranno analizzate maggiormente nel dettaglio.

3.2 – Telaio e Movimentazioni

Esempio di struttura e movimentazione piatto di stampa di una Prusa i3 MK2

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3.3 – Testa e piatto di stampa

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3.4 – Tipologie di teste di stampa

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3.5 – Elettronica e Firmware di controllo

Esempio di scheda elettronica di controllo con relativi componenti connessi

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4) Materiali per la stampa 3D FDM

Ora che abbiamo una panoramica abbastanza definita su come funzionano le stampanti 3D FDM, diamo un breve sguardo ai materiali che possono essere impiegati per la realizzazione degli oggetti. Anche in questa fase non entreremo troppo nei tecnicismi, lo scopo è quello di darvi una panoramica generale, al giorno d’oggi infatti ci sono filamenti destinati ad un uso tecnico o professionale che si prestano poco ad applicazioni di tipo hobbistico, sia per il costo del filamento che per eventuali problematiche tecniche in cui si potrebbe incorrere utilizzandoli con stampanti di bassa fascia. Il mercato dei filamenti offre due standard dimensionali: filamenti con diametro da 1,75 mm e filamenti con diametro da 3 mm. Le stampanti più diffuse in commercio funzionano con il filamento da 1,75 mm, tuttavia ne esistono anche di modelli che funzionano con il filo da 3 mm, l’aspetto importante è che una stampante nasce per funzionare con un solo diametro di filamento, nel caso in cui si voglia cambiare questa caratteristica bisognerà cambiare l’hot-end (se possibile).

4.1 – PLA (Acido Polilattico)

Il PLA il più comune dei materiali per la stampa FDM, è biodegradabile, non tossico, non produce cattivo odore in fase di stampa, ha discrete proprietà meccaniche e, fondendo a temperature relativamente basse rispetto ad altri materiali, risulta quello più idoneo ad essere utilizzato con stampanti 3D non professionali ad uso domestico/hobbistico. Esistono poi PLA “tecnici” tendenzialmente più idonei ad applicazioni professionali in cui sono richieste caratteristiche meccaniche e chimiche diverse.

Questo materiale è perfetto per la prototipazione rapida sia perché non richiede stampanti costose e complesse ma anche perché non richiede particolari accortezze nella configurazione della fase di slicing, inoltre può essere facilmente stampato anche in assenza di piatto riscaldato. Di contro, essendo biodegradabile, non si presta alla costruzione di parti durature o sottoposte a calore (si deforma già a 60°) o esposte agli agenti atmosferici.

Esistono anche PLA flessibili, ad effetto luminescente, PLA conduttivi caricati con grafite o caricati con polveri di materiali come metallo o legno per applicazioni in cui si vuole ottenere un particolare effetto estetico.

Per quanto riguarda l’uso del PLA in applicazioni artistiche, molto spesso si ha l’esigenza di eliminare le striature degli strati di materiale, in questi casi va effettuata una post produzione che consiste nell’applicazione di particolari stucchi sulla superficie che possono essere successivamente levigate al fine di ottenere un oggetto con una superficie liscia (link ad un esempio).

Il costo medio del PLA si aggira attorno ai 27 €/kg per dei buoni filamenti.

Esempio di post produzione di un oggetto in PLA – https://www.stampa3d-forum.it

4.2 – ABS – (Acrilonitrile Butadiene Stirene)

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4.3 – PETG (Polietilene Tereftalato)

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4.4 – Altri materiali

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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

Interfaccia del software Cura 15
Test di ritrazione. A destra il test con i parametri corretti

[…]

6) Conclusioni

[…]

6.1) Il mercato

[…]

6.2) Approfondimenti

[…]

6.3) Community

[…]

6.4) Fonti


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Le informazioni e le immagini contenute in questo articolo sono frutto dell’esperienza che Informatica 37 ha maturato nel campo della stampa 3D, alcune immagini e concetti sono stati ripresi e verificati grazie alle seguenti fonti:

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