Guida stampa 3d principianti maker (FFF/FDM)

Come funziona la stampa 3d?
Ecco la mini Guida Stampa 3d principianti makers per tecnologie fff/fdm. Concetti link e software necessari per comprendere al meglio il processo di stampa 3d. Se non hai una stampante 3d ho scritto una piccola guida all'acquisto per apprendisti makers e artigiani digitali:
piccola guida all'acquisto maker/artigiani digitali principianti

Guida stampa 3d principianti maker

Oggi si comincia da zero per non lasciare indietro nessuno e si arriva a buon punto considerando che è una mini-guida. All'inizio trovi l'indice degli argomenti e tre passi fondamentali che riassumono il processo di stampa 3d... utile per comprendere meglio tutta la lettura.

Indice argomenti stampa 3d principianti:

Stampa 3D in tre passi

Prima di cominciare ecco le fondamenta della stampa 3d in tre passi cosi da comprendere meglio la guida durante la lettura:

  1. Si prepara il modello con il software di modellazione 3d preferito e si esporta in formato .stl o .obj altrimenti ci sono molti siti per scaricare modelli già pronti per la stampa 3D che vediamo in seguito.
  2. Ora si carica il modello.stl precedentemente esportato o scaricato nel programma di slicing preferito tipo Slic3r o Cura ultimaker, si decidono i settaggi per la stampa e si esporta in .gcode ottenendo modello.gcode
  3. Con modello.gcode puoi avviare la stampa usando una scheda o una schiavetta di memoria o connettendo la stampante 3d al PC con software host tipo prontface, octoprint ecc...

Per ora memorizza i tre passi e stai sereno che in seguito vediamo tutto nel dettaglio.

Cominciamo...

Tecnologie di Stampa 3D e caratteristiche dei materiali.

Le tecnologie di stampa 3d con prezzi accessibili sono le FFF/FDM e SLA/DPL.
Le FFF/FDM creano il pezzo con la fusione del materiale mentre le SLA/DPL con la solidificazione del materiale.
Si fa presto a dedurre che i materiali per le FFF/FDM sono solidi e durante il processo di stampa vengono fusi, mentre i materiali delle stampanti 3d SLA/DPL sono liquidi e vengono portati alla solidificazione.

Sono due approcci totalmente diversi, ma alcuni concetti che occorrono per arrivare alla stampa sono simili in entrambi. Questo articolo approfondisce le tecnologie di fusione FFF/FDM.

Ad oggi le SLA/DPL hanno buoni vantaggi rispetto alle FFF/FDM, ma anche dei limiti...

I materiali delle stampanti FFF/FDM vengono venduti come filamenti plastici e hanno avuto una forte evoluzione negli ultimi anni! Ci sono filamenti che non emettono odori (in teoria nemmeno vapori tossici) come il PLA e derivati, poi c'è il filamento ABS che ha buone caratteristiche tecniche e puzza come plastica bruciata!
Fortunatamente i filamenti ecologici stanno avendo un forte interesse e in commercio si trovano diversi tipi: Legno, conduttivo, flessibile, carbonio ecc...

I materiali delle stampanti SLA/DPL nel momento in cui scrivo stanno avendo una maggior evoluzione dovuta ad un maggior interesse da parte dell'utenza "casilinga, hobbistica e semiprofessionale" essi sono venduti come resine (liquide) e fino ad oggi sono più costosi.
La scelta del tipo di resina è minore rispetto ai filamenti plastici, almeno fino ad oggi.

Termini e Componenti nella Stampa 3D

Le tecnologie di stampa FFF/FDM ad oggi sono le più distribuite, ora vediamo gli acronimi FDM (Fused deposition modeling) e FFF (fused filament fabrication) le differenze concettuali sono minime, ma si diversificano giuridicamente.
Grazie alle RepRap FFF la stampa 3d si è commercializzata e distribuita in tutto il pianeta spingendo e stimolando altre aziende a fare altrettanto, a riguardo ho scritto RepRap + Gnu stampa 3d libera a basso costo.

Le tecnologie FFF/FDM fondono il materiale con l'estrusore(che vediamo in seguito) e creano il modello 3D strato dopo strato dal basso verso l'alto, il materiale viene fuso nell'estrusore, e depositato sul piatto di stampa (o sullo strato precedente) grazie al movimento degli assi X e Y. Mentre l'asse Z definisce l'altezza di ogni strato!

Ecco i tre assi in vista frontale di un'ipotetica stampante 3d, guarda l'immagine
Assi stampa 3d e fusione

L'asse Z determina l'altezza dello strato mentre X e Y sono utilizzati per completare lo strato, nell'esempio è l'asse X a muoversi durante la fusione. Per fare le curve X e Y si muovono entrambi!

Ci sono diversi tipi di stampanti FFF/FDM come le delta e le cartesiane, la differenza principale è il modo in cui viene generano il movimento degli assi X Y Z.

Le delta generano il movimento X Y Z grazie a tre assi in verticale e ogni asse è collegato all'estrusore con dei braccetti e snodi, spesso hanno una forma cilindrica o triangolare e generalmente hanno l'asse asse Z con una corsa maggiore rispetto ai modelli cartesiani, cosi da poter fare pezzi più alti.

Le cartesiane hanno la movimentazione degli assi X Y in orizzontale e Z in verticale ed ogni motore è dedicato alla movimentazione di un'asse! Ci sono modelli cartesiani dove l'estrusore si muove sull'asse X e Z in stile prusa/mendel e altri con estrusore in X Y stile makerbot ultimaker ecc...

Ora impariamo i primi termini della stampa 3d vicini all'estrusore, ovvero il meccanismo che spinge, fonde e deposita il filamento:

termini utili stampa 3d fff fdm
  • I filamenti per la stampa 3d possono essere di diametro 1.75mm e 2.85mm.
  • Lo spingifilo è azionato da un motore passo passo e può essere posizionato in diverse zone assumendo diverse caratteristiche e terminologie!
    Spingifilo estrusore Diretto:
    Nell'imagine è posizionato in modo “diretto” infatti è vicino alla zona di fusione e l'estrusione sarà più affidabile anche con filamenti flessibili o gommosi, ma il peso aumenta e questo è uno svantaggio!
    Spingifilo estrusore Bowden:
    È posizionato vicino alla bobina del filamento o comunque distaccato dal resto dell'estrusore in movimento! Il vantaggio è alleggerire l'estrusore, ma di contro è meno affidabile con alcuni tipi di filamento.
    Negli estrusori Bowden viene utilizzato un tubo ptfe per il passaggio del filamento tra lo spingifilo e l'estrusore!
  • Hotend è raffreddato ad aria o liquido per dissipare il calore generato dal blocco riscaldatore e concentrare la fusione in esso.
  • Nel Blocco Riscaldatore si fonde il filamento grazie alla resistenza ed un sensore di temperatura(termistore).
  • Il Nozzle (Ugello) spesso è intercambiabile e ha un foro per la fuoriuscita del filamento fuso.
    Ci sono due principali categorie principali, nozzle per filamenti da 1.75 e 2.85.
    Ogni categoria ha una gamma di nozzle con diversi diametri di fuoriuscita, da 0.2mm a 1.2mm. In base alla grandezza del diametro di fuoriuscita si avranno diverse risoluzioni in X, Y e Z... cambia anche il tempo di stampa! Un Nozzle di 0.6 ha meno risoluzione rispetto al 0.4 ma i tempi di stampa saranno più brevi.
  • La Risoluzione Z è l'altezza di ogni singolo strato decisa nello slicing che vediamo in seguito. Un nozzle più grande permette strati più spessi e quindi un minor numero di strati complessivi. (abbassando il tempo di stampa)
  • Il Piatto di stampa spesso è riscaldato per aumentare l'adesione del primo strato perchè se troppo "freddo" si accentua la deformazione dei primi strati e addio stampa! La deformazione dei primi strati dipende dalla temperatura esterna, temperatura estrusore/piatto e tipo di filamento.

Ora andiamo a scoprire altri componenti fondamentali nella stampa 3d... vediamo l'estrusore anche dall'interno!

termini stampa 3d e fusione

Ho messo più termini perchè alcuni possono tornare utili ;-)

  • La resistenza genera il calore necessario per la fusione e in alcuni casi riesce a portare il blocco riscaldatore fino a 400°. Nella maggior parte dei casi una temperatura massima di 270°/300° è sufficiente, dipende dal tipo di filamento utilizzato.
  • Il Termistore o Termocoppia è montato sul blocco riscaldatore e serve per controllare la temperatura. È collegato all'elettronica della stampante 3d, cosi da leggere i valori ed accendere o spegnere la resistenza cosi da mantenere la temperatura dell'estrusore stabile.

Ora che abbiamo imparato i termini più utili e fondamentali nella stampa 3d vediamo un esempio pratico di inizio/fine stampa di un modello 3d con tecnologia FFF/FDM, nell'esempio usiamo una risoluzione Z di 0.2mm(si imposta durante lo slicing del modello che vediamo più avanti)

Esempio pratico inizio fine stampa:

  1. Si avvia la stampa!
  2. L'estrusore e/o il piatto di stampa si avvicinano quasi a toccare con una tolleranza centesimale decisa durante la calibrazione della macchina.
  3. Si muovono gli assi X e Y e viene depositato il materiale fuso fino al compimento dello strato.
  4. Finito lo strato precedente l'asse Z si alza di 0.2(risoluzione Z) per preparasi a fondere lo strato successivo e tornare al passo 3.
  5. Si ripetono i passaggi 3 e 4 fino alla fine della stampa!

Come vedi mi sono sempre riferito agli assi X Y Z, senza specificare ciò che si muove! Come ho già detto la movimentazione dell'estrusore o il piatto di stampa può essere diversa da stampante a stampante.

Dove scaricare modelli per la stampa 3d?

Sono nati molti siti dove scaricare modelli 3d pronti per la stampa 3d.
Ecco alcuni siti:
Thingiverse
Youmagine
Libre3d

Nei link che ho messo puoi scaricare modelli 3d da stampare senza registrazione, altrimenti la lista sarebbe molto più lunga.

Quali software di modellazione 3d utilizzare per la stampa 3D?

Per aiutarti nella scelta del software di modellazione 3d da utilizzare ho scritto Modellazione 3D per Stampa 3D.

Prima di farti una micro presentazione dei software di modellazione 3d da utilizzare nella Stampa 3D, c'è una cosa molto importante da sapere...

Modellare in 3d per scopo "stampa 3d" richiede accorgimenti maggiori rispetto al modellare tradizionale.

Sto preparando un articolo dedicato al riguardo, nel mentre ti passo due link:

Come installare "3D PRINTING TOOLBOX" su blender (nel caso usi blender)
https://www.vectorealism.com/supporto/guida-introduttiva/blender-starter-kit/

In dettaglio gli accorgimenti necessari per preparare un modello per la stampa 3d:
http://www.stampalo3d.com/2013/05/15/preparare-un-modello-per-la-stampa-3d/

Ora vediamo i software da utilizzare per modellare in 3d...

I software per creare da soli i modelli 3d sono molti e di diversi tipi e caratteristiche, le mie preferenze sono software liberi (veramente uso programmi free/open nel 99% dei casi :-) )

Due programmi che utilizzo personalmente sono:

Blender: ottimo per modellazione artistica e scultura! ti consiglio di aggiungere in blender la Addons "3D PRINTING TOOLBOX" ..Blender è potentissimo ed è utile anche per animazione, rendering ecc...

Freecad: è un modellatore CAD parametrico molto potente ..ottimo!

Altri due modellatori che non conosco per bene, ma molto apprezzati sono:

Openscad: Un modellatore CAD Non interattivo, difatti si modella con il suo linguaggio ed è molto apprezzato dagli utenti!

Meshlab: che a breve provo perchè mi ha incuriosito! Più adatto per modellazione artistica.

Esportare il Modello per la Stampa 3D

Una volta pronto il modello 3d sempre con il programma di modellazione che hai scelto, lo devi esportare in un file "mesh" compatibile con il software di Slicer che utilizzi.
I formati più utilizzati e supportati dai software Slicer sono: .stl e .obj

In teoria il formato .obj permette di memorizzare i colori, ma ad oggi questa caratteristica è utile solo in particolari tecnologie di stampa 3D multicolor... In pratica esportare in .stl va bene nella maggior parte dei casi, anche per stampe multimateriale.

La maggior parte dei programmi Slicer permettono la Stampa multimateriale utilizzando molteplici modelli .stl. Le tecniche per la stampa multimateriale differiscono leggermente da software a software, magari vedremo meglio questa caratteristica in articoli dedicati.

Software per affettare il modello da stampare in 3D

Per preparare il modello da stampare in 3D si usano software Slicer (affettatrice) ovvero programmi che affettano(slicing) il modello 3d in tante parti quante ne vogliamo, questa sarà la risoluzione Z!
In realtà non si può decidere in quante parti affettare il modello, ma quanto può essere l'altezza di ogni fetta (strato). Se ricordi nell'esempio di lavorazione che ho fatto in precedenza ho usato la risoluzione di 0,2mm ovvero ho affettato il modello in strati alti 0,2mm.

I modelli 3d accettati dai software Slicer, sono file mesh!
Come detto in precedenza una volta creato il modello 3d con il programma di modellazione 3d preferito, ti basta esportarlo in .stl per una stampa monocolore o .obj per una stampa multicolore.

Tutti i software Slicer oltre che affettare il modello 3d permettono di decidere velocità degli assi, raffreddamento, spessore perimetri, percentuale e tipo di riempimento, numero di strati prima e dopo il riempimento, supporti ecc...

Programmi Slicer popolari che usano molti makers sono Slic3r e Cura ultimaker entrambi ottimi e installabili gratuitamente su ogni sistema operativo come gnu/linux, windows e mac!
Puoi iscriverti a Stampa 3D per rimanere aggiornato/a via mail su prossimi articoli.

Una volta caricato il modello e settato il tutto, lo esporti in .gcode e sei pronto per darlo in pasto alla tua stampante 3D!

Per scegliere il programma per lo slicing da utilizzare ho scritto Cura VS Slic3r, ma in realta non faccio paragoni e sottolineo solo differenze importanti per aiutare nella scelta che è del tutto personale.

Come fa a muoversi la stampante e cos'è il GCODE?

Il gcode è un linguaggio da molto tempo usato su macchine a controllo numerico come frese e torni CNC, questo linguaggio è interpretato da queste macchine per generare i movimenti degli assi, velocità, lubrificazione, cambio utensile ecc...
La stampa 3d è figlia delle macchine CNC e difatti è il modello.gcode che invia i comandi per i movimenti degli assi, raffreddamento, temperatura, estrusione ecc...

Connettere la stampante al PC per stampe e calibrazione

Molte stampanti 3d hanno lo schermo con lettore sd integrato e questo permette di avviare stampe senza connettersi al PC!
Comunque ci sono ancora stampanti 3d senza schermo ed è vitale conoscere i programmi CAM.
Ci sono diversi programmi CAM molto utilizzati come pronterface(o printrun), octoprint e repetier host. I software CAM permettono la connessione tra stampante e PC, smartphone ecc...

Nel momento in cui scrivo (fine 2015) la seconda generazione di stampanti 3d deve ancora raggiungere la forma completa, ad oggi software CAM mobili che possono essere installati su piccoli dispositivi come il raspberry, sono abbastanza rari, ma è una questione di tempo.

Conclusione guida Stampa 3d principianti

Spero ti sia piaciuta la Guida alla Stampa 3D per principianti o apprendisti maker.
Credo sia importante iniziare con buone basi, se vuoi diventare un artigiano digitale/maker questo è un buon punto di partenza

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