Realizzazione di una stampante 3D

Per stampa 3D si intende la realizzazione di modelli digitali mediante produzione additiva, partendo da un modelllo digitale. Questa realizzazione avviene, almeno nella stampanti domestiche che utilizzano la tecnologia FDM, sovrapponendo strati di materiale plastico ammorbidito e filato che viene depositato tramite un ugello in grado di muoversi nelle tre dimensioni.

Diversi sono i progetti portati avanti dalle comunità su Internet, che differiscono suprattutto per la tecnica di realizzazione del telaio: componenti in acrilico o in metallo, trasmissione a cinghia oppure tramite barra filettata, carrello dell'asse X mobile oppure fisso, ecc.. Tralasciando la specifica funzionalità di estrusione, possiamo notare molte analogie con le macchine a controllo numerico che pilotano frese (produzione sottrattiva). Anche in questo caso praticamente tutti i progetti open si basano su scheda Arduino per l'interfacciamento col computer e per l'interpretazione del codice, affiancata da driver per gestire i motori passo passo e le elevate correnti degli estrusori. Identico è anche il linguaggio utilizzato per comandare i carrelli e le varie funzionalità, ovvero il G-CODE, che ha introdotto nuovi comandi specifici per le funzionalità delle stampanti 3D (es: controllo temperatura estrusore, attivazione piatto riscaldato, ecc..).

Ho realizzato la mia stampante basandomi sul progetto originale della Prusa I3, sfruttando parte dei componenti realizzati dalla ditta cinese Geeetech, in particolare il telaio in acrilico tagliato al laser e la scheda di gestione basata su Arduino. Il carrello del'asse X è realizzato completamente in metallo, dalle meccaniche per il movimento al supporto per l'estrusore. Il piatto viene preriscaldato per aumentare l'aderenza del filamento durante la posa dei primi strati. Una ventola inoltre dirige aria verso l'estrusore in maniera tale da raffreddare velocemente il materiale appena rilasciato. Ho stampato poi i passacavi e una scatola per contenere la scheda, in maniera da rendere la cablatura più ordinata e meno soggetta a scollegamenti involontari.

I limiti della stampa 3D

Sebbene si riescano ad ottenere ottimi risultati, la stampa 3D, in particolare quella domestica, presenta comunque dei limiti dovuti alla tecnica di stampa a strati successivi. La legge di gravità ci rende infatti difficile creare un oggetto quando esso presenta sbalzi con pendenza troppo elevata oppure parti aggettanti. Problema analogo possiamo averlo con ponti o soffitti: questo perché il materiale estruso non ha fisicamente un supporto sul quale poggiare. L'inclinazione massima di una parte uscente dipende da stampante a stampante ma solitamente è bene che non superi i 45 gradi. Quando si hanno problemi di questo tipo si può far ricorso a supporti ausiliari, ovvero parti che vengono stampate con l'unico scopo di sorreggere le porzioni critiche e che vengono poi rimosse manualmente dall'oggetto finale; questi supporti possiamo crearceli noi sul modello 3D oppure chiedere allo slicer che ce li generi automaticamente.

Un altro problema si può riscontrare quando le pareti che si vanno a stampare sono troppo sottili o quando comunque il modello presenta parti che non tengono conto della risoluzione minima alla quale la stampante è in grado di operare. Questa è data da una somma di fattori quali il diametro del foro dell'ugello dell'estrusore o lo spostamento minimo che posso effettuare i carrelli.

Inoltre i pezzi stampati spesso necessitano di essere rifiniti, eliminando ragnatele o supporti. Per quanto si stampi ad alta risoluzione la superficie evidenzia comunque i vari strati, che possono essere eliminati con carta vetrata fina. Infine spesso occorre procedere con la verniciatura e lucidatura del pezzo affinché si possa arrivare all'aspetto finale.

Dal modello digitale all'oggetto fisico

Il processo di realizzazione e stampa di un oggetto prevede tre fasi, ciascuna delle quali richiede una specifica tipologia di software:

• Quando abbiamo deciso cosa vogliamo realizzare dobbiamo modellarlo in 3D, utilizzando solitamente un programma CAD. Personalmente utilizzo Sketchup con l'estensione che permette di salvare direttamente in STL, ovvero il formato standard nella stampa 3D.
• Una volta realizzato il modello, dobbiamo passarlo allo slicing, ovvero alla sua suddivisione in fette corrispondenti ai vari layer di stampa. Per ogni layer verrà poi calcolato il percorso e la modalità migliore per rilasciare il filamento in base a differenti fattori, tra i quali il materiale utilizzato, le caratteristiche della stampante e la geometria del layer precedente. In questo processo viene utilizzato un programma CAM specifico, che al termine dell'elaborazione produce un file G-CODE, ovvero il formato standard per pilotare stampanti 3D o CNC. Questa è forse la parte più delicata di tutto il processo di realizzazione dell'oggetto, in quanto a mio avviso la bontà di una stampa 3D non dipende solo dalla qualità (e il costo) della stampante, ma anche dall'efficienza degli algoritmi di slicing. Più saranno precisi i dati che inseriremo relativi alla nostra stampante e al materiale che utilizzeremo e migliori saranno i risultat:; in questa fase della procedura dobbiamo infatti decidere valori come lo spessore dei layer, la percentuale di infill (ovvero la densità di riempimento), il diametro del foro dell'ugello e il diametro preciso del filamento; tutti valori utili a calcolare l'esatta quantità di materiale da rilasciare. Personalmente utilizzo quasi sempre Slic3r, ma a volte provo a vedere che alternativa mi propone Cura, soprattutto quando devo utilizzare i supporti.
• Ora che abbiamo ottenuto il file G-CODE, che a differenza del più generico STL è specifico per la nostra stampante e il materiale che andremo ad utilizzare, possiamo procedere con la stampa. Molte stampanti possono leggere tali file direttamente da una scheda SD oppure da una pennetta USB, evitando quindi di occupare il computer durante la fase di stampa e non costringendoci a tenerlo acceso. In realtà l'utilizzo di un client su PC consente di modificare facilmente e in tempo reale parametri come la velocità, le temperature o la percentuale di estrusione, oltre ad offrire un feedback immediato del processo di stampa vedendo a schermo la composizione dei vari layer. Solitamente questa tipologia di software consente anche di comandare i motori della stampante, l'estrusore e le altre parti favorendone quindi la manutenzione e la pulizia. Personalmente mi trovo bene con il pacchetto Repetier-Host, in quanto mi offre un'anteprima di stampa, permettendomi di includere più oggetti ruotandoli, riscalandoli o spostandoli sul piatto virtuale; direttamente dal programma posso poi richiamare lo slicer per procedere infine con la stampa vera e propria.

RIFERIMENTI

• Il sito Thingiverse è una community dove condividere progetti per stampa 3D.
• Tra i software CAM per la generazione di G-CODE utili alla stampa 3D, troviamo Slic3r, Cura, Skeinforge e Kisslicer.
• Tra i software per gestire la stampante troviamo Repetier e Printrun.
• Netfabb Online Service è un servizio per la correzione dei file 3D: può capitare infatti che oggetti convertiti da CAD a STL non abbiano tutte le superfici correttamente chiuse. Alcuni CAM come ad esempio Slic3r effettuano automaticamente tali correzioni, altri invece necessitano di una elaborazione precedente con altro software.