Giuseppe Ravidà
Stampante 3D: tecnologia, estrusori e come costruirla
- Maggio 14, 2020
- 22:50
- Stampante 3D
Il Fused Deposition Modeling, nota come tecnologia FDM, è un processo di produzione additiva che appartiene alla famiglia degli estrusi di materiali. In FDM, un oggetto viene costruito depositando selettivamente il materiale fuso in un percorso predeterminato, strato dopo strato. I materiali utilizzati sono polimeri termoplastici e sono disponibili in forma di filamenti. FDM è la tecnologia di stampa 3D più utilizzata e rappresenta la più grande base installata di stampante 3D a livello globale ed è spesso la prima tecnologia a cui si è esposti.
Un progettista dovrebbe tenere a mente le capacità e i limiti della tecnologia quando realizza un pezzo con FDM; Capire bene come usare una stampante 3D ti aiuteranno a raggiungere il miglior risultato.
Indice
Come funziona stampante 3D FDM?
FDM utilizza un design digitale che viene caricato sulla stampante 3D. Ci sono molti polimeri diversi che possono essere utilizzati, come ABS, PETG, PEI e PEEK. Questi hanno la forma di fili di plastica e vengono alimentati da una bobina che attraversa un ugello.
I filamenti vengono fusi e alimentati sulla base, nota come piattaforma di costruzione o tavolo con la base e l’ugello, entrambi controllati da un computer. Il computer lavora traducendo l’oggetto e la sua dimensione in coordinate che permettono di seguire l’ugello e la base.
Mentre l’ugello si muove attraverso la base, la plastica si raffredda e diventa solida, formando un legame duro con lo strato precedente. A questo punto la testina di stampa si solleva per consentire la posa dello strato di plastica successivo. Questa breve descrizione fa capire bene come funzionano le stampanti 3D.
Estrusore Direct e Bowden
Come sempre, la stampa 3D è efficiente e veloce, ma il tempo necessario per creare un oggetto dipende dalle sue dimensioni. Gli oggetti più piccoli che si trovano intorno a diversi centimetri cubi possono essere creati rapidamente, ma gli oggetti più grandi e complessi richiedono più tempo. Questi semplici concetti ti permettono di capire la stampa 3D come funziona.
Ci sono molti metodi di estrusione ma i più conosciuti sono il metodo Direct (diretto) e il metodo Bowden. L’estrusione diretta è un metodo di estrusione con il quale l’estrusore spinge il filamento direttamente nell’ugello. A differenza di una macchina di estrusione diretta, un estrusore Bowden è montato sul telaio della stampante. Esso spinge e tira il filamento attraverso un lungo tubo Bowden in PTFE e nell’estremità calda. Queste due tecnologie a confronto ti danno la conoscenza della stampante 3D come funziona.
Funzionamento stampante 3D? Le istruzioni stanno nel file .gcode
Slice è un termine che deriva dall’inglese e vuol dire affettare, questo perché quando si stampa con il metodo FDM l’intero processo verrà prodotto strato dopo strato, questa serie di fette che alla fine andranno a comporre il prodotto finale, possono determinare anche la quantità di materiale che viene o verrà utilizzato.
Lo slicer è un software molto potente ed è alla base di un processo di stampa 3D, attraverso il file si possono dare dei comandi gcode all’apparecchio. Grazie allo slicer, il processo di stampa di un prodotto può essere semplificato siccome verranno stabilite delle coordinate di stampa che replicheranno tutti i dettagli e il volume originario. Per chi è alle prime armi il programma slicer può sembrare molto complesso e difficile da utilizzare, ma in realtà le cose da conoscere per poter imparare alla perfezione il linguaggio g code non sono molte.
I software di slicing attraverso una lista di comandi g code possono modificare molti parametri di una stampa. Tra questi:
- Shell: sta ad indicare il numero di layer esterni che avrà l’oggetto siccome dovrà essere resistente agli urti, è consigliabile non moltiplicare la larghezza perché potrebbe portare qualche problema;
- Infill: è la percentuale di riempimento dell’oggetto, attraverso programmi specifici è possibile anche scegliere il riempimento dei poligoni interni;
- Altezza layer: l’altezza di layer è molto importante, per definire l’oggetto i valori dovranno essere bassi. Le stampanti più economiche arrivano a 0,1 mm, se si sale i prezzi aumentano;
- Temperatura piano: molti materiali per poter essere più efficaci hanno bisogno di un piano riscaldato che possa arrivare anche a 110°.
File gcode esempio
Abbiamo detto che il linguaggio gcode permette di istruire la macchina a controllo numerico, come una stampante 3D cartesiana, durante il processo di stampa 3D. Questo avviene pertanto dopo che il tool di slicing genera il file .gcode. Questo è un vero e proprio file di testo; possiamo infatti aprire il file con un qualsiasi editor testuale come notepad su Windows o TextEdit su Mac e leggerne il contenuto.
All’interno troveremo una serie di righe con lettere maiuscole e numeri e possibilmente qualche commento testuale che descrive l’istruzione, introdotto da un punto e virgola.
Vediamo insieme un esempio di gcode per capire meglio in dettaglio:
Riga 1
G1 – è il comando più diffuso ed occuperà il 95% del vostro file gcode; indica un movimento lineare lungo un asse o più assi. Nella prima riga è usato in coppia con X0 e Y0 che rappresentano l’origine nel sistema cartesiano ovvero la posizione di home.
F2400 – sempre nella prima riga segue questa sigla che indica la velocità di spostamento in mm/min. Quindi questa istruzione muove alla posizione 0,0 del piano di stampa la testina ad una velocità di 2400mm/min.
Riga 2
Z10 – indica l’asse Z ovvero l’altezza per il nostro oggetto in stampa; pertanto, adesso che conosciamo i precedenti comandi G e F, siamo subito confidenti che questa istruzione sposta la nostra testina di stampa lungo l’asse Z di 10mm alla velocità di 1200mm/min.
Riga 3
E10 – indica la percentuale di estrusione del materiale, quindi con questa ultima riga di esempio diremo dalla nostra stampante 3D di erogare 10mm di materiale lungo l’asse X=30 alla velocità di 1800mm/min.
Come si può capire, una volta appresa la chiave di lettura dei comandi g code, le istruzioni diventano semplici da leggere ed eventulamente da modificare; si perchè nulla ci vieta di aprire il file .gcode generato dal nostro programma di slicing e modificare a mano alcune parti.
E’ senza dubbio un’operazione delicata e da utenti avanzati, tuttavia fare qualche piccola prova ci potrebbe far apprendere meglio la conoscenza di questo linguaggio codice G.
Stampanti 3D come funzionano: il piatto di stampa
La stampante 3D è formata da moltissimi componenti, ma quello più importante dove viene incollato l’oggetto da produrre è il piatto di stampa.
Un piatto di stampa a sua volta è formato da numerosi componenti come: vetro, alluminio coperto da un tappeto elettrico, piano elettrico forato, piste in rame su base di alluminio, piste in rame inglobate di Kapton e resistenza al silicone, ovviamente l’assemblamento del piatto varia da produttore a produttore.
Piatto riscaldato stampante 3D: è necessario?
Ogni stampante che si tratti di una FDM o di una a filamenti ne possiede uno, nelle stampanti FDM migliori il piatto di stampa è sempre preriscaldato per far aderire meglio la base dell’oggetto. La temperatura del piatto generalmente si può modificare dai 30° ai 120°, avere un piano riscaldato stampante 3D prima di iniziare il processo può favorire il rilascio delle tensioni che si formano in superficie una volta che il prodotto si raffredda.
La distribuzione della temperatura non è sempre uniforme, nella maggior parte delle stampanti si concentra sul centro, quindi se si ha bisogno di utilizzare tutto il piatto fino ai bordi bisogna assicurarsi che il piatto sia completamente riscaldato. L’elemento ha bisogno di elettricità per riscaldarsi, di solito gli elementi riscaldati con alimentazione arrivano a 230 Volt. Se si ha intenzione di risparmiare elettricità perché il pezzo da stampare è piccolo, non si può fare.
Concetti come il livellare piatto stampante 3D sono fondamentali per la riuscita della stampa. Un’alternativa se si vuole un piano ben livellato, potrebbe essere utile appoggiare un vetro o un qualsiasi altro materiale sul piano della stampante.
Stampante 3D in kit
Ci sono centinaia di kit stampanti 3D in vendita, ma questo non dovrebbe creare troppa confusione perché non ci sono differenze significative tra di loro. Anche i kit stampante 3D sono divisi in 2 categorie.
Una categoria comprende i kit di stampa 3D che hanno tutte le parti necessarie nella scatola. Nella maggior parte dei casi, il loro montaggio non è molto difficile e sono incluse istruzioni dettagliate. Tenete presente però che, anche con tutte le parti incluse, dovete comunque essere degli appassionati di meccanica e conoscere le basi della geometria per assemblare il kit stampante 3D fai da te.
Inoltre, essere pronti a forare, tagliare e magari anche a eseguire qualche lavorazione personalizzata, ti permetteranno di non pentirti dell’acquisto della stampante 3D kit. In altri casi, dovrete avere un saldatore nelle vicinanze nel caso in cui l’elettronica non sia integrata. Alla fine, si tratta solo di conoscere i propri limiti e di prestare attenzione a ciò che ogni kit richiede.
L’altra categoria è quella open source, che è la più impegnativa, in quanto comporta la costruzione di una stampante 3D kit di montaggio da zero e la ricerca delle parti da soli. Tuttavia, una volta che si arriva in fondo alle cose, sarà un’esperienza gratificante. Conoscerete ogni componente, ogni bullone, ogni angolo della stampante e vi sentirete orgogliosi di ciò che avete realizzato. Tuttavia, per arrivarci, ci vorranno interminabili ore di ricerca, perché dovrete trovare ogni filo, ogni bullone, ogni dado e ci sono centinaia di parti come queste.
Come costruire una stampante 3D
Costruire stampante 3D è possibile attraverso appositi kit già selezionati oppure scegliendo in modo del tutto autonomo ogni componente.
Quando si deve costruire una stampante da zero è sempre consigliabile affidarsi ad un modello, in moto tale da avere in mente le dimensioni finali e i materiali che verranno utilizzati. Occorreranno viti, bulloni, chiavi, pinze e saldatrice ma soprattutto un minimo di esperienza nel campo dell’elettronica.
Acquistare questi materiali molto spesso è difficile, siccome si tratta di componenti specifici, ma su internet si possono trovare molti negozi online dedicati esclusivamente alla vendita dei materiali per stampanti 3D.
Assemblare una stampante fai da te prende il nome di RepRap, ossia Replicating Rapid-prototyper che sta per replicare il prototipo in modo rapido. Il primo passo è quello di trovare e acquistare un kit fai da te per il proprio progetto stampa 3D.
I kit di solito contengono la maggior parte delle parti necessarie per assemblare la stampante. Un kit fai da te per stampanti 3D è per coloro che preferiscono costruire le cose da zero, o in altre parole andare al percorso DIY RepRap.
Oltre ad alcuni vantaggi essenziali questo approccio ha anche i suoi svantaggi. In teoria può farvi risparmiare un po’ di soldi e siccome lo costruirete da zero conoscerete ogni dado e bullone in esso, fino al momento in cui potrete usarla e stampare con successo il vostro primo oggetto. Lo svantaggio principale di questo metodo è il tempo. Letteralmente ci vorrà un sacco di tempo per affrontare tutte queste centinaia di bulloni, fili, cinture e molte altre cose.
Alla fine è ancora necessario selezionare e acquistare o costruire una scheda di controllo, ma dipende dal vostro livello di abilità. Quando la parte hardware della stampante 3D sarà pronta, dovrete anche aggiungere un componente software.
In pratica fa le seguenti cose, permette di configurare la stampante e processare il file .gcode in istruzioni e gcode comandi che la stampante potrà comprendere. Prima di stampare assicurati che l’oggetto che vuoi stampare in 3d abbia le giuste dimensioni e si adatti al telaio della stampante 3D autocostruita.
Riepilogo
Questa guida offre molte informazioni sulle stampanti 3D FDM, lo scopo era quello di orientare l’utente al fine di apprendere le funzioni principali. La stampante 3D FDM, come tutti i tipi di stampanti 3D, è in grado di stampare un oggetto partendo dal primo strato fino all’ultimo, rifinendo e definendo tra uno strato e l’altro tutti i dettagli. Ogni utente dovrebbe valutare attentamente la scelta dell’estrusore che può essere la parte determinante del processo di stampa.
In questa guida, inoltre si è appreso l’importanza del g-code come codice per guidare la macchina al processo di stampaggio 3D e produrre oggetti più prestati e personalizzati sotto ogni punto di vista, attraverso il sevizio di slicing. Ma anche come il piatto sia l’elemento di tutta la stampante che più determina la qualità del prodotto, è molto importante che il piano sia preriscaldato per non arrecare usure o altri danni, se si vuole un piano più livellato occorre aggiungere un vetro o qualsiasi altro materiale.
Infine l’utente ha appreso che è possibile creare una stampante 3D da zero, attraverso un kit da assemblare con le apposite istruzioni o con l’open source, ricercando in modo autonomo ogni singolo bullone.
Conclusione
Dopo aver analizzato tutte le componenti e le caratteristiche più importanti che dovrebbe possedere una stampante 3D per essere performante, bisogna dire che per chi è ancora alle prime armi una stampante FDM potrebbe essere l’acquisto ideale perché è la stampante 3D di utilizzo molto più facile.
Abbiamo detto più volte che è molto impegnativo assemblare una stampante da zero, appunto per questo motivo è altamente consigliabile acquistare una stampante già montata, almeno come primo acquisto potrebbe rivelarsi la scelta più giusta.
Infine, la scelta dell’estrusore potrebbe confondere l’acquirente e per questo bisognerà valutare i pro e i contro di entrambi i sistemi, ma l’estrusore Bowden risulterà meno problematico nella stampa e nella progettazione dei modelli.
