GUIDA ALLA MODELLAZIONE PER LA STAMPA 3D

Una mesh che non presenta problematiche

Innanzitutto una piccola premessa: non tutti i modelli 3D sono stampabili.

Si è diffusa la convinzione che basti disegnare un modello 3D con il proprio software preferito per ottenere direttamente e quasi immediatamente un oggetto stampato e perfetto.
A questo proposito chi lavora in questo settore dovrebbe fare un minimo di autocritica: nelle fiere come su internet, viene spesso divulgata l'idea che stampare in 3D sia semplice mentre, in realtà, una bella stampa è frutto della conoscenza dei materiali da impiegare, delle caratteristiche delle tecnologie di stampa utilizzate e di tanta esperienza.
Capita quindi di trovarsi di fronte persone che si stupiscono della difficoltà di adeguare i loro modelli agli standard richiesti da una stampa corretta e conseguentemente anche dei costi necessari per stampare un modello.

In verità è sufficiente tenere presenti alcuni accorgimenti quando si prepara un disegno 3D per la stampa, perchè questo rispetti gli standard di modellazione, traduendosi in un immediato risparmio sul costo di realizzazione.

La tecnologia additiva, che è alla base delle stampanti che utilizziamo, prevende che l'oggetto nasca e cresca su un piano di lavoro, dal basso (nel caso della FFF) o dall'alto (nel caso della SLA), depositando via via strati di materiale uno dopo l'altro.
Si può quindi dire che la tecnologia additiva risente della gravità. Ne parleremo più avanti in questa guida, per ora non dobbiamo dimenticare questo principio quando progettiamo un modello da stampare.

Oltre a questa semplice regola, si dovrebbe considerare che le stampanti hanno una loro meccanica di costruzione, la quale si basa su assi cartesiani piuttosto che su strumenti laser, per cui sottostà ai limiti di movimento dati dalla presenza di aste, motori, cinghie e quant'altro.
Specifiche di costruzione e di funzionamento diterminano la buona riuscita di un pezzo stampato: per una stampante FFF il "limite" è dato dalla dimensione del nozzle utilizzato e dalla distanza minima di spostamento negli assi x,y,z, per una stampante SLA occorre considerare la dimensione del laser ed il passo sull'asse z.

Altro soggetto è il software di slicing. Questi software interpretano il modello e lo "ricostruiscono", creando un apposito file (in genere un .gcode) composto da tutte le istruzioni necessarie alla stampante per stendere correttamente gli strati di materiale. Tali software, che siano gratuiti, commerciali o proprietari, devono poter leggere correttamente il modello tridimensionale, in caso constrario, si verificano problemi quali false superfici, buchi nella geomeria e, nel peggiore dei casi, parti completamente mancanti.

Possiamo dire che per contenere i costi di stampa, è importante partire da un buon modello, progettato allo scopo.

Questa guida intende fornire una panoramica delle principali linee da seguire durante la progettazione di un oggetto in 3D destinato alla stampa, per dare a noi la soddisfazione di ottenere un buon risultato e a voi la soddisfazione di veder realizzato il vostro modello come lo avete immaginato.

 

PRINCIPI DI BASE

Nella stampa 3D si usano le mesh, si tratta di geometrie per cui la forma di un oggetto poliedrico è definita da vertici, spigoli e facce. Queste facce sono generalmente dei triangoli. Il programma di modellazione crea questa mesh esportando un file di formato .STL o .OBJ, che viene poi importato nel software di "slicing". I software di modellazione 3D hanno in genere plugin o features utili alla verifica ed alla correzione delle mesh esportate.
Quando una mesh presenta dei problemi, lo slicer può incorrere in gravi errori di interpretazione, causando il fallimento del processo di stampa.

PRINCIPALI PROBLEMATICHE nella geometria delle mesh

- Modelli non watertight, non solidi: il modello presenta buchi, si dice che non è "a tenuta", nel senso che immaginando di riempirlo di liquido, questo fuoriuscirebbe dall'oggetto. A seconda del software utilizzato è necessario quindi controllare che le parti del modello siano tutte unite tra loro, che non vi siano bordi aperti o buchi da cui si veda la geometria interna di un pezzo.

la mesh presenta dei fori, è aperta

Una mesh aperta, non watertight

- Bordi non manifold: nel modello vi sono alcuni bordi che collegano più di due facce tra loro. Normalmente ogni bordo dovrebbe collegare solamente 2 facce. Alcuni casi sono raffigurati nelle immagini successive.

bordi non manifold

Esempi di bordi non manifold

- Normali invertite: In matematica, una normale a una superficie piana è un vettore perpendicolare a quella superficie, che indica la direzione (interna / esterna) della superficie stessa.
Ogni triangolo della mesh ha una sua normale e tutti i triangoli devono avere la normale che "punta verso l’esterno" dell’oggetto. Se il modello, definito nel file STL fornito, contiene una o più normali invertite (cioè che puntano nella direzione opposta), i software di interpretazione (tra cui lo slicer o la stessa stampante 3D) non sono più in grado di determinare quale sia la parte interna e quale sia quella esterna dell’oggetto, generando errori.

normali delle superfici

Le frecce indicano la direzione delle normali, il triangolo rosso ha una normale invertita

- Superfici intersecanti. Errori nella progettazione, operazioni booleane o altre operazioni di costruzione, possono creare situazioni difficili da gestire in fase di stampa. Le facce intersecanti, cioè che si compenetrano a vicenda senza generare un bordo, costituiscono uno dei problemi più gravi, causando quasi sempre errori di interpretazione nei software di slicing.

superfici intersecanti

Tipologia di superfici che si intersecano invece di generare bordi tra loro

Spesso, soprattutto quando abbiamo a che fare con un modello 3D abbastanza complesso, può capitare che esistano, al suo interno, alcuni elementi duplicati o ridondanti (linee, vertici o facce in più). La superficie, espressa da triangoli, deve risultare uniforme e continua, perciò tutti gli elementi ridondanti o duplicati nella stessa posizione, posso generare problemi e vanno rimossi.

solidi con facce nascoste

Superfici ridondanti

Nel modello di destra dell'immagine soprastante, le superfici che compongono la parte inferiore del parallelepipedo inserito nel cubo non sono necessarie e possono essere rimosse. Se così non fosse si potrebbero generare buchi, superfici sovrapposte o intersecanti in fase di trasformazione del modello nella relativa mesh. Questi bordi vengono definiti con l’appellativo di “bad-edges“, di cui un sempio è rappresentato dall'immagine seguente.

bordi cosiddetti bad edges

Esempio di bad edge

- Dimensioni minime per i dettagli: è importante considerare che la tecnologia di stampa presenta alcuni limiti alla definizione del dettaglio. Un elemento stampato (come per esempio un testo inciso o a sbalzo, il dettaglio di un elemento d'arredo, come ad esempio una maniglia, in un plastico architettonico in scala, il bullone di una ruota in un modello complesso come un automobile) non può avere dimensioni o spessori troppo ridotti.
Si consideri che la presenza di questi dettagli condiziona, di fatto, la scelta del materiale di stampa più adatto (e conseguentemente della tecnologia utilizzata) andando ad incidere sui costi di realizzazione.

dettali della mesh

Dettagli di un testo 3D su superficie

- Oggetti cavi: lo spessore è importante. Gli oggetti cavi devono essere progettati con pareti di un certo spessore. Non devono esistere pareti formate solamente da una superficie. Lo spessore minimo dovrebbe tenere conto del diametro dell'estrusore che si intende utilizzare nella stampa (in genere 0,4 mm) , ma è meglio progettare la parte perchè mantenga una certa "consistenza" nella struttura finale del modello.

spessore delle pareti

Spessore delle pareti molto importante

- Densità della mesh esportata: quando si salva o si esporta il modello appena realizzato è importante considerare la densità dei poligoni utilizzati. Una mesh formata da pochi poligoni, risulta sfaccettata e la superficie in stampa manterrà questo aspetto, risultando scalettata. Quindi, a meno che non sia una scelta precisa di progettazione, è utile prestare attenzione alla risoluzione della mesh che si intende utilizzare.

definizione della mesh

Supeficie scalettata per densità bassa

Altri consigli utili

Nella stampa a filamento, quando il modello presenta delle parti inclinate o sporgenti, può risultare necessario utilizzare i cosiddetti supporti cioè strati di materiale deposto a sostegno delle parti aggettanti, affinchè queste vengano realizzate.
A volte, separare il modello in parti più semplici da stampare in modo che non sia necessario creare questi supporti, permette di risparmiare tempo e materiale plastico, ottenendo anche un risparmio effettivo nei costi.

Raccordi e rinforzi per pareti e spigoli: è utile creare dei rinforzi per ispessire e dare robustezza alle pareti ed alle parti sottili di un modello, con un sicuro guadagno in termini di durata del pezzo nel tempo e resistenza alle sollecitazioni meccaniche.

In casi in cui due parti debbano incastrarsi tra loro (come ad esempio un albero da inserire in un foro, oppure una scatola con il suo coperchio) è utile considerare una tolleranza di alcuni decimi di millimetro tra le misure dei due elementi, in quanto la deposizione del filamento plastico, produce una leggera dilatazione del materiale nello strato.
Questo problema non si presenta se si utilizza una stampante a resina, nella quale la linea di materiale polimerizzato rispecchia la dimensione del laser.

Conclusioni

Questa guida non pretende di essere esaustiva nel fornire dettagli e misure. Ogni tecnologia di stampa utilizzata ha le sue caratteristiche peculiari, le sue linee guida alla progettazione, per questo può essere utile fare le dovute considerazioni quando si intende stampare un oggetto in 3D.

Per una buona risucita di una stampa 3D, molto dipende dalla capacità, sia tecnica che artigianale, di utilizzare al meglio gli strumenti a disposizione, ma è utile e importante considerare che una buona stampa inizia con un buon disegno.

Il nostro staff, grazie alla esperienza che parte da molto lontano, è in grado di fornire un servizio di disegno e progattazione tridimensionale e può fornire, all'occorrenza, la consulenza necessaria al raggiungimento dell'obiettivo di stampare un oggetto al meglio delle possibilità.

 

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