Processo di stampa 3d : dall’idea all’oggetto finito

Indipendentemente da quale sia la tecnica di stampa 3D scelta (per un elenco delle principali tecniche puoi vedere il mio precedente articolo “Stampa 3d : Tecniche di additive manufacturing”) vi sono delle fasi da seguire per realizzare un prodotto.

Il miglior flusso di lavoro a mio avviso è mutuabile dal mondo della Lean Manufacturing ed è noto come ciclo di Deming (o ciclo PDCA), utilizzato poi in moltissimi ambiti per il raggiungimento della qualità dell’artefatto prodotto.

Questo ciclo prevede appunto le 4 fasi da cui prende il nome:

• Plan
• Do
• Check
• Act

ed è un processo iterativo, che si ripete N volte fino al raggiungimento della soluzione al problema di partenza.

La versione rivista e corretta che si mappa sul mondo del processo di stampa 3d è a mio avviso il seguente:

• Pianificazione
• Design
• Realizzazione
• Misurazione

Ognuna di queste fasi può a sua volta essere divisa in varie sotto attività che vederemo in seguito.

Come anticipato sopra, questo processo è iterativo, ovvero dopo la fase di valutazione, in base ai risultati ottenuti, si riparte con un nuovo processo di pianificazione, design etc… fino a raggiungere il risultato desiderato.

Fase 1 del Processo di stampa 3d: Pianificazione

Corrispondente alla fase Plan del ciclo PDCA è la fase in cui vengono create delle ipotesi e delle aspettative che l’oggetto deve avere. Questa fase può o meno contenere le seguenti sotto fasi:

L’idea

Senz’altro il fulcro di tutto il processo. L’idea è la scintilla da cui parte tutto l’iter. E’ inutile sottolineare come il processo di stampa 3D permetta di dare libero sfogo a (quasi) qualsiasi idea, c’è solo l’imbarazzo della scelta. L’idea può derivare da un’esigenza ( un pezzo sostitutivo di qualcosa), la curiosità ( realizziamo dei componenti che poi assembleremo per creare qualche cosa di diverso), la fantasia ( riproduciamo un personaggio del cartone preferito di nostro figlio) e così via.

Riferimenti

Qualsiasi lavoro da svolgere, che sia la realizzazione di un oggetto di fantasia, piuttosto che la duplicazione o la creazione di un oggetto a partire da qualcosa di reale, ha bisogno di riferimenti su cui basarsi. Questi possono tanto essere una serie di foto / immagini a cui rapportarsi, tanto un disegno, quanto una serie di misurazioni su un oggetto reale. Difficilmente si può prescindere dall’avere un riferimento, soprattutto perché per quanto possiamo immaginare chiaramente una cosa, quando poi si va a mettere “nero su bianco” la propria idea, sicuramente ci saranno cose da consolidare, avere un riferimento è essenziale in questo passaggio.

Fase 2 del Processo di stampa 3d: Design

Successiva alla fase di Pianificazione, o Plan, vi è la fase di Design, che rientra nel ciclo di Deming nella fase di Do ( come vedremo in seguito non è l’unica per quanto riguarda il nostro flusso di lavoro).

È la fase in cui si trasforma la propria idea in un artefatto digitale, questo può essere fatto tanto in prima persona, mediante dei software di modellazione tridimensionale, tanto sfruttando il lavoro già svolto e condiviso da altri, ricercando il modello di interesse direttamente online.

Modellazione CAD

Una volta chiaro l’obiettivo da raggiungere vi è la fase di modellazione. Per poter realizzare il modello desiderato si fa uso di appositi software detti CAD (computer-aided design) che permettono di “disegnare” il modello in tre dimensioni mediante l’utilizzo di geometrie semplici (cubi, sfere, piramidi) e una serie di operazioni che si possono fare su di essi (unione, differenza, estrusione, ect…) piuttosto che con una modellazione mediante linee che poi vengono elaborate per realizzare l’oggetto tridimensionale.

Di programmi ce ne sono di tutti i tipi e ottimizzati per il più disparato uso, i più noti sono Autodesk Fusion 360, Autodesk Maya, Blender, SketchUp, OpenSCAD, Sculptris solo per citarne alcuni. Menzione a parte merita Tinkercad, applicativo dall’uso molto semplificato (seppur un pò limitato quando si prova a realizzare qualcosa di più complesso) e fruibile interamente online.

Fattore comune di questi applicativi è la possibilità di salvare o esportare il modello realizzato in formato STL , il formato usato come standard de facto dai software che vedremo nelle fasi successive del flusso di lavoro.

Ricerca modello online

La modellazione tridimensionale permette di sprigionare un potenziale immenso, ma se ci affacciamo per le prime volte al mondo della stampa 3D è molto probabile che non abbiamo (ancora) competenze e abilità nella modellazione di oggetti. Questo non è una limitazione, in quanto uno dei vantaggi della fabbricazione digitale è quello di poter utilizzare modelli sviluppati anche da altri e/o altrove senza bisogno di dover sapere utilizzare programmi di modellazione.

Proprio a tal fine sono nati vari portali che permettono di condividere i propri modelli realizzati e allo stesso tempo di trovarne di sviluppati da altri per poterli utilizzare (sia per apportarne eventualmente modifiche e miglioramenti, sia per usarli così come sono). I modelli possono essere sia gratuiti che a pagamento, dipende dalla scelta fatta dal creatore.

I più noti portali in tal senso sono:

• Thingiverce.com
• Pinshape.com
• GrabCAD.com
• YouMagine.com
• Cults.com
• MyMiniFactory.com

In aggiunta a questi sopracitati, si stanno facendo sempre più spazio dei veri e propri motori di ricerca per file STL che hanno come mission fare per i modelli 3d quello che google fa per i siti web, i più popolari sono:

• Yeggi
• STLFinder Search Engine
• STL Base
• Zimple3D
• 3dFindIt

Fase 3 del Processo di stampa 3d: Realizzazione

Seconda parte del nostro processo che si mappa con la fase Do del ciclo di Deming è la fase di Realizzazione, in cui si passa dall’oggetto digitale e quindi dematerializzato, all’oggetto fisico reale e quindi tangibile. Questa fase si può dividere nelle seguenti sotto fasi, che vengono svolte in cascata tra loro.

Conversione STL in G-Code

Per poter fare si che la stampante sia in grado di comprendere cosa vogliamo che faccia abbiamo bisogno di qualcosa che trasformi il nostro oggetto digitale, ovvero il file stl, in un linguaggio comprensibile dalla stampante.

Questo linguaggio è il linguaggio g-code (almeno per la maggioranza delle stampanti amatoriali) e la categoria di applicativi che effettuano questa conversione sono detti slicer.

Il nome deriva dalla loro funzione che è appunto quella di dividere in fette (slice in inglese) il modello.

Il criterio con cui viene svolta questa operazione dipende da delle proprietà meccaniche della stampante utilizzata e dalle caratteristiche che si desidera ottenere per l’oggetto da elaborare.

La mole di parametri settabili è decisamente vasta e approfondiremo i principali in un prossimo articolo, ma giusto per capire di che stiamo parlando ci riferiamo ad altezza di ogni singolo livello (layer in inglese), temperatura del piatto di stampa e dell’estrusore nel caso delle stampanti fdm, presenza o meno dei supporti, percentuale di riempimento dell’oggetto e così via.

Tutti questi attributi permettono al software di calcolare il miglior percorso da far seguire alla stampante per realizzare l’oggetto e vengono salvati in un file formato da una serie di comandi interpretabili dalla macchina con estensione “.gcode”.

I principali software utilizzati, giusto per citarne alcuni, sono:

• Ultimaker Cura (gratuito)
• Idea Maker (gratuito)
• PrusaSlicer (gratuito)
• Slic3r (gratuito)
• Simplify3D (a pagamento)

Setup della macchina

Prima di poter iniziare a stampare dobbiamo caricare nella stampante il materiale di stampa, l’equivalente dell’inchiostro nelle stampanti tradizionali. Il materiale cambia a seconda delle tipologie di stampante, bobine di filamento per le stampanti FDM, resina liquida per quelle SLA, e anche per la stessa tipologia, ad esempio le bobine, ce ne sono di svariati: PLA, PETG, ABS, Nylon e chi più ne ha più ne metta.

Inoltre un altro passaggio da effettuare, o quanto meno verificare, è il livellamento del piatto di stampa, essenziale per la buona riuscita della stampa stessa.

In ultimo va caricato il file “gcode” realizzato durante il processo di slicing sulla macchina, questo può avvenire tanto mediante una scheda sd, tanto con una pennetta usb, tanto collegando direttamente la stampante al pc.

Stampa

Sicuramente la fase più attesa. Vedere la stampante iniziare a muoversi e far crescere dal nulla l’oggetto strato su strato ha un effetto quasi ipnotico su molti. In realtà questa fase ha bisogno di essere monitorata principalmente nei momenti iniziali (diciamo i primi 15/20 minuti) e, se non si verificano problemi, a quel punto non ci resta altro che aspettare e aspettare e … aspettare. Eh già, le stampanti 3d sono una tecnologia molto lenta rispetto agli standard a cui ormai siamo abituati, per realizzare un oggetto puó passare qualche ora, anche se non è raro che vengano impiegate diverse decine, se non un centinaio di ore, molto dipende anche dalle dimensioni e caratteristiche dell’oggetto da stampare.

L’unica cosa che si può fare è armarsi di tanta pazienza e, piuttosto che rimanere tutto il tempo a supervisionare il lavoro, tornare di tanto in tanto dopo la fase iniziale di avvio giusto a verificare che tutto stia procedendo secondo programma.

Fase 4 del Processo di stampa 3d: Misurazione

Ed eccolo li, l’oggetto che avevamo fin’ora immaginato è finalmente davanti ai nostri occhi. Inizia a questo punto la fase di Valutazione, o Check, di quanto fatto ed eventualmente la fase di post produzione (Ack).

Valutazione

In base all’utilizzo che va fatto dell’artefatto prodotto si deve procede a una validazione dello stesso.

Prima di poter effettuare questo passaggio si procede prima ai primi step della post produzione: rimozione dal piano di stampa e eventuale rimozione dei supporti.

In questo passaggio di valutazione si verifica ad esempio se l’oggetto prodotto corrisponde nelle misure a quanto atteso, piuttosto che abbia la necessaria resistenza alle sollecitazioni, o ancora che l’aspetto sia come ci aspettavamo. In caso positivo si prosegue con le successive azioni di post produzione, mentre se c’è qualcosa da regolare si riparte col ciclo iniziando una nuova pianificazione, design, realizzazione in un processo iterativo che va man mano affinando l’oggetto finale fino ad ottenere la qualità voluta.

Post-produzione

Chi più chi meno, tutte le tecniche di stampa 3d hanno bisogno, una volta realizzato un oggetto, di una fase di post produzione.
Il primo step è sicuramente quello di rimuovere l’oggetto dal piano di stampa.

I passaggi successivi dipenderanno molto dalla struttura dell’oggetto stampato e dalla finalità dello stesso.

Ad esempio alcuni modelli potrebbero aver bisogno di rimuovere i supporti di stampa; altri potrebbero aver bisogno di essere carteggiati per correggere piccole difettosità e per poter applicare successivamente un fondo, o primer, ed essere verniciato.

Per le stampe in resina inoltre è essenziale che al termine della stampa gli oggetti vengano lavati per eliminare i residui non polimerizzati di resina .

Fase finale del Processo di stampa 3d: Applicazione dell’oggetto finito

Complimenti, abbiamo appena realizzato un oggetto frutto della nostra immaginazione. La soddisfazione è già grande nell’esserci riuscito, aumenta ancor di più quando vediamo questa creazione nel posto in cui l’abbiamo pensata, che sia un oggetto decorativo, un componente di ricambio o un ingranaggio per qualche opera più grande vi assicuro che la vostra autostima aumenterà notevolmente nel vederlo all’opera.

C’è da dire che il processo di stampa 3d, per quanto si ipotizzi in futuro sia utilizzato al pari delle stampanti 2d classiche, presenta ancora una curva di apprendimento e una osticità intrinseca per l’utenza media.

Man mano che la tecnologia sta maturando a livello consumer queste cose stanno lentamente cambiando, ma per ora armatevi di molta pazienza e spirito di sacrificio se volete cimentarvi nel mondo della stampa 3d, di contro posso solo dirvi che, una volta scoperchiato questo vaso di pandora, le possibilità e la soddisfazione saranno immense, così come a volte la frustrazione!