Stampa 3D – L’affermazione delle stampanti tridimensionali ha diffuso la convinzione che stampare in 3D sia estremamente semplice e alla portata di chiunque
di Patrizia Ricci
Una simile “sicurezza”, parzialmente vera per un impiego ludico, nasconde una serie di insidie quando la stampa additiva deve essere utilizzata per impieghi professionali e industriali. Realtà nelle quali assumono un’importanza determinante i tempi, la corretta esecuzione e la qualità della stampa stessa. Tutti questi fattori dipendono dal software, che assume un ruolo chiave all’interno di ogni valutazione relativa al panorama delle tecnologie di additive manufacturing.
Per sfruttare al massimo il potenziale di una stampante 3D è essenziale conoscere anche gli strumenti software con cui si crea il progetto 3D da produrre. Cos’è un “software CAD”? Come funzionano? Cosa significa “slicing”? Queste sono solo alcune delle domande che ci si pone quando si ha a che fare con i software per la stampa 3D. Partiamo dalla base. Quando si guarda un oggetto 3D sul monitor di un computer quell’oggetto rappresenta il “modello 3D” ed ogni punto che lo definisce è calcolato matematicamente. I calcoli matematici che definiscono un oggetto 3D e lo rendono visibile sul monitor sono risolti dai software di modellazione 3D, i quali permettono di realizzare oggetti 3D digitali. Per creare e stampare modelli 3D occorrono tre tipi di software: uno per progettare l’oggetto (3D modeling/CAD software), uno per prepararlo per la stampa (Slicing/CAM software) ed uno per comandare i movimenti della macchina (Client Software).
Modellazione 3D/CAD software
Sono i programmi utilizzati per modellare in 3D. “CAD” sta per “Computer-Aided Design”, cioè “progettazione assistita dall’elaboratore”, ed identifica quell’area dell’informatica che raggruppa tutti i software di modellazione digitale nati per la progettazione di modelli in 3D. I sistemi di Computer Aided Design hanno infatti come obiettivo la creazione di modelli, in genere 3D, di un oggetto. Ad esempio, un sistema Computer Aided Design può essere impiegato da un progettista meccanico per la creazione di un modello 3D di un motore. Nella stampa 3D, tramite un file STL o altro, il CAD chiede alla stampante 3D di realizzare degli oggetti fisici. Inoltre, permette la lettura del funzionamento e dell’effetto finale (render) di un oggetto prima ancora della sua realizzazione. Il CAD è un linguaggio di programmazione orientato alla creazione di oggetti. Quindi, il destinatario del file, ad esempio una stampante 3D, lo legge al fine di concepire un prodotto reale, seguendo proprio le indicazioni fornite dal CAD. Questo linguaggio intelligente permette anche di ottimizzare la creazione di prodotti, calcolando la resistenza di un oggetto, migliorandolo, perfezionando la scelta dei materiali, simulando il costo di produzione e adattandone le caratteristiche in funzione del budget, ecc. La padronanza di un software CAD è un prerequisito fondamentale per la modellazione, mentre il file modellato lo è per la stampa 3D. In pratica, per stampare un oggetto in 3D, bisogna prima di tutto modellarlo, creandone la copia digitale in formato STL, leggibile dalla stampante. Esistono diversi tipi di software CAD, ognuno di essi funziona in modo diverso, anche se tutti hanno come obiettivo la modellazione dell’oggetto da realizzare. La differenza tra i software di modellazione 3D sta nel modo in cui avviene la modellazione stessa e la scelta di utilizzare un software rispetto un altro dipende da cosa dobbiamo modellare. Le tipologie di software CAD sono: solido, scultoreo, parametrico.
Modellazione 3D solida: i software di modellazione 3D solida si basano sulla tecnologia CSG, ossia “geometria di costruzione dei solidi”. Questa tecnologia consente di avere delle forme prestabilite, chiamate “primitive”, attraverso le quali si definiscono oggetti più complessi grazie all’unione o alla modifica di una o più primitive. Per primitive si intendono cilindri, cubi, piramidi, sfere, ecc. Questi software, semplificando notevolmente l’attività di modellazione e produzione del modello 3D, risultano decisamente intuitivi e costituiscono un valido strumento per chi è alle prime armi.
Modellazione 3D scultorea: i software di modellazione 3D scultorea permettono di creare oggetti scolpendo forme tridimensionali di base. Di solito le forme di base vengono scolpite a mano libera, permettendo di ottenere superfici più aggraziate e naturali. Si può quindi intuire come questa tipologia di modellazione 3D sia adatta per disegnare figure, facce, oggetti naturali o organici. Superfici piatte e regolari risulteranno meno precise rispetto all’utilizzo di altre tipologie di modellazione.
Modellazione 3D parametrica: i software di modellazione 3D parametrica permettono di disegnare oggetti tridimensionali usando programmi di scrittura contenenti i parametri dell’oggetto. Grazie all’impostazione dei parametri, combinando diverse forme tra loro, viene definita in modo estremamente preciso ogni minima variazione di superficie o volume.
Definito il modello attraverso i software CAD, il passo successivo è il salvataggio per la cessione del file al software slicer.
Quale formato di stampa?
Uno degli aspetti erroneamente trascurati, nella fase di pre-stampa 3D, è proprio la corretta scelta del formato del file da inviare alla stampante stessa. Non è infatti possibile inviare un progetto nel formato utilizzato per la progettazione CAD, ma occorre convertirlo in un formato adatto alla specifica stampante. In particolare, le macchine più moderne, accettano le estensioni .slt o .obj. Ma qual è il formato più adatto ad una stampa tridimensionale? Una risposta assoluta non esiste, in quanto occorre valutare le specifiche esigenze, partendo dalla corretta comprensione del funzionamento della stampa additiva. Uno dei formati più diffusi e divenuto ormai uno standard è sicuramente STL – STereo Lithography interface (.stl). Questo tipo di file permette di scomporre la superficie di un oggetto in triangoli per creare la sagoma. Le sagome più semplici richiedono meno triangoli, mentre l’aumento della complessità corrisponde a un incremento del numero di triangoli necessari. Un’alternativa che si sta progressivamente affermando è 3MF – 3D Manufacturing Format. A differenza dei modelli tradizionali, 3MF fornisce tutte le informazioni relative alla stampa: colore, orientamento, mesh, texture e materiali da utilizzare. Offre inoltre la possibilità di passare agevolmente da un filamento ad un altro. Una serie di stampanti, infine, richiedono l’estensione .obj. Si tratta di un formato open source, particolarmente utilizzato nelle stampe 3D multicolori, registra una serie di dati come coordinate, mappe di texture, informazioni sui colori e file di texture. Inoltre contiene un formato immagine tridimensionale standard, che può essere esportato e aperto utilizzando diversi programmi di editing di immagini 3D. Questi tre esempi di formati (ma ne esistono numerosi altri), fanno capire quanto il settore della stampa tridimensionale stia vivendo una fase di evoluzione, con la necessità di poter salvare i propri progetti nel formato più adatto alla specifica esigenza o alle caratteristiche della stampante che si andrà ad utilizzare. Anche per tale ragione, in fase di scelta del software di progettazione, occorre valutare la sua capacità di salvare il lavoro nel formato adatto.
Slicing/CAM software
Lo slicing è il passaggio intermedio tra la modellazione e la stampa 3D. Il “Computer-Aided Manufacturing“, che significa fabbricazione assistita da computer, converte i modelli 3D in comandi meccanici, i quali permetteranno alla stampante 3D di capire cosa deve fare e come deve muoversi. Il CAM software è comunemente chiamato “Slicer”. Molti programmi integrano strumenti CAD con quelli CAM, nel senso che permettono all’utente sia di disegnare modelli geometrici, che di generare le istruzioni per una macchina utensile. Questi programmi sono detti di CAD/CAM. I programmi di CAD/CAM non hanno bisogno di usare un file di scambio per passare il modello geometrico dalla funzione di CAD a quella di CAM.
A cosa serve uno Slicer?
Come già detto, i software slicer permettono di convertire il modello 3D in istruzioni che dialogano con la stampante 3D, impostando tutti i parametri di stampa. Le istruzioni sono recepite dalla stampante grazie ad un codice specifico, chiamato G-code. Durante il processo di slicing, l’obiettivo è quello di impostare e ottimizzare alcune caratteristiche di stampa del modello, fornendo attributi che, durante la stampa e a posteriori, possono influire sulla velocità di realizzazione e sull’aspetto/comportamento dell’oggetto stampato, oltre a quello di esportare il file 3D in un formato riconoscibile e leggibile dalla stampante. È possibile, ad esempio, impostare l’altezza dello strato (Layer Height);la larghezza delle pareti (Shell Thickness); la densità di riempimento (Fill Density) o il tipo di supporto (Support Type, per strutture a sbalzo che hanno bisogno di supporti per garantire l’integrità strutturale). Mentre alcuni dettagli a volte possono essere dettati direttamente dalla stampante utilizzata: ad esempio, la velocità (Print Speed) oppure la temperatura di stampa (Print Temperature, da determinare a seconda del materiale con cui si vuole stampare). Un’altra serie di impostazioni importanti da caricare nel programma di slicing sono le informazioni relative alle caratteristiche tecniche della stampante 3D in uso (chiamati “profili”), pressoché unici per ogni stampante e ottenibili di norma sul sito delle stesse.
Client software
È il software di controllo della stampante 3D. Serve per dare le istruzioni di stampa e per impostare la macchina che si intende utilizzare. Attraverso questo software è possibile lanciare un oggetto 3D in stampa, metterlo in pausa o bloccarlo, impostare parametri come le temperature del piatto e dell’estrusore. Solitamente, i client sono anche dotati di un’interfaccia che ci aiuta a livellare il piano di stampa e a correggere la posizione degli assi di stampa. Esistono client software open source e client software proprietari, ossia progettati esclusivamente per certi modelli di macchine. In questo scenario la scelta corretta dello strumento di progettazione diventa elemento strategico per l’azienda. La piattaforma software e hardware deve rispondere a precise necessità e avere anche la giusta dose di scalabilità necessaria ad assecondare la crescita dell’azienda.
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