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22/10/2014

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Stampa 3D: dal dire al fare

Tutti i passi necessari per produrre oggetti, tra sistemi e software

Come per utilizzare una stampante tradizionale è necessario avere i contenuti da stampare (testi, disegni o immagini) in forma elettronica, nello stesso modo per utilizzare una stampante 3D è necessario disporre di modelli matematici 3D, che appositi programmi trasformano in una serie di comandi operativi da inviare alle stampanti per realizzare gli oggetti fisici. Per produrre un oggetto con una stampante 3D, è necessario realizzare una sequenza di operazioni che comprende tre passi principali: 

1. creazione di un modello 3D, in formato adatto per la stampa 3D (es. file STL o OBJ); 

2. ‘affettatura’ (slicing) del modello nei vari strati (layer) che saranno prodotti successivamente dalla stampante e creazione del file con i comandi per la stampante (G-Code);

3. trasferimento del G-Code nella stampante, interfaccia utente e controllo della macchina durante la stampa.

Come ottenere un modello 3D
Un modello 3D si può ottenere in vari modi: modellazione 3D, scansione 3D, archivi e marketplace di modelli 3D, cataloghi tecnici e siti web di produttori. La modellazione 3D è il metodo più generale, che permette di realizzare qualsiasi modello 3D in base alle proprie esigenze. È ovviamente necessario possedere le necessarie competenze tecniche relative alla progettazione e alle tecniche di modellazione 3D, la disponibilità e la conoscenza degli opportuni strumenti software. È altrimenti possibile commissionare la realizzazione di un modello 3D a professionisti o a centri servizi specializzati in modellazione 3D. Ci sono diversi tipi di programmi di modellazione dei solidi, che si prestano ad applicazioni differenti. I metodi principali utilizzati sono la modellazione geometrica (modellazione poligonale), che costruisce i modelli come insiemi di figure geometriche semplici, particolarmente adatta per rappresentare parti meccaniche, e la scultura, che utilizza un’interfaccia ‘a mano libera’ per modellare la superficie informe di un ‘blob’ nell’aspetto desiderato, come facce o figure. Le strade che si possono seguire per imparare la modellazione 3D sono diverse. Si possono acquistare e studiare libri, si possono frequentare corsi in aula, corsi on-line e tutorial a pagamento o gratuiti. Alcuni sito web, come grabcad (www.grabcad.com) offrono notevoli risorse per la modellazione 3D sia per principianti che per utenti esperti, come motori di ricerca per trovare tutorial sulla modellazione 3D con i programmi grafici di proprio interesse e archivio da cui scaricare modelli 3D gratuiti.
La scansione 3D permette di ottenere un modello digitale di un oggetto fisico esistente. Il vantaggio è quello di ottenere velocemente un modello 3D, ma è necessario possedere uno scanner 3D e saper utilizzare il relativo software di gestione. La limitazione è costituita dal fatto che è necessario possedere l’oggetto da scannerizzare e non è possibile realizzare modelli di oggetti nuovi. Si possono creare oggetti simili a quello scannerizzato modificando il modello prodotto dallo scanner con un software di modellazione grafica. Gli utenti che cercano semplici oggetti di uso comune e non hanno particolari esigenze di personalizzazione, possono consultare i siti web che contengono archivi di modelli 3D scaricabili gratuitamente o con costi molto bassi, come Thingiverse (oltre 30.000 modelli tridimensionali in formato STL), Cubify e The Free 3d Models, che permettono anche un certo livello di personalizzazione su alcuni modelli. Per trovare i modelli 3D che più si avvicinano alle proprie esigenze, vengono in aiuto anche i motori di ricerca di modelli 3D che effettuano la ricerca all’interno di diversi repository. Ovviamente questi siti sono adatti a chi cerca una tazza, una lampada o un soprammobile, ma non a chi cerca la girante di un turboreattore o la testata di un motore da competizione. Oggetti di design o comunque più complessi sono disponibili nei marketplace specializzati, come Shapeways, dove è possibile comprare e vendere modelli 3D. Alcuni siti offrono anche la possibilità di stampare con diversi materiali il modello acquistato. Alcuni siti come Partcommunity.com e 3Dcontentcentral.com permettono di scaricare gratuitamente o a pagamento modelli 2D e 3D di prodotti finiti o parti di ricambio realizzati dalle aziende produttrici.

Per la creazione di modelli 3D per prototipazione digitale, prototipazione rapida e manifattura additiva esistono moltissimi strumenti software, prodotti commerciali, shareware, freeware e open source adatti alle esigenze più diverse.

Per creare e stampare i modelli 3D sono necessari quattro tipi di software:

I programmi di modellazione 3D, utilizzati per realizzare i prototipi di oggetti fisici, prevalentemente pacchetti software CAD (Computer-Aided Design), generano file in formato STL o simili. Per creare un file STL (Standard Tessellation Language) il software deve eseguire la tassellizzazione o triangolarizzazione (mesh) della superficie interna ed esterna del pezzo attraverso elementi triangolari (facets). Poiché gli oggetti descritti dai modelli matematici, per essere stampabili devono avere particolari requisiti geometrici e topologici, esistono programmi specializzati (editor stl) che verificano la realizzabilità fisica del modello. 

I programmi che convertono il modello in istruzioni meccaniche per la stampante. Sono software CAM (Computer Aided Manufacturing) comunemente indicati come slicer o motori di slicing.
Il software di controllo della stampante (client), che trasmette queste istruzioni alla stampante e allo stesso tempo fornisce un’interfaccia in tempo reale alle impostazioni della macchina. 

Software per modellazione 3D
I programmi di modellazione poligonale rappresentano gli oggetti usando migliaia di piccolissimi triangoli disposti in una griglia (mesh) che definisce la forma delle superfici. I pacchetti software professionale commerciale più diffusi per creare modelli 3D sono Solid Works e Catia (Dassault Systèmes), Autocad 3D, 3DS Max e Maya (Autodesk), Rhinoceros (Rhino), Pro/E e Creo (PTC), NetFabb Studio, ZBrush (Pixologic), Bonzai3D (AutoDesSys). Anche Adobe Photoshop CC ha alcune funzionalità per supportare la stampa 3D I software gratuiti più utilizzati sono Blender e Sketchup, affiancati da una pletora di altri strumenti open source/freeware tra cui Tinkercad (il software 3D più semplice, con cui si disegna direttamente nel browser), 3Dtin, FreeCAD, OpenSCAD (CAD parametrico), Art of Illusion, K-3D, 123Design e Spark (Autodesk), Sculptris (Pixologic). 123DAPP è un sito realizzato da Autodesk per supportare le applicazioni 123D (alcune disponibili anche per tablet) che permettono di creare modelli 3D. Possono essere utilizzate gratuitamente applicazioni come 123D Creature che crea e stampa in 3D modelli di creature fantastiche, 123D Design per la modellazione 3D, 123D Catch che genera modelli 3D dalle foto e 123D Make, che genera modelli 3D da forme 2D. Tra i principali software per lo scanning 3D e la costruzione di modelli da immagini 2D, oltre a quelli forniti a corredo degli scanner 3D, sono diffusi i programmi ReconstructMeOt, Scanect, 123D Catch e Photo2Mesh.

Software per gestire e riparare modelli 3D e file STL
Non sempre un file 3D concepito per fare un rendering è anche adatto per la stampa 3D. Per ottenere modelli stampabili senza problemi, bisogna adottare alcuni accorgimenti nella modellazione. Infatti, un file 3D per essere ‘stampabile’ deve avere determinate caratteristiche: deve essere un file 3D Poligonale (mesh), deve essere un solido chiuso e non deve avere facce mancanti, pareti o geometrie che si intersecano, doppie superfici. Gli Editor STL permettono di verificare la correttezza formale dei file STL e se gli oggetti rappresentati sono fisicamente realizzabili da una stampante 3D. I più
diffusi sono Netfabb, MeshLab (STL editor multi-piattaforma open source prodotto dall’Università di Pisa), MiniMagics (STL Editor di Materialise), GOM Inspector, MeshMixer e K-Studio. 

Motori di Slicing (Slicer)

Una volta ottenuto un modello 3D privo di errori, questo deve essere convertito in specifiche istruzioni che comunicano alla stampante le istruzioni operative. I software slicer, detti anche motori di slicing o programmi di taglio, convertono il modello 3D in istruzioni per la stampante 3D, impostando tutti i parametri di stampa espressi in codice-macchina (G-code). Durante il processo di slicing oltre a creare un file 3D in un formato riconoscibile e leggibile dalla stampante, vengono anche impostate e ottimizzate alcune caratteristiche di stampa del modello, che possono influire sulla velocità di realizzazione e sull’aspetto/comportamento dell’oggetto stampato, come altezza dello strato (Layer Height), larghezza delle pareti (Shell Thickness), densità di riempimento (Fill Density), tipo di supporto (Support Type, per strutture a sbalzo che hanno bisogno di supporti per garantire l’integrità strutturale), velocità/temperatura di stampa (Print Speed/Temperature), da determinare in funzione del materiale da stampare.
Viene anche calcolata la quantità di materiale richiesta. Storicamente, molte stampanti per preparare il G-Code dai file del modello utilizzavano lo slicer open source Skeinforge (una serie di script in Python), che però è molto lento e ormai superato. In seguito sono apparsi programmi di taglio più potenti e moderni. Il più conosciuto è Sclic3r, realizzato dall’italiano Alessandro Ranellucci, affiancato da altri programmi open-source e commerciali come Cura (Ultimaker) e KISSlicer, disponibile inversione free e pro, che vanta alcune caratteristiche avanzate, come il riempimento sparso (per esempio più materiale vicino ai bordi della stampa e meno al centro) e un supporto multi estrusore (utilizzando diversi materiali per separare i modelli, per le strutture di sostegno e riempimento). Simplify 3D integra al suo interno vari meccanismi di riparazione mesh, riduzione complessità modello, eliminazione automatica problemi, dispone di un motore di slicing molto veloce e integra un proprio G-code viewer, così prima di stampare si può controllare se il codice che verrà inviato alla stampante è corretto. Inoltre si possono definire strutture di supporto personalizzate e diverse percentuali di infill per il modello (percentuale di ‘pienezza/densità’ che il modello avrà). Per esempio, se serve un guscio robusto e un interno leggero, si può dire alla stampante di fare i primi strati con il 60 % di infill, e gli strati interni con il 25%. Oltre ai programmi slicer autonomi, sono molto diffusi anche pacchetti client integrati nelle stampanti, come Replicator G e Pronterface, che permettono di caricare e tagliare direttamente i modelli 3D. Replicator G, usato da molti produttori di stampanti 3D e disponibile per Windows, Linux e Mac OS X, può stampare file in formato STL e G-Code. MakerBot (ora parte di Stratasys) utilizza il sistema integrato MakerWare. Le stampanti professionali di fascia alta utilizzano quasi tutte sistemi proprietari con caratteristiche avanzate.

Printer Control/Client Software
Il software di controllo della stampante 3D (client) riveste una fondamentale importanza nel processo che porta dal modello all’oggetto finito. Il client è sostanzialmente il pannello di controllo in tempo reale della stampante. Fornisce un’interfaccia software per iniziare, fermare o mettere in pausa il processo di stampa, così come impostare la tempera-
tura dell’ugello dell’estrusore e il riscaldamento del piano di lavoro. Il client permette anche di muovere la testina di stampa in ogni direzione e di eseguire il livellamento, la calibrazione del piano di lavoro e l’azzeramento manuale.
Tradizionalmente la maggior parte delle macchine di fascia bassa erano controllate da ReplicatorG. Recentemente sono apparse alcune alternative come la suite di Printrun e Repetier-Host che sono le più evolute e usate. Quando il client è in uso, la sua funzione principale è quella di mandare istruzioni alla stampante attraverso una connessione Wi-Fi, USB o Ethernet. Microsoft Windows 8.1 ha iniziato a supportare alcune stampanti 3D e ha sviluppato un nuovo formato per i file di stampa, il 3D Manufacturing Format (3MF), basato su XML, che a differenza del più diffuso STL supporta anche i colori e i materiali. La pipeline di stampa 3D è molto simile a quella per la stampa 2D. l’utente sceglie la stampante in un elenco, seleziona le varie opzioni e avvia la stampa. L’applicazione converte il modello 3D nel formato 3MF, che il driver della stampante converte a sua volta in G-Code. Integrando il supporto per la stampa 3D nel suo sistema operativo, Microsoft permetterà ai produttori di far interagire i propri sistemi con Windows 8.1 con maggiore facilità e a costi inferiori. In molte stampanti, gli ultimi due software sono incorporati. Molte stampanti 3D sono in grado di gestire queste operazioni in autonomia, senza la necessità di una connessione al computer. In questo caso il programma client esterno non è necessario poiché è già incorporato nella stampante, che legge ed esegue le istruzioni CAM da una scheda SD o una memoria USB collegate direttamente alla stampante. 

 

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