stampa 3D - alberghierotermoli.gov.it · Introduzione alla . stampa 3D. Strumenti e metodi per la...
88
Introduzione alla stampa 3D Strumenti e metodi per la prototipazione
Transcript of stampa 3D - alberghierotermoli.gov.it · Introduzione alla . stampa 3D. Strumenti e metodi per la...
I n t r oduzione al l a s t a m pa 3 D
Strumenti e metodi per la prototipazione
I n t r oduzion eLa stampa 3D nasce come evoluzione della stampa 2D tradizionale.
Si può definire la stampa 3D come un processo produttivo industriale, conosciuto anche con il nome di manifattura additiva.
Tramite la stampa 3D è possibile creare un oggetto aggiungendo materiale strato su strato seguendo le istruzioni di un modello digitale.
A m bi t i d i appl i cazion e del l a st am pa 3D
- Ingegneria aerospaziale e aeronautica- Arte e Cultura- Abbigliamento- Architettura ed edilizia- Arredamento- Alimentazione- Medicina- Robotica- Automotive
A r r edam en t o e a bbi gl i a m en t o
M edi c i n a
A ut om ot iv e e r obot i c a
A l i m en t a z i on e
A r t e e Cu l t u r a
Ricost r uzion e b iga san n i t i ca
Le immagini precedenti mettono a confronto il reperto reale con la ricostruzione che abbiamo realizzato al FabLab per il museo sannitico di Campobasso.
Il progetto consisteva nel creare una copia più fedele possibile del reperto in modo da renderlo manipolabile da persone ipovedenti o non vedenti.
Oltre alla ricostruzione della biga ci siamo occupati anche dello sviluppo di un circuito elettronico basato sulla tecnologia Arduino che dava la possibilità all’oggetto di attivare una traccia audio, tramite una app, al tocco di alcuni punti sensibili.
Di f fer en ze t r a pr oduzion e addi t i v a e pr odu z i on e s ot t r a t t i v aLa produzione di oggetti solidi tridimensionali può avvenire principalmente attraverso due tecniche:
- Tecnica Sottrattiva
- Tecnica Additiva
Pr oduzion e t r am i t e t ecn ica sot t r at t i v a
Nella manifattura i metodi sottrattivi sono etichettati come metodi di produzione tradizionali e consentono di ottenere l’oggetto tagliando o scavando il materiale da una forma più grande.
Esempi di macchine che utilizzano questo tipo di tecnologia sono le frese a controllo numerico e il laser cutter.
Pr oduzion e t r am i t e t ecn ica sot t r at t i v a
Laser cutter
Fresa a controllo numerico
Pr oduzion e t r am i t e t ecn ica addi t i v a
La produzione additiva prevede di creare un oggetto attraverso la sovrapposizione di strati multipli e sottili di materiale.
Esistono diverse tecniche additive e differiscono a seconda di come gli strati di materiale sono depositati e del tipo di materiale che può essere utilizzato.
Van t aggi del l a t ecn ica addi t i v a
I principali vantaggi della tecnica additiva sono:
- Possibilità di realizzare forme complesse e dettagliate senza l’ausilio di stampi- Scarto minimo di materiale- Molteplicità dei materiali da poter utilizzare (metallo, plastica, ceramica, sabbia)- Prototipazione rapida a basso costo, prima della produzione in serie
T ipi d i t ecn ich e addi t i v e
● Selective Laser Sintering - SLS● Direct Metal Laser Sintering - DMLS● Stampanti a polveri● Laminated Object Manufacturing - LOM● Stereolitography - SLA● Digital Light Processing - DLP● Fused Deposition Modeling - FDM
St am pan t e 3D: T ec n i c h e di s t a m pa
Select i v e Laser S i n t er i n g
Tecnica di stampa che permette di sintetizzare il materiale e formare il solido tramite l’utilizzo di un laser.
Select i v e Laser Sin t er in g - S L S
● Fusione selettiva di un mezzo in un letto granulare.● Il laser colpisce i polimeri sinterizzandoli.● Il mezzo non fuso serve a sostenere le sporgenze e le pareti sottili.● Il livello di precisione di questa tecnica di stampa è quasi dieci volte superiore
alla tecnica FDM● Materiali: termoplastici, leghe metalliche e ceramica.● Costo dei materiali elevato
Di r ect M et al Laser Sin t er in g - D M L S
Questa tecnica è uguale nel funzionamento alla tecnica SLS ma si utilizzano metalli come materiale.
● Utilizzando questa tecnica avviene una fusione locale tramite laser di polveri di metallo con una granulometria molto fine.
● Si possono produrre dei layer (strati) fino a 20 micron.● Materiali: Acciaio, Acciaio inossidabile, Cromocobalto, Alluminio e leghe di Titanio.● Favorendo le post-lavorazioni sui materiali sviluppati, portando ad un risparmio di tempo
e ad un annullamento dei costi dello sviluppo di attrezzature è sfruttata nell’oreficeria.
St am pan t i a Polv er i - t es t i n e i n k jet
● Con questa tecnica si utilizza la testina inkjet che stampa su un letto di polvere (gesso, amidi, resine) un legante.
● Permette di realizzare sporgenze, infatti la polvere non raggiunta dal legante fa da supporto al modello
● Un grande vantaggio di questa tecnica è la possibilità di miscelare del colore al legante, creando oggetti con colori reali.
● Gli svantaggi sono scarsa resistenza meccanica e porosità delle superfici.● I modelli possono essere migliorati con trattamenti successivi con cere e polimeri tramite
impregnazione.
Lam in at ed Object M an u fact u r in g - L OM
● Vengono utilizzati dei materiali laminati● Viene eseguito un taglio tangenziale o laser per la separazione della sezione del
modello dal materiale di scarto.● Apparse durante gli anni ‘90, queste stampanti impiegavano meccaniche derivate da
comuni stampanti laser in bianco e nero.● Attualmente alcune aziende come Mcor Technologies impiegano una stampante laser a
colori usando la deposizione selettiva di adesivo, mentre il taglio dello strato avviene con una lama in metallo duro, e questo consente di produrre modelli in full-color con una resa cromatica migliore rispetto all’uso di polveri e collante, ed una maggiore robustezza meccanica.
● Materiali: carta, metallo e materiale termoplastico
Lam in at ed Object M an u fact u r in g - L OM
St er eol i yogr aphy
La stereolitografia è una tecnica di stampa che ci permette di ottenere un oggetto solido da una speciale resina liquida.
La resina polimerizza (indurisce) se esposta alla luce. La luce che si utilizza è un laser che ricostruisce l’immagine di una sezione dell’oggetto.
Al termine del processo di stampa, l’oggetto viene estratto dalla resina e posto in un forno a luce ultravioletta per completare il processo di polimerizzazione
St er eol i t ogr aph y
St er eol i t ogr aph y
Tecnologia diffusa sia in ambito industriale e professionale che privato, anche se le stampanti sono mediamente costose e alcune resine particolari possono avere costi molto elevati.
Digi t al L igh t P r oc es s i n g
Tecnica di stampa simile alla stereolitografia.
La principale differenza è il tipo di esposizione alla luce.
Mentre per la stereolitografia viene utilizzato principalmente il laser come fonte di luce, per le stampanti a tecnologia DLP invece viene utilizzato un proiettore.
Digi t al Ligh t Pr ocessin g
Digi t al Ligh t Pr ocessin g
Tecnologia diffusa sia in ambito industriale e professionale che privato con costi inferiori rispetto alle stampanti con tecnologia SLA, in quanto utilizza una luce digitale al posto del laser ma con qualità di stampa inferiore.
Di f fer enza di r esa t r a st am pan t i SLA e DLP
Fused Deposi t i on M odel in g
Tecnologia più diffusa soprattutto in ambito privato ma anche professionale, in quanto i costi di stampanti e materiali sono accessibili.
Fused D epos i t i on M odel i n g
Tecnica di stampa che consiste nel depositare materiale fuso su strati per ottenere l’oggetto finito.
un filamento generalmente plastico è srotolato da una bobina, che fornisce il materiale ad un ugello di estrusione, tramite il quale è possibile gestire il flusso.
L’ugello è riscaldato per poter sciogliere il materiale che si andrà a depositare strato dopo strato.
Fused D epos i t i on M odel i n g
Con questo tipo di tecnologia, il filamento, generalmente di materiale plastico, viene srotolato da una bobina, e inserito nell’estrusore, all’interno del quale è contenuto l’ugello o hot end, che viene riscaldato per permettere al filamento di sciogliersi e successivamente di poter essere depositato in strati in base alle specifiche del file.
L’estrusore si muove sia in orizzontale che in verticale tramite un meccanismo di controllo numerico.
Risoluzion e di un a st am pan t e 3D
La risoluzione di una stampante 3D è lo spessore minimo di materiale con cui riesce a realizzare un oggetto.
Di solito viene espressa in micron, e può variare da 100 a 300 micron per le stampanti con tecnologia FDM, fino a 10 micron per alcuni modelli di stampanti SLS o DLP
Più il valore di risoluzione è basso e più lo strato di materiale sarà sottile e l’oggetto più definito, infatti i layer saranno talmente sottili da conferire alle superfici dell’oggetto un aspetto liscio ed uniforme.
St am pan t e 3D: C om pon en t i
Par t i d i una st am pan t e 3D
Una stampante 3D è composta da diverse parti, ognuna delle quali svolge una funzione precisa.
Mettendo insieme le funzionalità di ognuno dei componenti si riesce ad ottenere l’oggetto 3D finito.
Piat t o d i una st am pan t e 3D
Il piatto della stampante 3D funge da base di appoggio per l’oggetto stampato.
Può essere riscaldato. Di solito si riscalda il piatto per evitare l’incurvamento della base dell’oggetto durante il raffreddamento.
Est r usor e
L’estrusore è un blocco funzionale di una stampante 3D composto da più componenti.
Nell’immagine si può osservare il feeder della stampante (motore e parte di metallo rossa).
Il feeder serve per facilitare l’inserimento del filamento nell’ hot end.
Hot End
L’hot end ha il compito di riscaldarsi per poter sciogliere il filamento e renderlo stampabile.
Al suo interno si trova anche un sensore in grado di rilevare la temperatura raggiunta, in modo da poter controllare il grado di fusione del filamento.
Con t r ol l er
Il controller della maggior parte delle stampanti 3D si basa su Arduino.
Il compito del controller in una stampante 3D è quello di gestire il movimento dei motori e quindi degli assi.
Generalmente gli assi che si muovono sono l’asse su cui si trova il piatto, l’asse su cui si trova l’estrusore e l’asse Z che serve per il movimento verticale.
St am pan t e 3D:F i l e per l a s t a m pa
Cos è un m odel l o 3D?
Un modello 3D non è altro che la rappresentazione informatica di un oggetto tridimensionale.
La creazione di modelli 3D può essere svolta tramite scansione di oggetti reali o tramite la progettazione via software.
Cos è un m odel l o 3D?
Per essere stampato, un oggetto deve essere prima trasformato in una serie di punti caratterizzati da coordinate all’interno di un volume di controllo.
Ot t en er e un f i l e t r i d im en sion ale
Per poter stampare un oggetto tramite le tecniche di stampa 3D bisogna possedere un modello tridimensionale di ciò che si vuole produrre.
Per ottenere un file contenente un modello 3D ci sono diverse possibilità:
- Scaricare il file da siti specializzati che fungono da archivio di modelli digitali.- Scansionare un oggetto realmente esistente tramite l’ausilio di uno scanner 3D- Modellare l’oggetto mediante un programma di modellazione tridimensionale
A r ch iv i d ig i t al i d i m odel l i 3D
Esistono svariati siti web su cui è possibile trovare e scaricare molti tipi di modelli 3D da poter modificare o stampare.
I modelli che troviamo sono creati e caricati da altri utenti che fanno parte della community di quel sito.
T h in giv er se
Uno dei siti più popolari e anche più forniti è Thingiverse.
Scan sion i 3D di ogget t i esist en t i
E’ possibile ottenere un modello 3D tramite delle particolari apparecchiature che permettono di scansionare un oggetto.
Gli scanner 3D permettono di ricostruire le superfici dell’oggetto da modellare, queste superfici prendono il nome di mesh.
Scan n er 3D
T ipi d i Scan n er 3D
Esistono due tipi principali di scanner 3D:
● Scanner 3D laser a tempo di volo● Scanner 3D con sistema a luce strutturata
Scan n er 3D laser a t em po di v olo
● Una luce laser viene riflessa sulla superficie dell’oggetto rilevato.● Un sensore cronometra il tempo di volo, ossia il tempo che ci mette il fascio di
laser a tornare all’origine dopo la riflessione sulla superficie rilevata.● Il principio di questo tipo di scanner è la velocità della luce costante.● La precisione dello scanner è data dalla sensibilità nella misura del tempo di
volo.
Scan n er 3D laser a t em po di v olo
Scan n er 3D con si st em a a l uce s t r u t t u r a t a
Gli scanner 3D con sistema a luce strutturata proiettano un fascio di luce sulla superficie dell’oggetto da rilevare.
La deformazione del pattern proiettato definisce la posizione dei punti che compongono l’oggetto, permettendo ad una telecamera di calcolarne le coordinate tridimensionali attraverso una triangolazione
Scan n er 3D con si st em a a l uce s t r u t t u r a t a
Fot ogr am m et r ia
Altra tecnica per ottenere scansioni di oggetti reali.
La fotogrammetria è una tecnica di rilevamento che consente di ottenere informazioni metriche (forma e posizione) di oggetti tridimensionali mediante interpretazione e misura di immagini fotografiche.
Tecnica image-based mirata ad una ricostruzione 3D accurata
Pun t i d i for za del l a fot ogr am m et r ia
● Elevata accuratezza geometrica● Elevato livello di dettaglio● Automazione● Fotorealismo● Costi ridotti● Portabilità● Flessibilità
Possib i l i ou t pu t
● Modelli digitali del Terreno/Superficie● Modelli 3D● Animazione e visualizzazione● Documentazione 3D e restauro virtuale● Disegni architettonici● Repliche fisiche● Misure industriali
W or k f low
1. Fase di presa fotogrammetrica: (scatto delle fotografie)2. Fase di triangolazione: il software individua i punti chiave su diversi fotogrammi
e determina la posizione della fotocamera al momento dello scatto di ogni foto3. Fase di restituzione fotogrammetrica: ricostruzione della geometria 3D, il
software calcola le coordinate X, Y, Z, per ogni punto
Esem pi d i fot ogr am m et r ia
M odel lazion e 3D
Un altro modo di ottenere modelli 3D è quello di crearli da zero tramite programmi di modellazione.
Esistono due principali tipi di modellazione 3D:
- Modellazione Organica- Modellazione Parametrica o Geometrica
M odel lazion e Or gan ica
La modellazione organica è la modellazione utilizzata per realizzare forme e modelli di soggetti ‘naturali’.
Questa tecnica viene utilizzata per scolpire forme da un blocco di materiale come farebbe uno scultore con l’argilla.
Può essere utilizzata da sola o affiancata alla modellazione parametrica e geometrica per ottenere forme più arrotondate.
Soft w ar e per l a m odel l azion e or gan ica
Alcuni dei software per questo tipo di modellazione sono:
- ZBrush
- Sculptris
- Blender
Soft w ar e per l a m odel l azion e or gan ica
Blender
ZBrush
M odel lazion e Par am et r i ca
Questo tipo di modellazione viene utilizzata di solito per realizzare oggetti tecnici o meccanici, o che abbiano una natura artificiale.
La modellazione parametrica fornisce una maggiore precisione dell’oggetto anche nei più piccoli dettagli.
Questa tecnica ci permette di ottenere forme tridimensionali anche dal disegno 2D tradizionale (CAD).
Soft w ar e per l a m odel l azion e pa r a m et r i c aAlcuni dei software per questo tipo di modellazione sono:
- SketchUp
- Fusion 360
- Blender
Soft w ar e per l a m odel l a z i on e pa r a m et r i c a
Fusion 360
SketchUp
M odel lazion e per l a s t a m pa 3 D
M odel lazion e per l a st am pa 3D
Un modello 3D concepito per essere stampato deve avere alcune caratteristiche specifiche.
● Deve essere composto da solidi “Manifold”● Deve essere modellato nella giusta scala
Sol id i M an i fold
Un solido manifold è un solido che esiste nello spazio 3D reale ed in cui ogni spigolo ha sempre due (e solo due) facce che si uniscono per creare il solido in questione.
Le superfici del solido non devono essere caratterizzate da “strappi”, spigoli nascosti, vertici e spigoli che non appartengono a nessun solido e le facce devono appartenere ad un solo solido.
Er r or i d i M odel l azion e
St am pan t e 3D:S oft w a r e di S l i c i n g e G -C OD E
Pr epar azion e del f i l e 3D per l a st am pa
Il file dell’oggetto che si ottiene tramite modellazione con l’ausilio dei software precedenti, non è sufficiente per far sì che la stampante 3D sia in grado di capire cosa fare per stampare l’oggetto.
Ciò che la stampante è in grado di capire sono se estrudere o non estrudere il filamento in un punto all’interno di un piano cartesiano a 3 dimensioni.
In altre parole dobbiamo essere in grado di generare un file che dica alla stampante come muovere i motori e quando estrudere il filamento.
I L G-C OD E
Il file che ci serve per fornire questi parametri alla stampante è scritto in G-CODE.
Il G-CODE è un linguaggio tramite il quale si può comandare macchine a controllo numerico come una stampante 3D. Tramite questo linguaggio si può definire il movimento e la velocità dei motori e se attivare o meno l’estrusore e a quale temperatura.
Esem pio d i f i l e G-C OD EIl G-CODE è molto difficile da scrivere a mano per un intero oggetto da stampare, viste le numerose istruzioni da definire.
Soft w ar e di sl i cin g
Esistono dei software che ci vengono in aiuto e che ci permettono di generare il file G-CODE per la stampante senza dover scrivere nessuna istruzione in maniera esplicita.
Questi software prendono il nome di slicers dall’inglese ‘to slice’, che significa ‘affettare’.
La ragione di questo nome è che la funzione principale di questo tipo di programmi è creare sezioni dell’oggetto che si intende stampare.
Soft w ar e di sl i cin g
Soft w ar e di sl i cin g
Ogni sezione che il programma crea corrisponde ad un percorso che l’estrusore deve seguire per realizzare uno strato o layer dell’oggetto.
Il percorso si traduce in coordinate sul piano cartesiano e quindi movimenti da far fare ai motori con istruzioni scritte nel G-CODE generato.
Il numero di layer corrisponde, invece, al movimento sull’asse Z dell’estrusore.
Soft w ar e di sl i cin g
I software di slicing possono fare molto altro oltre che effettuare lo slicing.
Tramite interfaccia grafica infatti, è possibile definire:
- temperatura dell’estrusore e del piatto- materiale che si intende stampare- posizione degli oggetti sul piatto- velocità di stampa- spessore del primo layer- se stampare o meno il raft- risoluzione della stampa
Con cet t o d i r i soluzion e n el l a st am pa 3D
Quando si parla di stampa 3D la risoluzione, cioè la precisione dei dettagli della stampa, varia in base al numero di layer da cui un oggetto è composto.
Ovviamente maggiori saranno i layer e maggiore sarà la precisione dell’oggetto.
Per ottenere un maggior numero di layer si possono stampare strati con spessore molto piccolo. Lo spessore dello strato dipende dal diametro dell’hot-end della stampante.
In conclusione, minore è lo spessore dello strato, maggiore sarà il numero di layer e quindi la stampa avrà una risoluzione maggiore.
Soft w ar e di sl i cin g
I software di slicing più utilizzati sono:
- Cura- Slic3r- Simplify3D
I primi due software sono open-source e gratuiti, mentre simplify3D è a pagamento.
Soft w ar e di sl i cin g: Cu r aIl programma all-in-one (slicing, g-code sending, ...) della Ultimaker, può vantare un’ interfaccia snella per i processi di slicing, ma anche un collegamento con la stampante e l’esportazione del G-CODE.
Soft w ar e di sl i cin g: Cu r a
Cura
Soft w ar e di sl i cin g: Sl i c3rSlic3r è uno dei programmi più usati di slicing, essendo compatibile con molti sistemi operativi e diversi modelli di stampanti.
Slic3r è un software open-source, quindi consente la massima personalizzazione dandoci la possibilità di modificare il codice direttamente.
Soft w ar e di sl i cin g: Sl i c3r
Soft w ar e di sl i cin g: Sim pl i fy 3DProgramma di slicing all-in-one che permette di avere a che fare con ogni parte della creazione, ottimizzazione e esportazione del modello, fino alla stampa finale in 3D.
A differenza di Cura e Slic3r, Simplify 3D è a pagamento
Soft w ar e di sl i cin g: Sim pl i fy 3D
St am pan t e 3D:M a n da r e u n ogget t o i n s t a m pa
M an dar e un ogget t o in st am pa
Una volta effettuato lo slicing sull’oggetto ed ottenuto il G-CODE, in base al tipo di stampante ci sono diversi modi per caricare il file nella stampante e lanciare la stampa.
Uno dei metodi più comuni è quello di caricare il file su una scheda SD e lanciare la stampa direttamente dalla stampante.
Altrimenti collegando la stampante 3D al computer è possibile lanciare la stampa subito dopo aver effettuato lo slicing, sia direttamente tramite software di slicing oppure tramite software di configurazione come Repetier-Host.
M an dar e un ogget t o in st am pa
Dopo che la stampa è partita, rimane da fare un’unica cosa:
ASPETTARE!
