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1 3DLPrinter 3DLPrinter-HD Nota Tecnica 06/14 File STL e supporti 2 Dicembre 2014

2 La stampa 3D e le sue diverse applicazioni La prototipazione rapida esiste da oltre vent anni ed è un processo in cui un singolo oggetto viene realizzato aggiungendo materiale strato su strato, seguendo un modello tridimensionale digitale. La prototipazione rapida viene anche definita stampa additiva. La tecnologia di prototipazione rapida oggi viene definita con il termine improprio di Stampa 3D, una definizione che spazia dalle stampanti hobbystiche, sino ad arrivare ai sistemi di rapid prototipyng e rapid manufacturing utilizzati a livello professionale e industriale. Si fa notare che le caratteristiche dei prodotti creati con le diverse tecnologie sono altrettanto eterogenei, cosi come lo è il risultato finale. In linea generale la prototipazione rapida si può suddividere in tre tecnologie che si differenziano per la materia prima di partenza: Solida: I dispositivi per la prototipazione rapida che impiegano componenti di partenza allo stato solido si suddividono nei modelli che impiegano una tecnologia basata sull incollaggio (LOM) o sull estrusione di un filo (FDM), quest ultime possono realizzare oggetti anche di discrete dimensioni, ma normalmente con bassa media risoluzione. Liquida: Nelle tecnologie a materiale liquido vi sono le stampanti che si basano sulla fotopolimerizzazione tramite lampade UV (DLP) o raggi laser (Galvanometriche), che consentono di realizzare oggetti minuti, ma con alta definizione. Sempre nella stessa tecnologia troviamo le stampanti che stampano a getto (Multijet modeling e Drop on demand) che possono realizzare oggetti anche di discrete dimensioni e con buona risoluzione (il costo però normalmente è elevato). Polvere: Nella tecnologia delle stampanti a polvere troviamo le stampanti basate sulla sinterizzazione laser selettiva (SLS), sia che utilizzano polimeri, sia che utilizzano metalli, oltre che le stampanti che usano polveri e legante. Anche in questo caso si possono realizzare oggetti di discrete dimensioni e con ottima risoluzione (il costo però normalmente è estremamente elevato). L impiego di una tecnologia piuttosto che l altra è una scelta da valutare secondo una serie di parametri che sono molto variegati: velocità di realizzazione del pezzo, costo finale, investimento necessario per la stampante, costo dei consumabili, resistenza e solidità dell oggetto stesso, la qualità superficiale e così via. Non esiste una tecnologia che sia migliore delle altre, per ogni applicazione va scelta quella più opportuna. E quindi fondamentale, capire le diverse tecnologie a disposizione oggi, le loro potenzialità e i loro limiti, per poter scegliere con accuratezza la tecnologia più idonea in base alle caratteristiche dell oggetto che si vuole stampare. Nella nostra nota tecnica prenderemo in considerazione la tecnologia a fotopolimerizzazione (stereolitografia) utilizzante dispositivi DLP, che è la tecnologia utilizzata nelle nostre stampanti della serie 3DLPrinter (3DLPrinter, 3DLPrinter HD e 3DLPrinter HD 2.0). Il Digital Light Processing (o DLP nell'acronimo inglese) è una tecnologia, di proprietà della Texas Instruments, applicata ai dispositivi che visualizzano immagini, come i videoproiettori di ultima generazione. Essa sfrutta un semiconduttore ottico per manipolare la luce digitale. Il microchip Pag. 2 di 20

3 DMD (Digital Micromirror Device) è ricoperto di milioni di specchi che si muovono indipendentemente l'uno dall'altro e che sono in grado di rappresentare al meglio ciascun pixel dell'immagine. Il risultato è una qualità di visione superiore alla tecnologia LCD con un alto rapporto di contrasto. Prototipazione rapida con tecnologia a fotopolimerizzazione (stereolitografia) La tecnologia si basa sull utilizzo di un materiale fotosensibile liquido (resina) che viene posto in un contenitore (vaschetta) e di un proiettore DLP collegato al computer, che proietta una dopo l altra le sezioni orizzontali dell oggetto che si vuole stampare. La luce viene proiettata nella resina facendola reagire e diventare solida strato dopo strato. Fig. 1 Rappresentazione schematica stampa stereolitografica Ogni strato (Layer) si forma sopra al precedente e costruisce l oggetto per processo additivo. Questa tecnica prevede tempi di stampa molto veloci che non dipendono dalla complessità e dal numero degli oggetti, ma solo dall altezza (diversamente dalla tecnologia laser che è legata al numero degli oggetti da stampare e dalle dimensioni). Fig. 2 Rappresentazione schematica dei layer Pag. 3 di 20

4 L importanza di un STL corretto per una buona stampa Per le nostre stampanti della serie 3DLPrinter abbiamo sviluppato il software Printer3DLP che può importare modelli in formato STL, il tipo di file più comune per la prototipazione rapida. Il formato STL utilizzabile può essere sia di tipo Binario che ASCII. Il formato STL definisce la superficie di un oggetto utilizzando triangoli. La maggior parte dei software CAD 3D può esportare direttamente l oggetto in formato STL o può disporre di strumenti per la sua conversione. E importante sottolineare che in fase di salvataggio, per non appesantire troppo il file, è consigliabile esportare l oggetto con un numero medio basso di triangoli. Nella figura seguente, a sinistra viene visualizzata la superficie parametrica di una sfera, mentre a destra viene visualizzata la stessa sfera, ma costituita da triangoli, così come viene generata nel formato STL. Fig. 3 Formato STL Come accade nella preparazione di un pezzo per una lavorazione con una macchina CNC, analogamente ci sono alcune semplici, ma importantissime considerazioni che devono essere fatte al fine di preparare correttamente un modello per una stampa 3D. Per garantire che il processo di stampa crei un oggetto perfetto, è importante adottare alcuni accorgimenti prima di avviare la stampa. Innanzitutto il modello deve avere un'unica superficie. Molte volte quando si realizza un modello, per facilità, lo si costruisce componendolo di decine o centinaia di pezzi separati, purtroppo questo approccio rende, il più delle volte, un modello non immediatamente utilizzabile per la stampa 3D. Regola numero 1 è creare un modello 3D che sia costituito da un'unica trama cioè da un'unica superficie. Per oggetti semplici questo non dovrebbe essere un grosso problema, per un oggetto complesso questo passaggio può richiedere molte ore se il modello non è stato originariamente pensato allo scopo di stamparlo in 3D. Se si ha un vecchio modello che si vuole assolutamente stampare, ci si dovrà armare di pazienza cercando di fondere vertici e spigoli fino a quando non si otterrà una solida rete contigua. Pag. 4 di 20

5 Altra cosa fondamentale è assicurarsi che non vi siano intersezioni tra le parti che compongono il modello, questo comporterebbe in fase di esportazione del file che alcuni triangoli (geometrie semplici in cui vengono scomposte tutte le figure complesse nella conversione in formato STL) potrebbero attraversarne degli altri, tagliandoli. Le geometrie dovranno perciò essere unite creando un unico solido. Regola numero 2 è dunque l eliminazione delle geometrie Intersecate. Infine, Regola numero 3: è molto importante che il modello 3D che si vuole stampare sia dotato degli opportuni supporti (esterni e interni), distribuiti per creare la struttura portante dell oggetto in fase di stampa. Quest ultima regola è forse la più difficile da capire ed applicare, ma con un pò di esperienza e con l aiuto di alcuni software, di cui parleremo in seguito, sarà tutto più facile. Fig. 4 Corretto STL Superficie parametrica e superficie rappresentata a triangoli Le figure seguenti indicano alcuni dei problemi più comuni nei file STL. Fig. 5 Errore Triangoli sconnessi vs triangoli connessi Fig. 6 Possibile errore Il vettore identifica l orientamento della normale alla superficie Pag. 5 di 20

6 Fig. 7 Errore Una superficie chiusa vs superficie con buchi L ultima operazione fondamentale da eseguire prima dell esportazione del file in formato STL è la funzione di unione booleana al fine di ottenere un unico solido ed un'unica superficie senza intersezioni. Fig. 8 Intersezione di due solidi vs unione booleana tra due solidi In sintesi, la prima operazione fondamentale sarà un attenta analisi del modello volta a capire il giusto orientamento da dare all oggetto ai fini della stampa 3D, la scelta del tipo di supporto da utilizzare e la loro disposizione. Infine, dopo che tutte le geometrie saranno state unite con una funzione di unione booleana, si potrà importare nel programma Printer3DLP il file in formato STL pronto per la stampa. Un ultima nota: una cavità completamente chiusa (come una sfera cava) inevitabilmente può intrappolare al suo interno, qualche piccola quantità di resina liquida in fase di stampa, per tale motivo è sempre meglio disegnare tali cavità con un paio di piccoli fori di scarico, uno per permettere la fuoriuscita della resina ed uno in posizione opposta per far si che non si crei depressione, in modo da favorire la fuoriuscita del liquido dall altro foro. Infine, è sempre importante tenere presente i vantaggi e le potenzialità della stampante 3D oltre ai suoi limiti, perché se si progetta un oggetto che presenta una struttura non conforme alla stampa in questione, ad esempio con troppe zone di discontinuità e quindi con troppi supporti da inserire, si rischierà una perdita di tempo e un consumo eccessivo di materiale. Le stampanti della serie 3DLPrinter possiedono notevoli potenzialità, ma anche dei limiti (come tutte le stampanti che utilizzano la stessa tecnologia) ed è fondamentale imparare a conoscerli se si vuol raggiungere un ottimo risultato finale. Pag. 6 di 20

7 Orientamento Dopo aver analizzato il modello 3D, controllando che la geometria sia corretta e che tutte le mesh (maglie di triangoli che rappresentano la superficie) siano collegate tra loro, è importante capire l orientamento ottimale da dare all oggetto per ottenere una buona stampa. Per capire come ruotare il modello 3D, bisogna considerare due concetti fondamentali: Utilizzare il minor numero di supporti possibile, sia per un risparmio di materiale, che per una veloce e più semplice eliminazione dei supporti dopo la stampa Diminuire la presenza di parti discontinue (isole) ed a 90 che necessitano di supporti Nel caso di una sfera, ad esempio, per la stampa è necessario solamente un supporto alla base. Questo perché, sezionando l oggetto con un piano orizzontale, non vengono riscontrate isole e la costruzione per strati orizzontali (Layer) avviene senza interruzioni. Fig. 9 In una sfera è necessario un solo supporto Se ci trovassimo a dover stampare un cilindro, come nella figura seguente, probabilmente d istinto metteremmo un solo supporto, sbagliando, perché l oggetto in questione contiene parti di modello a 90 che necessitano di adeguati supporti per potersi costruire correttamente. Fig. 10 Cilindro visto di fronte La scelta corretta vede l inserimento di più supporti, per garantire la costruzione della parte di cilindro posta a 90, come nella figura sottostante. Pag. 7 di 20

8 Fig. 11 Cilindro visto di lato ed in assonometria Nel caso di un cubo, con una semplice rotazione dell oggetto, riusciamo a diminuire i supporti fino ad utilizzarne uno solo. La costruzione avverrà per Layer senza discontinuità, perché non saranno più presenti parti del modello con angoli di 90. Fig. 12 Cubo corretto visto di fronte Fig. 13 Cubo con troppi supporti Di seguito, vediamo un altro esempio con due diverse geometrie. Fig. 14 Oggetto con parti a 90 Fig. 15 Oggetto con inclinazione maggiore di 90 Pag. 8 di 20

9 L oggetto della Fig. 14, nella parte sinistra, richiede supporti mentre l oggetto della Fig. 15 non li richiede (anche se, per rigidità costruttiva, sarebbe meglio metterne almeno uno all estremità). Un esempio più concreto, di quanto spiegato in precedenza lo possiamo vedere nelle figure sottostanti dove sono presenti due tipologie di anello con caratteristiche differenti. Nel primo caso, nella Fig. 16, l anello è composto da troppe geometrie con angolo minore di 90 (creazione di isole), questo richiederebbe una grande quantità di supporti oltre al fatto che la resa finale della stampa non sarebbe buona e potrebbe creare dei difetti. Nel secondo caso invece, il modello di Fig. 17 contiene parti con geometrie maggiori di 90 ed assenza di isole è quindi idoneo alla stampa senza la necessità di troppi supporti. Fig. 16 Oggetto non idoneo alla stampa Fig. 17 Oggetto corretto per la stampa Un esempio concreto di quanto detto Vediamo ora un caso reale con le diverse operazioni da svolgere per un orientamento ottimale ai fini di una buona stampa 3D: Fig. 18 Oggetto originale Pag. 9 di 20

10 Inizialmente si potrebbe pensare di orientare l oggetto in posizione orizzontale lungo gli assi x y, ma così facendo l intera geometria verrebbe posta a 90 e necessiterebbe di troppi supporti per la costruzione. Fig. 19 Orientamento orizzontale errato Si è deciso quindi di porlo in verticale (asse Z) e lungo l asse X poiché il movimento della vaschetta contenente la resina è lungo quest asse. Fig. 20 Orientamento verticale corretto Analizzando quest ultimo orientamento, si possono presentare diversi problemi: Buchi molto piccoli che potrebbero intrappolare la resina al loro interno. Griffe a 90. Parti discontinue (isole) che necessiterebbero di supporti interni all oggetto. Pag. 10 di 20

11 Fig. 21 Orientamento corretto Fig. 22 Evidenza di isole Per risolvere questi tre problemi si è deciso di inclinare l oggetto applicando due ulteriori rotazioni, la prima è un inclinazione rispetto all asse X per permettere alla resina di scorrere senza intrappolarsi nei fori presenti nell oggetto, oltre al fatto che le griffe in questo modo non sono più a 90, inoltre questo permette la creazione di supporti esterni evitando di rovinare l oggetto. La seconda ed ultima rotazione rispetto all asse Y permette invece l eliminazione di un ulteriore supporto (relativo all occhio). Fig. 23 Inclinazione in X Fig. 24 Inclinazione in Y A questo punto, provando a sezionare l oggetto con un ipotetico piano lungo l asse Z, scopriremo i punti e le zone che obbligatoriamente necessitano di supporti e provvederemo a crearli con il software CAD che preferiamo. Nelle figure che seguono abbiamo evidenziato le aree discontinue (isole) visibili sezionando il modello. Pag. 11 di 20

12 Fig. 25 Le aree discontinue (isole) sono state evidenziate con un rettangolo rosso Fig. 26 Evidenza dei supporti posti esternamente all oggetto In conclusione, il corretto orientamento dell oggetto ha permesso la costruzione di pochi e semplici supporti, che consentono di poter costruire anche i punti critici, ossia quelle parti dell oggetto che formano angoli minori di 90 rispetto al piano. Quest ultime creerebbero delle isole che non potrebbero essere stampate senza un adeguato supporto. E importante ricordare che l intersezione dei supporti con l oggetto deve poi essere unita con la funzione di somma booleana in unico solido in modo da creare un unica superficie. Pag. 12 di 20

13 Tipologie di supporti I supporti possono variare a seconda della dimensione e della forma dell oggetto, questi possono essere: Supporti cilindrici. Supporti conici, con base cilindrica ed un diametro non inferiore al millimetro. Supporti troncoconici, con base di diametro non inferiore al millimetro. Supporti con ramificazioni inclinate. Supporti con ramificazioni verso più punti. Di seguito possiamo vedere le diverse tipologie di supporto più utilizzate. Dimensione dei supporti Fig. 27 Vari tipi di supporto La dimensione del supporto è molto importante, perché ha una funzione strutturale. Il diametro del supporto non deve mai essere al di sotto di 1 millimetro, inoltre dovrà aumentare il suo diametro alla base in proporzione all aumentare dell altezza dell oggetto sempre per motivi strutturali. Solitamente se l altezza supera i 10 mm è consigliabile aumentare il diametro del supporto almeno a 2mm e oltre. E consigliabile fare sempre una prima prova di stampa, si consiglia di stampare nella prima prova circa layer, ossia la quantità minima necessaria per verificare l adeguatezza dei supporti creati. Se l oggetto viene costruito correttamente significa che i supporti riescono a reggere la struttura, se così non fosse, bisognerà aprire il file STL e modificare il diametro e la geometria dei supporti. Pag. 13 di 20

14 Intersezione tra supporto ed oggetto Dopo la creazione degli opportuni supporti, l operazione che segue, fondamentale per un buon risultato finale, è l unione booleana delle geometrie in un unico solido e quindi in un unica superficie. Per capire cosa succede all interno di due solidi intersecanti e di due solidi uniti con la funzione booleana abbiamo sezionato l oggetto con un piano lungo l asse Z. Fig. 28 Intersezione dei supporti con l oggetto Fig. 29 Unione booleana dei supporti con l oggetto Come si può notare, nella Fig. 28, le parti che costituiscono il drawing sono separate, mentre nella Fig. 29 il drawing è un tutt uno, cioè costituito da un unica superficie. Pag. 14 di 20

15 Software di editing del file STL Analisi con NetFabb Studio Spesso il modello 3D come detto in precedenza, contiene errori di vario genere. E possibile provare a correggere il file STL utilizzando uno dei molti software disponibili nel mercato. In questa nota tecnica prenderemo in considerazione uno dei più diffusi software disponibili, NetFabb Studio. Il software viene proposto in varie versioni: NetFabb Studio Basic questa versione è gratuita ed è adatta solo alla rotazione del disegno (e poco più). NetFabb Studio Private questa versione ha un costo molto contenuto e permette oltre alla rotazione anche la riparazione e la manipolazione del disegno. NetFabb Studi Professional questa versione ha un prezzo più sostenuto, ma consente la massima libertà nell editing oltre alla creazione dei supporti. La versione gratuita si può trovare nel DVD allegato alle nostre stampanti. Consigliamo vivamente però di acquistare ed utilizzare la versione Private che aiuta a risolvere la maggior parte dei problemi che si possono presentare nei file STL. Nella figura seguente riportiamo un esempio tipo ed i passi da eseguire: Importazione del modello STL nel software NetFabb Studio Private: verificare che non ci siano errori e che le superfici siano ben chiuse (se ci fossero errori verrebbe visualizzato un triangolo rosso con all interno un punto esclamativo). Fig. 30 Importazione modello con verifica possibili errori Fig. 31 segnalazione Errore Sezionamento del modello STL: Utilizzando lo strumento CutS l oggetto viene sezionato con un piano. Mentre si sposta il piano, si deve osservare con attenzione se vi sono parti discontinue che, senza un supporto, non potrebbero essere stampate, iniziando a valutare un possibile orientamento dell oggetto per diminuire la presenza delle isole e quindi dei supporti da creare. Questo per consentire un risparmio di materiale e di tempo. Pag. 15 di 20

16 Fig. 32 Visualizzazione sezioni (Cuts) Rotazione: agganciando l oggetto (Tasto destro del mouse) si può vedere l oggetto ruotato rispetto ai tre assi x y z, ciò consente di trovare il corretto orientamento in grado di ridurre la presenza di parti discontinue (isole) e parti che formano angoli minori od uguali di 90 rispetto al piano. Questa operazione può essere eseguita anche con un qualsiasi software CAD 3D. Fig. 33 Rotazione oggetto Nell esempio in questione, provando ad inclinare di circa 25 il modello, possiamo notare una diminuzione delle aree critiche ottenendo, quindi, anche una notevole diminuzione dei supporti necessari per una stampa corretta dell oggetto. Fig. 34 Oggetto inclinato Pag. 16 di 20

17 Creazione dei supporti Così come le Basi rappresentano le fondamenta di una costruzione, i Supporti rappresentano i pilastri portanti della stessa costruzione. In generale i supporti sono necessari su tutte le parti a sbalzo del modello 3D (le parti che si trovano su di un piano uguale a 90 ) e su tutte quelle zone di discontinuità, chiamate isole, che in fase di slicing ossia di sezionamento, non sono collegate tra loro. Vi sono due possibilità per poter creare i supporti corretti, la generazione automatica o la modellazione manuale. Tutti i sistemi CAD 3D contengono funzionalità utilizzabili per la generazione dei supporti. Tra i software esistenti che possono creare e gestire i supporti su un disegno 3D, noi consigliamo: Meshmixer (http://www.meshmixer.com/ ) per la creazione automatica Rhinoceros (http://www.rhino3d.com/ ) per la creazione manuale Quando ci si accinge a stampare un modello 3D con le stampanti della serie 3DLPrinter, si presuppone che si abbia a disposizione un file STL corretto e completo dei dovuti supporti. Se la stampa senza supporti può essere allettante, soprattutto per i modelli con una superficie piana, si tenga conto che i primi layer (strati più vicini alla base di costruzione) sono soggetti a restringimento e compressione e quindi è sempre meglio dotare il modello di adeguati supporti. Inoltre vi possono essere parti del modello sporgenti, dette anche a sbalzo, che in stampa richiedono sempre uno o più supporti. E importante comprendere la funzione dei supporti per il raggiungimento di un risultato ottimale, ed è importante comprendere anche che tutte le parti sporgenti interne ad una figura richiedono ugualmente dei supporti (supporti interni). Vediamo ora come creare supporti tramite i due software consigliati. Fig. 35 Supporti creati con Meshmixer Per la creazione automatica dei supporti è possibile usare il software Meshmixer: Pag. 17 di 20

18 Con la funzione analysis possiamo come prima cosa scegliere l orientamento più idoneo alla stampa, orientation. La funzione overhangs analizza il modello 3D in base alla tipologia di stampa definita (nel nostro caso sceglieremo la tecnologia DLP) ed evidenzia con un colore rosso tutte le parti che necessitano di un supporto strutturale. La funzione support generator crea i supporti necessari, da noi personalizzabili andando a modificare il valore di diversi parametri (diametro di base, forma, etc..) La funzione convert to solid unisce il modello ai supporti creati con una operazione booleana, operazione finale e fondamentale per la stampa corretta dell oggetto, perché le diverse parti che lo compongono devono essere unite in un unico solido. Fig. 36 Supporti creati con Rhinoceros Per la creazione manuale dei supporti è possibile usare il software Rhinoceros: Effettuare un Analisi preventiva delle possibili isole presenti nel modello 3D con il software Netfabb Studio, tramite la funzione Cuts. In sostanza il modello viene sezionato lungo l asse Z con un piano invisibile in modo tale da poter vedere le parti discontinue che necessitano di supporto. Successivamente si cercherà l orientamento più idoneo per ridurre il più possibile le aree critiche. Esportare il modello in formato STL e importare lo stesso nel software Rhinoceros dove vanno creati i supporti, prestando molta attenzione ad una buona intersezione con l oggetto e alla scelta della tipologia e dimensione del supporto. Applicare la funzione booleana a tutte le geometrie del modello 3D. Questa funzione è indispensabile per poter stampare in 3D l oggetto, è consigliabile farla utilizzando il software NetFabb Studio. Controllo finale con Printer3DLP Come verifica finale, dopo aver seguito tutte le indicazioni consigliate in precedenza, carichiamo (Load) il file STL nel software Printer3DLP, controllando con la funzione Slicer, la presenza di tutti i Layer in modo corretto. Pag. 18 di 20

19 Spostando il cursore, vedremo una sequenza di fotografie che rappresentano gli strati (layers) di costruzione, a partire dal Layer 0. Riportiamo due difetti tipo che possono essere riscontrati nella verifica finale: 1) Mancanza del Layer 0: in assenza del Layer 0 il file non può essere stampato in 3D Fig. 37 Mancanza del Layer 0 In questo caso consigliamo di accorciare leggermente i supporti (potrebbero esserci dei triangoli con alcuni difetti nel layer zero oppure non tutti i supporti partono dallo stesso piano); effettuando un taglio del drawing in modo da far risultare più alto il piano da cui partono i supporti si supera normalmente il problema. 2) Mancanza dell operazione booleana di unione dei volumi (mesh). Nelle figure che seguono si evidenzia il fatto che non è stata fatta la somma booleana dei vari solidi. Fig. 38 Mesh disconnesse e buchi presenti all interno dell oggetto A conclusione, si tenga presente la seguente regola fondamentale: Ottimo disegno STL = Pezzo perfetto Pag. 19 di 20

20 Robot Factory S.r.l. - Via Caltana, Mirano VE Tel - Fax: Mobile: P.IVA: Robot Factory S.r.l. reserves the right to make changes in specifications, materials and accessories without notice. No warranty is provided beyond that attached to the product. Robot Factory S.r.l. assumes no liability for any incidental or consequential, foreseeable or not, caused by misuse of its products. Pag. 20 di 20

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