Nozioni di base sulla stampa 3D

Una stampante 3D è uno strumento di produzione utilizzato per creare artefatti tridimensionali che sono stati progettati su un computer. Le stampanti 3D hanno una vasta gamma di forme, dimensioni e tipi, ma in sostanza sono tutte macchine per la produzione di additivi controllati da computer. Simile al modo in cui le stampanti di carta posano l'inchiostro in uno strato per creare un'immagine, le stampanti 3D posano o curano il materiale strato per strato per creare un oggetto tridimensionale.

Le stampanti 3D hanno una vasta gamma di applicazioni; i progettisti li usano per testare le idee dei prodotti, le aziende manifatturiere li usano per creare parti complicate per gli assiemi e i produttori li usano per la fabbricazione fai-da-te per tutto ciò che possono immaginare. Sebbene i diversi tipi e usi delle stampanti 3D variano ampiamente, tutte le stampanti 3D possono essere semplicemente descritte come strumenti; permettono alle persone di fare cose che prima non potevano fare.

Da questa guida imparerai cosa sono le stampanti 3D, come funzionano, quando dovrebbero essere utilizzate e come progettarle e utilizzarle. Fornirò anche alcune risorse per l'acquisto di stampanti e servizi di stampa 3D. Una volta che hai finito, spero che sarai in grado di stampare alcune cose da solo!

Passaggio 1: Cos'è la stampa 3D?

Le stampanti 3D come macchine rientrano in un paio di categorie diverse. Sono controllati da un computer, rendendoli macchine a controllo numerico o computerizzato a controllo numerico. A causa del modo in cui funzionano le stampanti 3D, vengono definite macchine di produzione additiva. Invece della macchina che taglia o fora parti di un blocco di materia prima per formare una certa forma (produzione sottrattiva), le stampanti 3D aggiungono materiale poco a poco per formare il loro lavoro, rendendole macchine per la produzione additiva. Riassumendo, ciò significa che le stampanti 3D sono macchine controllate da computer che aggiungono materiale per creare una forma che gli dici di creare.

Rispetto ad altre macchine industriali a controllo numerico, le stampanti 3D sono inefficienti perché impiegano la scala delle ore per realizzare i pezzi, mentre altre macchine, come le macchine per lo stampaggio a iniezione, possono produrre parti più resistenti e durevoli in pochi minuti. Stampanti 3D diverse presentano diversi inconvenienti e vantaggi, ma la maggior parte delle stampanti 3D produce parti relativamente deboli e piccole a causa del modo in cui vengono create. Quindi perché usare la stampa 3D?

Le stampanti 3D possono essere molto economiche, quindi consentono a chiunque ne abbia una di realizzare qualsiasi cosa molto facilmente. Consentono ai progettisti di passare direttamente dalle idee alla realtà, consentono una rapida iterazione dei progetti e possono creare geometrie complicate senza troppe difficoltà. In breve, con la semplice pressione di un pulsante, puoi creare tutto ciò che immagini.

Passaggio 2: prototipazione rapida

A differenza della maggior parte delle altre macchine a controllo numerico, le stampanti 3D hanno costi di installazione o procedure associati molto minimi. Le stampanti 3D possono essere utilizzate per produrre parti progettate su misura in modo relativamente rapido ed economico, rendendo le stampanti 3D uno dei migliori strumenti di prototipazione rapida. Le macchine di produzione su larga scala possono richiedere stampi o attrezzature lavorate con precisione per ogni nuova parte, il che significa che hanno più costi di installazione e passaggi necessari per produrre contenuto; sono predisposti per produrre centinaia o migliaia di parti specifiche più e più volte. Utilizzando una stampante 3D, una parte può essere progettata e realizzata in modo economico, quindi il suo design può essere modificato, stampato e testato più volte in rapida successione prima che la parte raggiunga la produzione su vasta scala.

Passaggio 3: geometrie complesse

La stampa 3D è un processo di produzione manuale; semplicemente premendo un pulsante, tutto ciò che si progetta verrà realizzato. Altri metodi di produzione, come la trapano, il tornio o la fresatrice, devono essere gestiti dal produttore. Il pezzo deve essere allineato, misurato e lavorato dall'utente, il che introduce errori umani nella realizzazione del pezzo. Le stampanti 3D, grazie al modo in cui creano le parti, possono creare molte parti con geometrie complesse, tra cui forme naturali come arti protesici o modelli animali, o forme più complicate come poliedri o repliche di edifici in scala. Le stampanti 3D offrono molte opportunità ai produttori solo perché consentono alle persone di realizzare cose che prima non erano fattibili.

Passaggio 4: contenuto personalizzato

Come spiegato in precedenza, i progetti 3D possono essere facilmente modificati sul computer e quindi ristampati. Ciò significa che i file possono essere personalizzati per determinate persone o cose e stampati facilmente, senza modificare l'impostazione della macchina. Essere in grado di creare contenuti personalizzati è prezioso sia per la produzione su piccola scala che per i produttori, perché consente loro di creare progetti per persone specifiche o persino produrre progetti che altri danno loro. Gioielli personalizzati, protesi personalizzate e persino scansioni 3D di persone possono essere stampate e modificate per adattarsi al destinatario finale.

Passaggio 5: come funziona la stampa 3D?

Per capire più specificamente come funzionano le stampanti 3D e come progettarle, è necessario comprendere i diversi tipi di stampanti 3D sul mercato. Sebbene i materiali e i metodi con cui vengono create le parti variano ampiamente, tutte le stampanti 3D costruiscono parti aggiungendo materiale strato per strato, fondendo ogni strato insieme per creare un oggetto solido.

Esistono un paio di diversi tipi di processi di stampa 3D: alcuni sono più adatti per la produzione su larga scala, altri consentono più materiali o colori durante le stampe e alcuni tipi di stampanti possono persino essere costruiti abbastanza facilmente a causa del modo in cui funzionano. Ho incluso i tipi più comuni di stampanti 3D in questa guida, ci sono alcuni altri tipi di stampanti là fuori, ma per la maggior parte derivano dai seguenti quattro.

Passaggio 6: modellazione a deposizione fusa (FDM)

La modellazione a deposizione fusa è probabilmente uno dei tipi più comuni di stampa 3D ed è la più semplice da capire. In questo tipo di stampa 3D, il materiale, solitamente in plastica ABS o PLA, viene fuso dalla testina della stampante ed estruso sul letto della stampante, in modo simile al modo in cui l'inchiostro viene depositato su una pagina di una stampante di carta. La testa dell'estrusore della stampante stabilisce il materiale strato per strato per creare un modello 3D e ogni strato si fonde con quello precedente mentre si raffredda.

Le stampanti FDM sono stampanti desktop molto comuni perché sono economiche e facili da costruire. La loro precisione dipende dalla qualità dei motori che controllano la posizione della testa dell'estrusore rispetto alla piattaforma di costruzione e dalla finezza della testa dell'estrusore mentre espelle il materiale. Poiché il materiale è costruito strato per strato, le parti stampate tendono ad essere deboli lungo le loro sezioni trasversali orizzontali. Inoltre, tutte le sezioni sporgenti di parti stampate in 3D su stampanti FDM richiedono materiale di supporto per sostenere la sporgenza. Le stampanti FDM con più teste di estrusore possono stampare in un materiale di supporto solubile che si dissolve quando sono immerse in determinati prodotti chimici, mentre quelle con singoli estrusori stampano in un materiale meno denso che può essere rotto al termine della stampa. Le testine di estrusione multiple consentono anche alle stampanti FDM di stampare in più colori o materiali, ampliando le loro capacità.

Step 7: Stereolitografia (SLA)

La stereolitografia è il più antico metodo di stampa 3D, in cui un laser viene utilizzato per solidificare la resina liquida con luce ultravioletta. Mentre le stampanti FDM disegnano gli strati di filamento per formare il modello 3D, il raggio laser su una stampante SLA disegna una fetta della parte per polimerizzare lo strato di resina liquida per strato, generando la parte 3D. Mentre la maggior parte delle altre stampanti 3D stampa dalla parte inferiore della parte e sale verso l'alto, le stampanti SLA possono stampare dall'alto verso il basso. Il bagno di laser e resina si trova alla base della stampante e la parte è fissata alla piattaforma di costruzione inferiore e viene disegnata mentre stampa.

Le stampanti SLA possono essere molto veloci e precise per la loro natura. Tuttavia, la resina stessa è costosa e, poiché è fotocurabile, deve essere conservata in contenitori specializzati. La maggior parte delle resine, quando induriscono, sono generalmente molto fragili e non possono sopportare molta forza, quindi la stampa SLA è di solito utile quando si tratta di prototipazione, ma non di produzione. Come le stampanti FDM, le stampanti SLA richiedono strutture di supporto per le parti stampate, ma i loro materiali sono limitati perché possono stampare solo in resina indurita e non possono stampare più tipi di materiali contemporaneamente. Tuttavia, la precisione delle stampanti SLA consente loro di stampare strutture molto complesse e delicate.

Step 8: Selective Laser Sintering (SLS)

La sinterizzazione laser selettiva è molto simile alla stereolitografia in quanto un laser viene utilizzato per solidificare il materiale e formare una forma solida. La più grande differenza tra le due tecnologie è che mentre la stampa SLA utilizza resina liquida, la sinterizzazione laser cura il materiale in polvere. Strati di polvere sono depositati su un letto di stampa e le particelle di ogni strato sono polimerizzate da un laser. La sinterizzazione laser selettiva è vantaggiosa in quanto può supportare una vasta gamma di materiali, tra cui plastica, vetro e alcuni metalli.

Non è necessario materiale di supporto per stampare parti su una macchina SLS perché le parti sono immerse nella potenza, quindi possono essere utilizzate per creare parti più complicate e precise rispetto alla maggior parte delle altre stampanti. Tuttavia, di solito si trovano solo nell'industria in quanto richiedono laser ad alta potenza e possono essere molto costosi.

Step 9: Laminated Object Manufacturing (LOM)

Nel processo di produzione di oggetti laminati, un laser o un coltello viene utilizzato per tagliare fette del modello 3D da fogli di materiale. Ogni foglio di materiale viene tirato sul foglio precedente e ritagliato dall'utensile da taglio, quindi viene posata la colla in modo che il foglio successivo aderisca ad esso. La stampante genera così pile di materiale in fogli ritagliate e fuse insieme. Poiché le stampanti LOM sono costituite da pile di carta, la carta può essere stampata (in 2D) prima di essere utilizzata sulla macchina, il che significa che queste stampanti possono effettivamente essere utilizzate per creare manufatti stampati in 3D colorati.

Queste stampanti hanno costi di produzione molto bassi perché le materie prime sono solo risme di carta o plastica. Hanno il vantaggio di stampare parti flessibili e resistenti a causa delle proprietà del materiale dei fogli. Mentre le parti sono robuste, sono solo pile di carta, quindi tendono ad usurarsi facilmente e le parti di piccole dimensioni possono essere facilmente aperte. Le macchine LOM sono le migliori per creare parti di grandi dimensioni con minimi dettagli minimi. Ogni stampa richiede molta post-elaborazione per rimuovere la parte dal resto del materiale. Queste stampanti di solito generano molti rifiuti perché ogni parte deve essere estratta da pile di carta e le geometrie delle parti create sono limitate a causa del modo in cui le parti vengono prodotte.

Passaggio 10: Progettazione 3D per la stampa 3D

Le stampanti 3D consentono ai progettisti di passare direttamente da idee e progetti concettuali a modelli fisici. Per fare ciò, l'oggetto deve essere progettato su un computer utilizzando una sorta di software di progettazione 3D. Una volta progettata, una parte può essere importata in un software specifico per la stampante 3D in uso, che suddivide la parte e invia alla stampante un elenco di percorsi e direzioni utilizzati per creare la parte.

Esistono molti diversi programmi CAD (Computer Aided Design) per progettare modelli 3D per una varietà di scopi. Programmi di progettazione come Tinkercad o Autodesk 123D sono gratuiti e ideali per i principianti interessati alla progettazione e alla stampa 3D, mentre programmi come SolidWorks e Autodesk Inventor sono utilizzati da ingegneri professionisti per progettare parti e assiemi per la produzione. Tratterò alcune delle considerazioni necessarie durante la progettazione di una parte da stampare in 3D.

Passaggio 11: orientamento delle parti

Quando si progetta per la stampa 3D, ci sono alcune linee guida e vincoli di progettazione che devono essere seguiti, così come lo sono per qualsiasi processo di produzione. Una delle considerazioni più importanti durante il processo di progettazione riguarda la progettazione con un volto costruito in mente. Tutte le stampanti iniziano a costruire la parte dal piano di stampa, quindi è importante ricordare da quale faccia viene stampata la parte. Sebbene la determinazione dell'orientamento ottimale delle parti sia leggermente diversa su tutte le stampanti, la progettazione per ottimizzare tale orientamento ridurrà al minimo l'utilizzo del materiale, i tempi di stampa e il rischio di guasti.

Riduzione dei tempi di stampa e del materiale di supporto

Orientando bene la parte, è possibile ridurre la quantità di materiale di supporto necessario, che può ridurre al minimo il materiale e i tempi di stampa. Il materiale di supporto può essere difficile da rimuovere e crea una finitura superficiale ruvida, che non è la cosa migliore se si desidera che la parte appaia come un prodotto finito. Per rimuovere gli effetti del materiale di supporto, è necessario lucidare e levigare le parti, il che può influire sulle tolleranze del pezzo se si interfaccia con qualcos'altro.

Forza della parte

Sulla maggior parte delle stampanti desktop, le parti di solito tendono a rompersi lungo le sezioni trasversali della parte parallele alla piastra di costruzione. Il materiale viene steso o indurito strato per strato e gli strati non si fondono come nelle stampanti di fascia più alta, creando cuciture lungo le sezioni trasversali della parte. Ciò significa che le parti possono tagliare facilmente lungo quei piani se viene applicata la forza. Se sai come e dove la forza verrà applicata alla tua parte, orienta la tua parte in modo tale che la direzione della forza non sia lungo quei piani trasversali.

Costruisci adesione

Sulla maggior parte delle stampanti, principalmente macchine FDM, le parti stampate in 3D si attaccano alla piastra di costruzione mentre stampano e un'area di contatto molto piccola può far cadere la parte dalla piastra di costruzione. Il lato della parte ha la maggior parte della superficie sullo stesso piano, in genere è il lato su cui si desidera stampare, sebbene ciò possa cambiare in base alle caratteristiche di una determinata stampante.

Passaggio 12: sporgenze e archi

Come accennato in precedenza, la maggior parte delle stampanti richiede strutture di supporto stampate per sostenere le caratteristiche sporgenti piatte delle loro parti. Poiché il materiale viene disposto strato per strato, la maggior parte delle stampanti (principalmente stampanti FDM e SLA) è in grado di gestire fino a circa 45 gradi di sporgenza dall'orizzontale senza richiedere supporti e può anche creare funzionalità come fori verticali o archi rotondi con pendenza minima. Per evitare materiale di supporto, notare dove si trovano le sporgenze piane o ad angolo basso e riorientare la parte o assicurarsi che siano supportate da altre caratteristiche della parte, come sporgenze angolate o archi.

Passaggio 13: interfaccia con altre parti

La maggior parte delle stampanti 3D comporta il riscaldamento e la fusione di plastica o resina, quindi le parti tendono a ridursi leggermente quando si raffreddano. Ciò significa che la stampa di parti come ingranaggi, cursori o supporti che si interfacciano con altri oggetti può essere complicata.

Le tolleranze

Se si sta progettando una parte che si adatterà a o intorno a qualcos'altro, assicurarsi di lasciare una certa tolleranza di spazio tra le due parti. Questa tolleranza dipenderà dalla stampante che stai utilizzando, quindi potresti voler stampare alcuni pezzi di prova per provare l'adattamento.

fori

Su molte stampanti 3D, i fori non saranno mai così precisi come sarebbero se si eseguissero o perforassero. Questo perché il restringimento delle parti altera leggermente le dimensioni della parte e anche perché di solito viene utilizzata una stampante cartesiana per creare un foro circolare. Per garantire fori precisi sulle parti, progettare il foro in modo che sia leggermente sottodimensionato (di alcuni millesimi di pollice) e quindi utilizzare un alesatore per praticare il foro della giusta dimensione.

discussioni

Quando si progettano parti su cui avvitare viti o dadi, non stampare i fili, poiché le tolleranze potrebbero non essere in grado di renderli precisi come i fili sui componenti. Per fissare una vite a una parte stampata in 3D, rendere il foro leggermente più piccolo del diametro del filo del componente e toccare il foro al termine della stampa.

Corrosione parziale

La maggior parte delle stampanti 3D utilizza plastica con punti di fusione relativamente bassi poiché la plastica deve essere riscaldata in modo fattibile e sicura quando è calda. Questo è il motivo per cui ABS e PLA sono comunemente usati per le macchine FDM. Tuttavia, un basso punto di fusione significa che si corrodono molto facilmente con l'attrito applicato. Le stampanti SLA di solito producono parti molto fragili a causa del tipo di resina di cui hanno bisogno. Le parti stampate in 3D di solito non sono adatte per situazioni ad alta velocità o ad alta forza perché le funzioni tendono a staccarsi dopo un po 'o a rompersi. Le parti scorrevoli, rotanti o in movimento funzionano quando vengono stampate in 3D, ma si consumano.

Passaggio 14: tecnologie correlate

Macchine a controllo numerico

Le stampanti 3D rientrano in una categoria di macchine denominate "Computer Numerical Control" (CNC) Machines. Le macchine a controllo numerico sono macchine che funzionano tramite un computer. Il controller della macchina fornisce alla macchina un file CAD e la macchina esegue una serie di operazioni per creare quell'oggetto. Le macchine a controllo numerico sono generalmente molto più precise e affidabili rispetto alle macchine a gestione umana. Le stampanti 3D sono macchine additive di fabbricazione CNC perché sono controllate da computer e aggiungono materiale per creare una parte. Altre macchine, come mulini e torni, sono macchine sottrattive perché rimuovono materiale per creare parti, proprio come taglieresti un pezzo di carta per creare una forma.

Taglierine laser

I laser cutter, come le stampanti 3D, sono un altro tipo di tecnologia di prototipazione rapida CNC. I laser cutter sono strumenti molto rapidi ed efficienti che utilizzano i laser per tagliare o incidere materiali piatti sulla base di disegni CAD bidimensionali. Possono essere utilizzati per realizzare prototipi funzionali di legno, plastica e talvolta metallo, tra gli altri materiali, e possono anche essere utilizzati per realizzare opere d'arte grazie alle loro capacità di rasterizzazione.

Scanner 3D

Uno scanner 3D è un'altra tecnologia che di solito va di pari passo con la stampa 3D. Gli scanner 3D generano modelli CAD 3D di oggetti del mondo reale. Per scansionare oggetti, gli scanner 3D mappano i punti sull'oggetto a distanze dallo scanner e possono quindi generare una rappresentazione 3D dell'oggetto, che può essere stampata in 3D o utilizzata per ulteriori lavori di progettazione.

Passaggio 15: risorse

Stampanti desktop

  • MakerBot: un'ottima stampante 3D desktop FDM
  • FormLabs: stampante SLA desktop ad alta risoluzione
  • RepRap: un kit stampante 3D FDM personalizzato
  • Ember: una stampante SLA efficiente open source
  • Elenco di stampanti e prezzi comuni 3D

Stampanti industriali

  • Stratasys: vasta gamma di dimensioni e tipi diversi di stampanti 3D industriali
  • Sistemi 3D: una delle prime aziende di stampa 3D, produce ancora stampanti industriali di alta qualità
  • Solidscape: crea stampanti 3D principalmente per applicazioni mediche e di costruzione di stampi
  • Mcor : crea stampanti LOM a colori

Servizi di stampa 3D

  • Shapeways : un servizio di stampa e progettazione 3D economico
  • Ponoko : un servizio completo di taglio laser e stampa 3D in cui puoi realizzare e vendere i tuoi progetti
  • i.materialize : un servizio di stampa 3D che offre una vasta gamma di consigli e materiali di progettazione
  • Sculpteo : un altro ottimo servizio di stampa 3D con una vasta gamma di materiali e risorse

Siti di modelli 3D

  • Thingiverse: un ottimo sito per condividere e trovare disegni stampabili in 3D
  • Pinshape : un altro sito di condivisione di contenuti stampabili in 3D
  • MyMiniFactory: un sito in cui è possibile acquistare e vendere disegni stampabili in 3D
  • Shapeways: acquista parti che altri hanno realizzato tramite Shapeways

Software di progettazione 3D gratuito

  • Autodesk 123D : un gruppo di app e programmi gratuiti progettati per semplificare la progettazione 3D
  • Tinkercad: un programma CAD molto semplice e gratuito progettato per creare e stampare contenuti 3D.
  • SketchUp : un altro programma CAD semplice e facile da imparare
  • OpenSCAD : uno strumento di progettazione 3D per programmatori utilizzato per realizzare progetti facilmente modificabili
  • Blender : uno strumento di progettazione 3D utilizzato per progettare forme biologiche e naturali

Notizie e risorse sulla stampa 3D:

  • 3Ders.org: un sito di notizie e risorse sulla stampa 3D
  • 3Dprinter.net: nuove notizie e sviluppi sulla stampa 3D
  • 3dPrintHQ.com : un ampio glossario di termini per la stampa 3D
  • Stampa 3D SubReddit : ottimo posto per domande, notizie e contenuti sulla stampa 3D

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