Buona progettazione della stampa 3D

Una guida per i principianti

Perché un buon progetto è fondamentale per il successo della stampa 3D?

Una progettazione efficace dei componenti è uno dei fattori di successo più importanti nella stampa 3D. Anche le stampanti più moderne raggiungono i loro limiti se il modello non è stato progettato per la stampa. I principianti sono spesso sorpresi dal fatto che non tutte le geometrie create al computer possono essere stampate senza problemi. In particolare, i processi a letto di polvere come la sinterizzazione laser selettiva (SLS), la fusione laser selettiva (SLM) o la fusione multigetto (MJF) richiedono determinate regole di progettazione. Se queste vengono rispettate, si evitano gli errori di stampa, si riduce la post-elaborazione e si ottengono componenti robusti con una buona qualità superficiale.

In questo contesto, una buona progettazione significa pensare al processo e al materiale fin dall'inizio. Ad esempio, SLS e MJF non richiedono strutture di supporto aggiuntive, poiché la polvere circostante sostiene il componente durante la stampa. La SLM (stampa 3D in metallo), invece, richiede strutture di supporto per le sporgenze, perché altrimenti il metallo fuso si abbasserebbe o provocherebbe tensioni (ma niente panico: queste strutture di supporto vengono inserite dai nostri colleghi esperti durante la preparazione dei dati per ottenere i migliori risultati).

Se conoscete le differenze tra i processi, potete adattare il vostro modello di conseguenza. In questo modo si garantisce che il pezzo stampato soddisfi le aspettative e sia funzionale e dimensionalmente accurato.

Principi di base dell'ottimizzazione del design

Quando si modella per SLS, SLM o MJF, ci sono una serie di linee guida specifiche che i principianti dovrebbero conoscere. Esse riguardano gli spessori delle pareti, le sporgenze, le tolleranze, le cavità e altro ancora. Di seguito sono riportati gli aspetti più importanti:

Spessore minimo delle pareti: Ogni tecnica di stampa ha un limite allo spessore delle pareti o dei nastri. Con SLS PA12 è possibile realizzare elementi in filigrana a partire da uno spessore di parete di circa 0,6-0,7 mm. Pareti più sottili sono spesso critiche e devono essere verificate caso per caso. MJF fornisce valori simili: in questo caso, si consiglia di solito uno spessore di ≥0,8 mm, poiché le pareti troppo sottili diventano instabili o ruvide. Con la fusione laser dei metalli (SLM), sono possibili spessori minimi di 0,3-0,5 mm; in pratica, tuttavia, si dovrebbe usare >1 mm per garantire che la parete sia sufficientemente robusta.

Sporgenze e strutture di supporto: In SLS/MJF, le sporgenze possono essere stampate liberamente poiché la polvere circostante funge da supporto. Tuttavia, i dettagli sottili sporgenti <1 mm possono essere problematici (potrebbero rompersi o deformarsi). Con la SLM, le sporgenze superiori a un certo angolo devono essere supportate. Le sporgenze libere fino a ~1 mm di lunghezza sono fattibili senza supporto, ma tutto ciò che è più grande o più piatto di ~45° rispetto alla piattaforma di costruzione richiede strutture di supporto o deve essere fornito con una geometria di supporto. I progettisti possono ridurre le sporgenze delle parti metalliche arrotondando gli spigoli o inserendo dei fori per risparmiare materiale e ridurre la necessità di supporti.

Fori e canali: I fori non devono essere troppo piccoli. Per la plastica (SLS/MJF), si consigliano fori passanti di circa 1-2 mm di diametro, in modo che la polvere possa essere facilmente rimossa. I fori ciechi (fori chiusi) sono fattibili, ma i fori passanti facilitano la pulizia. Per il metallo SLM, si applica un diametro minimo dei fori di circa 1 mm. I canali all'interno di un componente devono essere aperti su entrambe le estremità (senza "angoli morti") e avere un diametro minimo di 0,6 mm. Quanto più lungo o complesso è un canale, tanto più grande dovrebbe essere la sua sezione trasversale, perché altrimenti la polvere inutilizzata sarà difficile da far uscire. Nel caso di canali più lunghi, può essere utile prevedere aperture di ventilazione o "strisce di pulizia" interne per rimuovere successivamente la polvere incastrata.

Cavità e rimozione della polvere: Le cavità chiuse devono essere evitate. Poiché la polvere non consolidata rimarrebbe intrappolata all'interno, il componente diventerebbe inutilmente pesante e la polvere andrebbe persa. Se si progetta un componente con una struttura cava (per risparmiare materiale), assicurarsi che le aperture per la rimozione della polvere siano sufficientemente grandi. Nella stampa di plastica, due fori di circa 2-5 mm sono solitamente sufficienti per rimuovere la polvere in eccesso. Nel metallo, le cavità devono sempre essere progettate in modo da evitare strutture di supporto all'interno, ossia come strutture a griglia piuttosto che cavità completamente chiuse.

Precisione dimensionale e tolleranze: A causa del principio di costruzione a strati e del ritiro del materiale, le tolleranze ottenibili sono limitate. I pezzi SLS e MJF raggiungono in genere una precisione di ±0,2-0,3 mm (a seconda delle dimensioni), mentre quelli SLM si aggirano intorno a ±0,1 mm più la tolleranza di ritiro dipendente dal materiale. Importante per i progettisti: Gli accoppiamenti e le connessioni mobili necessitano di gioco. Due parti che devono essere inserite l'una nell'altra devono avere uno spazio di almeno 0,1 mm. Per i giunti funzionali o le connessioni a scatto già assemblate durante la stampa, è consigliabile uno spazio di ~0,5 mm tra tutte le superfici mobili. In questo modo si evita la sinterizzazione o il blocco terminale involontario. Anche le fasi di post-lavorazione (come la foratura, la filettatura o la rettifica) devono essere prese in considerazione in fase di progettazione: Se, ad esempio, alcune superfici devono essere fresate in faccia, è opportuno prevedere il sovradimensionamento che verrà rimosso in seguito.

Errori tipici e come evitarli

Soprattutto all'inizio, gli errori di progettazione possono causare problemi nella stampa 3D. Ecco alcuni modelli di errore tipici e consigli su come evitarli:

Strutture troppo sottili: Un errore comune è quello di progettare spessori di parete o nastri troppo delicati. Il risultato è che il componente diventa fragile o la pressione corretta cede completamente. Da evitare: Attenersi agli spessori minimi delle pareti previsti dalla tecnologia. Se necessario, rinforzare i dettagli più piccoli o ometterli in caso di dubbio.

Cavità chiuse senza ventilazione: Come già detto, queste camere rimangono piene di polvere. Oltre allo spreco di materiale, la polvere in eccesso può fuoriuscire quando il componente viene utilizzato successivamente. Da evitare: O rendere le cavità completamente aperte o prevedere dei fori di ventilazione. Queste aperture devono essere sufficientemente grandi (alcuni millimetri) in modo che la polvere possa essere effettivamente rimossa.

Spazio insufficiente per le parti mobili: I principianti tendono a pensare che la stampante produrrà tutto con precisione come un modello già pronto. In pratica, però, le parti troppo vicine si fondono. Un errore classico è, ad esempio, una cerniera senza spazio: viene stampata come un blocco e non si muove. Da evitare: Tutte le parti in movimento o stampate separatamente hanno bisogno di aria tra di loro. Si consiglia uno spazio di almeno 0,5 mm tutt'intorno. Se necessario, di più per le superfici più grandi.

Scelta sbagliata del materiale: Un errore di progettazione indiretto è la scelta del materiale sbagliato per l'applicazione. Ad esempio, si vuole stampare una parte delicata in un materiale fragile che in realtà richiede tenacità. Da evitare: Durante la fase di progettazione, prestare attenzione a quali proprietà del materiale sono richieste (forza, resistenza alla temperatura, flessibilità, ecc.) e selezionare il materiale o il processo di stampa di conseguenza. 

Linee guida utili

Design recommendations for additive manufacturing >

Design recommendations for selective laser melting >

Design recommendations for selective laser sintering > 

Una buona progettazione di stampa 3D richiede un po' di riflessione e il rispetto di alcune regole all'inizio. Una volta interiorizzati i principi più importanti, tuttavia, nulla osta a una stampa di successo. Progetti ben studiati portano a risultati migliori e sfruttano appieno le affascinanti possibilità della produzione additiva, anche per il vostro progetto!