Cos'è la stampa 3D FDM e come funziona?

La modellazione a deposizione fusa (FDM) è una delle tecnologie di stampa 3D più diffuse al giorno d'oggi. Questa tecnologia utilizza filamenti di materiale termoplastico come materia prima. Questo articolo spiega il principio di base della stampa 3D FDM, descrive il funzionamento della tecnologia, il flusso completo del processo passo dopo passo e la selezione dei materiali.

Che cos'è la stampa 3D FDM?

La modellazione a deposizione fusa (FDM) utilizza come materia prima un filamento di materiale termoplastico. Il filamento viene riscaldato e fuso, quindi il materiale liquefatto viene estruso attraverso un ugello sottile sulla testina di stampa. Dopo l'estrusione, il materiale viene depositato sulla piattaforma di costruzione o sullo strato precedentemente solidificato. Quando la temperatura scende al di sotto del punto di fusione, inizia a solidificarsi. Il pezzo finale viene formato sovrapponendo il materiale strato dopo strato.

Come funziona la modellazione a deposizione fusa (FDM)?

Prima di descrivere il funzionamento di una stampante 3D a modellazione a deposizione fusa, possiamo immaginare questa scena:

Si tiene in mano un tubetto di dentifricio riscaldato. All'interno del tubetto, il dentifricio è allo stato liquido, ma non appena lo si preme, si solidifica immediatamente. Quindi si capovolge il tubetto e si preme il dentifricio sul tavolo muovendo la mano orizzontalmente, proprio come si farebbe scrivendo con un pennello cinese. Dopo aver completato il primo strato sul tavolo, si solleva leggermente il tubetto e si continua a premere sul secondo strato. A questo punto, il dentifricio appena estruso aderirà a quello precedente, e il dentifricio estruso in precedenza si solidificherà fornendo supporto a quello successivo. Infine, si ripete il processo descritto sopra fino a ottenere la forma desiderata. Questa è l'idea di base della tecnologia FDM (Fluid Deposition Modeling) ed è anche il principio di funzionamento delle nuove penne per la stampa 3D presenti sul mercato.

Partendo da questa idea di base, gli ingegneri trasformano innanzitutto la materia prima in un filamento rotondo di un diametro specifico. Successivamente, la materia prima a forma di filamento viene gradualmente alimentata nell'estremità calda (hot end) attraverso un meccanismo di alimentazione del filamento. Nell'estremità calda, il materiale viene riscaldato e fuso. Sotto l'estremità calda si trova la testina di stampa, la cui parte inferiore presenta un ugello sottile (il cui diametro è generalmente compreso tra 0.2 e 0.6 mm). La pressione generata dall'estrusione del filamento successivo spinge fuori il materiale liquido allo stato fuso.

A causa dei requisiti del processo, prima che la stampante 3D inizi a funzionare, è generalmente necessario impostare prima alcune informazioni di base, come la spaziatura tra gli strati e la larghezza dei percorsi. Successivamente, il motore di slicing suddivide il modello tridimensionale in strati e genera il percorso di stampa. Quindi, sotto il controllo del software host e della stampante, l'ugello di stampa esegue un movimento planare lungo gli assi X e Y in base ai dati degli strati orizzontali, mentre il movimento verticale lungo l'asse Z viene completato dalla piattaforma di costruzione. Allo stesso tempo, il filamento viene alimentato all'ugello dal componente di alimentazione. Dopo essere stato riscaldato e fuso, la temperatura di riscaldamento viene generalmente impostata di qualche grado al di sopra del punto di fusione della materia prima. In questo modo, quando il materiale viene estruso dall'ugello e aderisce alla piattaforma di costruzione, si raffredda e solidifica rapidamente. Il materiale stampato si fonde rapidamente con lo strato precedente. Una volta completata ogni sezione di strato, la piattaforma di costruzione si abbassa dell'altezza di uno spessore di strato e la stampante continua a stampare lo strato successivo. Questo passaggio viene ripetuto fino al completamento dell'intero modello.

La chiave del processo FDM è mantenere la temperatura del materiale fuso estruso dall'ugello appena al di sopra del punto di solidificazione, solitamente controllata a circa 1 °C in più rispetto al punto di solidificazione. Se la temperatura è troppo alta, causerà problemi come una scarsa precisione del modello stampato e la sua deformazione. Tuttavia, se la temperatura è troppo bassa o instabile, l'ugello si ostruirà facilmente e la stampa fallirà.

Processo di modellazione a deposizione fusa

Il flusso di processo della modellazione a deposizione fusa può essere suddiviso in 5 fasi: Crea modello 3D >> Converti in file STL >> Slicing >> Stampa >> Post-elaborazione.

1. Crea un modello 3D

Generalmente, i progettisti disegnano il modello digitale tridimensionale richiesto utilizzando software di progettazione assistita da computer, in base ai requisiti del prodotto. I software di progettazione comunemente utilizzati includono principalmente Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD, UG, ecc.

2. Convertire il modello in formato STL

In genere, un modello ben progettato presenta numerose superfici curve irregolari. Prima della stampa, queste superfici curve devono essere approssimate e adattate. Il metodo più comune attualmente consiste nel convertire e salvare il modello in formato STL. Il formato STL è un formato di file sviluppato dall'azienda americana 3D Systems per le stampanti 3D. Utilizza una serie di piccoli piani triangolari collegati tra loro per approssimare le superfici curve, ottenendo così un modello tridimensionale approssimato che può essere stampato rapidamente. La maggior parte dei software di progettazione CAD più diffusi, come Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD, UG, ecc., supporta l'esportazione di file in formato STL.

3. Seziona il modello e aggiungi i supporti

Poiché la stampa 3D scompone il modello, lo produce strato per strato in base alle sezioni di ciascuno strato e infine lo assembla in un ciclo continuo, il modello tridimensionale in formato STL deve prima essere suddiviso in sezioni e convertito in un modello a strati che la stampante 3D possa elaborare. Attualmente, diverse stampanti 3D sul mercato sono dotate di un proprio software di elaborazione delle sezioni. Dopo aver impostato i parametri di base, il software calcola automaticamente le informazioni relative alle sezioni del modello.

4. Avvia la stampa

Secondo il principio di stampa FDM introdotto nella sezione precedente, si può immaginare che, in alcune strutture di grandi dimensioni, il sistema debba aggiungere elementi di supporto al prodotto. In caso contrario, quando la sezione dello strato superiore si ingrandisce notevolmente rispetto alla sezione dello strato inferiore, parte della sezione superiore stampata successivamente rimarrà sospesa (o sospesa in aria), causando un parziale collasso o una deformazione della sezione, il che compromette seriamente la precisione di formatura del modello stampato. Pertanto, il modello stampato finale generalmente comprende due parti: la parte di supporto e la parte solida. Il software di slicing calcolerà e deciderà automaticamente se aggiungere supporti in base alle diverse forme del modello da stampare.

Allo stesso tempo, i supporti hanno un altro scopo importante: stabilire lo strato di base. Ovvero, prima della stampa vera e propria, viene stampato uno strato di base sulla piattaforma di costruzione, e successivamente il modello viene stampato su questo strato di base. Questo può rendere la parte inferiore del modello stampato più piatta e anche facilitare il distacco del modello finito. Pertanto, un passaggio chiave nella stampa FDM è la creazione dei supporti. Un buon strato di base può fornire un piano di riferimento preciso per l'intero processo di stampa, garantendo così la precisione e la qualità del modello stampato.

5. Rimozione del supporto e post-elaborazione

Per i modelli realizzati con la tecnologia FDM, la post-elaborazione consiste principalmente nella rimozione dei supporti del modello e nella levigatura della superficie esterna. Innanzitutto, è necessario rimuovere la parte di supporto del modello solido, dopodiché la superficie esterna del modello solido viene levigata in modo che la precisione e la rugosità superficiale del modello finale soddisfino i requisiti.

Tuttavia, secondo l'esperienza di produzione reale, i supporti dei modelli realizzati con tecnologia FDM su strutture complesse e fini sono difficili da rimuovere completamente senza danneggiare il modello. È facile rovinare la superficie del prototipo, il che avrà un impatto considerevole sulla qualità della superficie del modello. Per ovviare a questo problema, il colosso della stampa 3D Stratasys ha sviluppato nel 1999 un materiale di supporto idrosolubile. Risciacquando il modello stampato con una soluzione per sciogliere il materiale di supporto senza danneggiare il modello solido, questo problema è stato efficacemente risolto. Tuttavia, attualmente le apparecchiature di stampa FDM sviluppate autonomamente in Cina non sono ancora in grado di raggiungere questo risultato e la post-elaborazione dei modelli stampati rimane un processo relativamente complesso.

Materiali utilizzati nella modellazione a deposizione fusa

Attualmente, i materiali per filamenti più comuni includono principalmente ABS, PLA, gomma artificiale, cera e termoplastici in poliestere. Alcune apparecchiature richiedono l'utilizzo di due materiali: uno è il materiale di modellazione utilizzato per stampare la parte solida; l'altro è il materiale di supporto utilizzato per depositare parti cave o a sbalzo.

Rispetto ad altre tecnologie di stampa 3D, la gamma di materie prime disponibili per la stampa FDM è relativamente ampia. Nella scelta dei materiali per la parte solida del modello, è necessario considerare principalmente i seguenti fattori:

• Viscosità: minore è la viscosità, minore è la resistenza, il che facilita la formazione del composto e riduce la probabilità di ostruzione dell'ugello.
• Punto di fusione: quanto più la temperatura del punto di fusione è vicina alla temperatura ambiente, tanto minore sarà il consumo energetico della stampante, con conseguente miglioramento della durata meccanica della macchina, riduzione dello stress termico e, di conseguenza, miglioramento della precisione di stampa.
• Adesione: L'adesione del materiale determinerà la forza di connessione tra gli strati dell'oggetto stampato.
• Ritiro: minore è il tasso di ritiro del materiale, maggiore è la garanzia di precisione dell'articolo stampato.

Per quanto riguarda i materiali di supporto, il processo FDM presenta principalmente i seguenti requisiti:

• A seconda del materiale solido utilizzato, il materiale di supporto deve essere in grado di resistere a una determinata temperatura elevata.
• Non deve esserci alcun contatto con liquidi tra il materiale di supporto e il materiale solido per facilitare la post-elaborazione.
• Come il materiale solido, necessita di una buona fluidità.
• È preferibile che possieda caratteristiche come la solubilità in acqua o la solubilità in acido.
• È preferibile una temperatura di fusione inferiore.

Attrezzatura tipica

I materiali utilizzati per la stampa FDM sono generalmente termoplastici, come cera, ABS, PC, nylon, ecc. I materiali di stampa standard sono solitamente in filamento e il loro costo è generalmente basso. Il prezzo unitario dell'ABS o del PLA di produzione nazionale si aggira solitamente intorno ai 100 RMB (circa 15 dollari). Inoltre, rispetto alle stampanti che utilizzano materiali in polvere e liquidi, il filamento è più pulito, più facile da sostituire e conservare, e il processo di stampa non produce inquinamento da polveri o liquidi.

Sul mercato sono disponibili numerose stampanti 3D a deposizione fusa (FDM), in particolare stampanti desktop progettate per i consumatori comuni. Si tratta praticamente dell'intero mondo della modellazione a deposizione fusa. Le più note, come la Thing-O-Matic di MakerBot, le stampanti della serie Replicator e la stampante Cube di 3D Systems, sono tutte stampanti 3D entry-level che utilizzano la tecnologia FDM.

Tolleranza e capacità

A Getzshape, il nostro Servizi di stampa 3D Copriamo quattro tecnologie principali: SLA, SLS, SLM e FDM. Le tolleranze e le capacità della nostra stampa 3D FDM sono elencate di seguito.

Finiture per componenti stampati con tecnologia FDM

• carteggiatura: Una fase di finitura superficiale fondamentale e importante per le parti stampate con tecnologia FDM. Si utilizza carta vetrata di diverse grane per rimuovere le linee di stratificazione visibili e rendere la superficie più liscia.
• VerniciaturaInnanzitutto, la superficie viene levigata per renderla più liscia. Successivamente, viene applicato un primer per favorire l'adesione della vernice. Dopodiché, la vernice colorata viene spruzzata o applicata a pennello. La verniciatura può nascondere completamente le linee di stratificazione, conferire al pezzo un bel colore e rendere la superficie liscia. È ampiamente utilizzata per modelli da esposizione, prototipi e prodotti finiti.
• lucidatura: Rendere la superficie dei pezzi FDM liscia e lucida. Dopo la levigatura di base, si utilizzano composti o strumenti di lucidatura specifici per levigare la superficie. Questo processo rimuove i piccoli graffi e conferisce al pezzo un aspetto lucido. La lucidatura funziona bene su materiali come PLA e ABS.
• Levigatura del vapore: Un metodo speciale di finitura chimica, utilizzato principalmente per i componenti in ABS. Il componente stampato viene posizionato in un contenitore chiuso con vapori di solvente. I vapori fondono leggermente la superficie del componente, facendo sì che le linee di stratificazione si fondano e diventino lisce. Dopo il processo, il componente presenta una superficie molto liscia e lucida, senza strati visibili.