Ho da poco acquistato una stampante 3D ad estrusione, ed in questo breve blog racconto le prime esperienze fatte, i primi trucchetti che ho imparato per fare stampe buone ed i limiti che intravvedo in questo tipo di stampanti. Riporto solo quello che fin' ora ho capito ed imparato giocando con questa nuova tecnologia che, secondo me, ha ancora molto da dare ma che deve ancora essere affinata.
Avendola da poco tempo ed avendo visto che con questi aggeggi è necessario farsi molta esperienza mi scuso già per le eventuali inesattezze che scriverò. Non prendete quello che scrivo per oro colato ma come un invito a condividere le esperienze.
A proposito di esperienze voglio dire che mi sono imbattuto in un articolo il cui titolo suonava più o meno così: "Le stampanti 3D sono il futuro ma io continuo a fare solo braccialetti". Il che la dice lunga sullo stato di sviluppo di questa nuova tecnologia e sui falsi miti che si sono creati intorno. In effetti per realizzare quello che in torinese chiamiamo "giargiatule" (trad: cianfrusaglia) o "ciapapuer" (trad: acchiappapolvere, sinonimo di soprammobile) queste macchine vanno benissimo, se si ha intenzione di utilizzarle per fare qualcosa di serio e magari utile per il lavoro la musica cambia e di molto.

Principio di funzionamento

Questo tipo di apparecchiature depositano diversi strati orizzontali di materiale (chiamati layers) tramite un estrusore riscaldato che deposita un filo di plastica sciolta. In buona sostanza è come se prendessimo un tubetto di dentifricio e, spremendolo, riempissimo tutte le parti che compongono un pezzo meccanico strato per strato. Nel caso della mia stampante, una Solidoodle 4, il diametro del filo sciolto deposto è di 0,4 mm. Quindi è ovvio che non potrei realizzare una traccia più stretta di 0,4 mm anche se posso realizzare una traccia con spessore inferiore. Il come è abbastanza semplice da capire immaginando il tubetto di dentifricio con il beccuccio rivolto verso il basso ad una distanza, supponiamo di 1mm dal piano. Modulando opportunamente la pressione (limitando quindi l' uscita del dentifricio) posso realizzare uno strato di dentifricio ovviamente largo quanto il beccuccio ma sottile (teoricamente) a piacere, in questo caso di 1mm.
Strato dopo strato il pezzo viene così realizzato.
La disponibilità di motori passo passo, di guide lineari e boccole, cuscinetti e cinghie di trasmissione a basso costo ha dato la possibilità di costruire e vendere queste macchine a prezzi abbordabili. Molti degli stessi pezzi che compongono la meccanica della macchina sono realizzati con la macchina stessa. Insomma la macchina riproduce (o meglio "aiuta a riprodurre") se stessa abbattendo i costi.
Ce ne sono più o meno per tutte le tasche ma il principio di funzionamento è sempre lo stesso e gli stessi sono i problemi che s' incontrano sia che si spendano poche centinaia di euro o diverse migliaia. Sempre di plastica fusa si tratta e viene deposta sempre tramite un estrusore.
Il pezzo viene dunque realizzato deponendo il materiale su un piano di stampa. Questo, nella mia stampante, è riscaldato e ricoperto da una pellicola in Kapton, un nastro resistente alle alte temperature. La funzione di questa pellicola è importantissima perché oltre ad evitare di depositare la plastica direttamente sull' alluminio del piano, fa in modo che la plastica fusa aderisca bene, diciamo di "incollarsi" in modo sufficientemente forte e tenere ben fermo il pezzo mentre viene realizzato.
Il piano è riscaldato per fare in modo che la differenza di temperatura fra la plastica che viene depositata ed il pezzo sia bassa. In questo modo la plastica fusa, fondendo parzialmente quella depositata in precedenza, si lega ad essa.

I materiali

Ad oggi due materiali la fanno da padroni: l' ASB ed il PLA. Il primo è in pratica la plastica con cui si fanno i paraurti delle automobili quindi è rigido, lo si può forare, filettare, tagliare e rifinire. Inoltre ha ottime caratteristiche meccaniche. Nella mia stampante l' estrusore lo deposita ad una temperatura di 215°. Il secondo è un materiale ottenuto dal mais, biodegradabile, meno rigido, meno resistente. Si fora ma non benissimo, nel senso che tende a sciogliersi e si comporta un po' come il plexiglass che sappiamo non essere il massimo per le lavorazioni meccaniche ma fonde ad una temperatura inferiore e si "imbarca" di meno. Nella mia stampante l' estrusore lo deposita ad una temperatura di 185°. Ho avuto modo di provare pregi e difetti dei due materiali e li spiegherò durante l' articolo.
Per fare comunque subito un esempio e capire quanto sono diversi questi due materiali riporto l' esperienza che ho fatto. L' idea era quella di produrre una boccola (eventualmente con fori di fissaggio) con un diametro interno di 10 mm. per farci scorrere un profilato di alluminio da 10mm. Ho realizzato due versioni nei due materiali.

Boccole1.jpg

Quella trasparente è in PLA mentre quella verde è in ABS. Ho disegnato le due boccole con il diametro del for da 9,5 mm. per poi rifinirlo con una punta mediante il trapanino a colonna. Pensare di ottenere un diametro sufficientemente preciso senza rilavorare il pezzo è un' idea da scartare. Una volta realizzati i pezzo ho portato il diametro (9,2 mm. ed abbastanza irregolare) a 10 mm. Con il PLA ho dovuto faticare perché la punta tendava ad impastarsi e fare attrito. Ho dovuto ripassarla diverse volte usando un lubrificante. Con l' ABS è stato decisamente più semplice ed il risultato ottenuto è stato migliore. Il gioco è inferiore e la rilavorazione è stata molto più facile.

Boccole2.jpg

Di solito i materiali si presentano in bobine da 1KG con diametro 3 o 1,75 mm. Costano circa 30/40 euro al chilo. Solo la Cubify vende le cartucce con il filo dentro ma 3 etti di filo costano più di 80 euro e, a quanto pare, non c'è sistema per ricaricarli a mano. Quindi, per quanto mi riguarda, che si tengano le loro stampanti (almeno per ora), non avranno i miei soldi in questo modo!

Il software per disegnare

Nelle mie prove ho utilizzato due programmi CAD: il DesignSpark Mechanical che è fornito gratis dalla RS components, ed il suo fratello maggiore il SpaceClaim che ho avuto modo di utilizzare da un mio amico architetto. E' un software molto belle ma costicchia e per ora non lo acquisterò anche perché DesignSpark è praticamente un subset di SpaceClaim ed ha tutto quello che serve per fare ottimi disegni.
Anche SketchUp va bene ma non mi piace tanto, preferisco lavorare con un CAD serio forse perché sono figlio di un meccanico ed il DNA non è acqua.
La cosa importante è che il CAD, qualsiasi esso sia, possa esportare i disegni in formato STL. Questo è un esempio di cosa si può fare con DesignSpark

DesignSpark.jpg

L' idea era quella di disegnare una ruota forata per realizzare un encoder. Il CAD si è comportato bene ma il disegno chiedeva troppo alla stampante, infatti i fori quadrati hanno una larghezza di 1mm. ed ho visto che è troppo per questo tipo di stampanti, la precisione non è sufficiente soprattutto quando i movimenti non sono lungo gli assi ma inclinati. L' interpolazione provoca imprecisione.
Bisogna inoltre ricordarsi di come verrà stampato il pezzo e quindi evitare superfici piano sospese o comunque non realizzabile senza un adeguato supporto. Se è possibile estendere un bordo un passo dopo l' altro (dipende anche dal materiale) non è possibile fare ad esempio una "T". Nel caso sia necessario fare un pezzo del genere bisogna pensare di farlo poi stampare capovolto o di lato.
Non è escluso che il pezzo finale debba essere realizzato in più particolari stampati separatamente ed uniti successivamente. Per farla breve non basta disegnare un pezzo, bisogna ragionare ed adattarsi a fare quello che è possibile fare.

Il software di controllo della macchina

La mia macchina, come molte altre, viene controllata tramite un collegamento USB con un computer che utilizza un software open-source chiamato Repetier che permette di fare le seguenti operazioni:

• Posizionare uno o più modelli 3D in formato STL all' interno dell' area di stampa
• Generare un file di comandi G-CODE dei layer che compongono i pezzi che verranno poi inviati alla stampante che realizzerà i pezzi.
• Controllare manualmente la stampante ed impostare i parametri del programma che crea le sezioni (Slicer) e della stampante.

Quindi le varie operazioni che bisogna fare per realizzare da zero un particolare sono:

• Disegnare il particolare meccanico mediante un CAD.
• Esportare il disegno in formato STL.
• Lanciare il programma che controlla la stampante (il Repetier nel mio caso).
• Connettere la stampante al programma tramite l' apposito tasto del menù.
• Premere i pulsanti che attivano il riscaldamento del piano di stampa e dell' estrusore (dopo aver impostato le giuste temperature)
• Caricare il file in formato STL e posizionarlo opportunamente nel piano di stampa. La cosa è interattiva e a video si vede dove il pezzo viene posizionato.
• Selezionare il materiale che si utilizza.
• Far partire lo slicer. Dopo qualche minuto il lavoro di "affettamento" sarà finito.
• Accertarsi che il materiale esca bene dall' estrusore (ci sono dei pulsanti di "estrudi" manuali che servono proprio a questo.
• Far partire la stampa.
• Pregare che il pezzo venga bene. Le prime volte è cosa consigliata.
• Evitare la sequela di "benedizioni" se il lavoro non riesce come sperato. Non serve a niente se non a stressarsi e farsi del male da soli.

Il piano di stampa

Il piano di stampa è la cosa più importante di tutte. Grazie e per colpa del piano di stampa si possono ottenere buoni risultati o bestemmiare per giorni. Ho iniziato a fare le prime prove di stampa sul piano come me lo sono sono trovato quando ho aperto lo scatolone che conteneva la stampante. Assolutamente ignorante i materia ho fatto diverse stampe con l' ABS ma più stampavo e più i pezzi si imbarcavano.
A questo punto ho cercato in rete eventuali soluzioni a questo problema. Qualcuno diceva che il problema era il piano non abbastanza caldo, altri suggerivano di utilizzare un piano in vetro, altri di utilizzare il piano in vetro deponendoci sopra una soluzione di ABS ed acetone. Ho trovato diversi articoli che dispensavano soluzioni e, a dire il vero, mi sembravano semplicemente copiaincollati da uno solo perché poi dal punto di vista pratico le soluzioni che fornivano non sortivano l' effetto desiderato.
Sono andato dal vetraio e i sono fatto tagliare quattro vetri 200x200mm, li ho fissato con delle pinzette al piano di stampa, ho chiaramente ri-tarato lo zero del piano (lavoro che va fatto con attenzione per evitare di rompere tutto) ma i pezzi se ne andavano a spasso. La plastica non aderiva al vetro anche se rovente.
Ho anche provato a fare la soluzione di acetone con ABS ottenendo un liquido denso come un succo di frutta con cui ho ricoperto il vetro.

Succo.jpg

Ovviamente non ha funzionato neanche questo perché si crea semplicemente una patina sottile che però non aderisce. Sembra che aderisca ma dopo qualche minuto si sfoglia. Sistema scartato.
Insomma, nessuna delle soluzioni funzionava. Ho visto anche discussioni di gente disperata che dopo aver consumato 3 Kg. di ABS non è riuscita ad ottenere un pezzo decente. Poi ho preso il nastro di Kapton che avevo tolto dal piano di stampa e l' ho incollato sul vetro (difficile ma non impossibile fare bolle), l' ho pulito per bene con acetone (da freddo) e poi l' ho cosparso di succo di ABS.
Miracolo! Ecco la soluzione! Nastro di Kapton, o nuovo di pacca, o ripulito e sporcato di succo di ABS.
Tiene tantissimo, tant' è vero che ho dovuto fare attenzione nello staccare i pezzi. Ora li lascio raffreddare e, con qualche colpetto con una chiave da 13 o un martellino, faccio in modo di staccarli. Il piano ancora sporco lo riesco ad utilizzare per 3 volte consecutivamente poi lo pulisco a fondo e lo ri-sporco con il succo.
Non ne serve molto, poche gocce sul nastro pulito (e lucido). poi con un fazzolettino di carta da cucina (tipo scottex) lo spargo delicatamente su tutta la superficie in modo da renderla non più lucida. A volte sciolgo quello che è rimasto nel tovagliolo secco (della "sporcata" precedente con un po' di acetone e lo ripasso. E' sufficiente. Anche in questo caso dopo un po' di volte si prende la mano ed il lavoro viene bene.
Insieme alla stampante ho anche acquistato un piano 200x200 di Kapton pagandolo 9 dollari. Non l' ho ancora utilizzato perché con una trentina di dollari ho comprato un rotolo di nastro di Kapton da 30 metri largo 200 mm. ed uso quello. Altri ne stanno arrivando. In questo modo sono a posto per sempre, o almeno per i prossimi anni.
L' idea di utilizzare il vetro come supporto non è sbagliata, anche perché è più semplice farvi aderire il nastro seduti davanti ad un tavolo piuttosto che farlo aderire sul piano della stampante. In pratica ne ho sempre quattro belli e pronti per l' uso.

PianoVetro.jpg

Forse dalla foto si riesce a vedere che il nastro di Kapton è ancora lievemente sporco. Questo è come compare dopo una stampa. Lo utilizzerò ancora per una stampa e poi lo ripulirò e ci stenderò un sottilissimo strato di succo. E' un' operazione veloce che mi garantisce un' ottima tenuta.
Mi sento di affermare che il 99% dei problemi legati alla stampa 3D si risolvono con un buon piano di stampa dove i pezzi rimangono perfettamente ancorati.
Tutto il resto non vale niente senza di questo.

Quando l' ABS e quando il PLA

L' ABS lo preferisco non solo per le sue caratteristiche meccaniche, ma anche perché l' estrusore tende a sbavare di meno. Il problema è che rimane sempre un po' di materiale nella camera dell' estrusore ed anche se il motore che fa avanzare il filo lo ritrae, a volte rimane un sottile filo spurio. Con l' ABS in pratica non succede mai mentre con il PLA è quasi la regola, soprattutto quando la testina fa lunghi spostamenti senza deporre materiale. Il materiale esce lo stesso e fa questi pastrocchi.
Se l' ABS tende ad imbarcarsi stazzandosi dal piano il PLA fa anche qualcos' altro: tende a sollevarsi su gli spigoli vivi dei pezzi massicci. Questo perché rimane morbido più a lungo ma i passaggi successivi ed il raffreddamento progressivo riportano tutto a posto.
Per i pezzi massicci che non necessitano di post lavorazioni accurate uso il PLA, per i pezzi precisi l' ABS.
L' ABS ha però un altro difetto: a volte gli strati non si saldano bene fra di loro. Ho risolto il problema facendo un trattamento superficiale a base di acetone dopo la stampa. Con un pennellino do una passata di acetone sulla superficie. Nei punti dove non si sono saldati bene l' acetone penetra, scioglie le superfici e quando evapora le lascia saldate fra loro. Non è raro vedere che si formano delle striature dove il colore è più scuro, segno che ' acetone è penetrato bene ed ha reso i vari filamenti che compongono il pezzo finito saldati in un blocco unico. In questo modo ho visto che la resistenza del pezzo aumento di molto. Quest' operazione la ripeto tre o quattro volte. Rende anche la superficie più lucida, esteticamente più bella, ma non è quello che m' interessa.

Alcuni esempi di lavori utili

Nelle fotografie dei lavori delle stampanti 3D s' incontra sempre il busto del maestro Joda, i porta bicchieri, i braccialetti, il Buddha e tante altre cose carine ma assolutamente inutili, almeno per me.
La prima cosa utile in assoluto che ho realizzato è stato un supporto per un motore stepper ed una lancetta da fissare all' alberino. Mi serviva avere fisicamente lo stepper messo da qualche parte in modo da poter verificare il firmware.

Stepper&driver.jpg

Il materiale è PLA, il supporto è stato stampato con la parte visibile anteriore rivolta verso il basso e la lancetta appoggiata sulla faccia non visibile. Il foro per il grano è stato rilavorato con un trapano e filettato. Questo mi ha dato la possibilità di evitare di farmi una flangia in compensato, trovare una boccola con un grano su cui incollarci una lancetta e tutto il resto. In questo casi mi è stato molto utile.
In alta a sinistra della foto si intravede anche un supporto per lampada. La lampada è una di quelle con la lente e la "circolina", il tubo fluorescente per l' illuminazione. Pesa tantissimo ed il supporto originale era tanto stupido quanto debole. Ho disegnato il supporto e l' ho realizzato con la stampante eliminando definitivamente il problema perché è avvitato alla scrivania con 4 viti da legno 4,5x25mm. In buona sostanza non mi succederà più di vedermi crollare la lampada sulla scheda mentre la monto. Dopo di questo ne ho realizzati altri quattro per altrettante la mpade a pantografo che ora sono bene fissate e stabili dove devono essere.

Utili diventeranno questi blocchetti che sto disegnando e che mi permetteranno, insieme a profilati di alluminio che si trovano ovunque, di realizzare dei telai e attrezzature per il collaudo delle schede che produco.

Scorrevoli.jpg

Come si vede dall' immagine questi sono dei collari scorrevoli che stringono un profilato in Al di 20x20mm ed hanno un perno su cui inserire un profilato cavo di 10x10mm. Insieme ad angolari, giunti, boccole posso realizzare i telaietti che mi servono.
Su questi telaietti verranno anche fissati oggetti come questo, composto da due particolari tenuti insieme da due viti, che sostengono 16 ricettacoli per i pin di test a molla.

TestPins.jpg

I fori sono stati rilavorati in modo da garantire precisione, quindi prima ho allargato i due fori della parte lunga. poi uno solo di quella a U ed ho tenuto i due pezzi insieme con una spina da 3mm di diametro. Ottenuto così il riferimento o allineato i pezzi ed allargato l' altro foro del pezzo ad U.
I fori dei ricettacoli non sono stati fatti dalla stampante ma a mano. Distano 5,08mm e le posizioni devono essere precise. Impensabile far realizzare fori di precisione de 1,5 e 1,7mm. dalla stampante li ho fatti utilizzando una dima con i riferimenti dei due fori laterali. Una volta fissato al telaietto, questo oggetto mi permetterò di collegarmi ad un connettore che è montato nella parte di sotto del circuito stampato e quindi non raggiungile dai pin messi nalla parte inferiore. Purtroppo non posso collaudare la scheda capovolta ed appoggiata ad un letto di pin fissati su un piano forato da un terzista con una macchina CNC perché non vedrei i display ed i LED montati. Devo vederli per verificarne il funzionamento quindi questi segnali li devo prendere per forza da sopra.

Conclusioni

Per come la vedo io queste stampanti non sono la soluzione finale a tutti i problemi legati alla realizzazione di pezzi meccanici ma, almeno per quanto riguarda il mio lavoro, un' utilissima attrezzatura per la realizzazione di prototipi ed attrezzature a basso costo. Questo almeno per quanto riguarda il lato professionale.
A livello personale la cosa è diversa. Questa stampante è anche un bellissimo passatempo, una sorta di "Lego" in versione seria con cui mi diletto nei (pochi) momenti liberi che ho. Grazie a questa macchina ho ripreso a fare disegni meccanici, ho rispolverato cognizioni che avevo messo nel cassetto da tempo e devo dire che la cosa è molto divertente, almeno per me.
E non è un male quando l' alternativa è andare al bar o farsi rintronare dalla TV.

Un saluto a tutti e buona sperimentazione!

Addendum

Qui di seguito sono riportati gli aggiornamenti in base alle esperienze fatte

• 27/06/14 E' da diverso tempo che utilizzo delle lastre di vetro smerigliato, traslucido, come supporto. Trovo che siano migliori perché il nastro di kapton tende a fare meno bolle durante la posa e si stacca più facilmente in caso di sostituzione. Costicchiano un po' ma ne vale la pena.