Consigli di progettazione per la stampa 3D FDM

La modellazione a deposizione fusa (FDM) è una delle tecnologie di stampa 3D più convenienti, il che ne fa una scelta diffusa per la prototipazione, i test funzionali e la produzione su scala ridotta. Tuttavia, per i casi che richiedono quantità più elevate, una migliore ripetibilità o una maggiore velocità di produzione, processi industriali come la SLS o la MJF (con materiali come PA 12) sono più adatti. Sebbene la FDM sia un processo altamente versatile, ha una velocità di stampa limitata rispetto a queste tecnologie, per questo non è l’opzione più indicata per la produzione in serie su larga scala. In ogni caso, la sua convenienza e la scelta di materiali la rendono una soluzione utile per molte applicazioni.

Nikolaus Mroncz

Head of Sales Engineering

Per ottenere parti FDM di alta qualità, seguire le giuste linee guida di progettazione è fondamentale. Molti problemi comuni, tra cui deformazione, scarsa adesione degli strati o consumo eccessivo di materiale, sono spesso legati a difetti di progettazione. Per evitare questi problemi e migliorare la resistenza della parte, occorre prestare attenzione a fattori come strutture di supporto adeguate, spessore delle pareti ottimale e bordi arrotondati. Ecco alcuni consigli essenziali per la progettazione di parti FDM da tenere a mente.

#1 Scegli uno spessore delle pareti adeguato

Uno degli errori più comuni nella stampa 3D FDM è l’utilizzo di pareti troppo sottili o troppo spesse. Quelle troppo sottili tendono a deformarsi e richiedono strutture di supporto, che fanno aumentare i costi di produzione. Anche progettare parti con pareti eccessivamente spesse richiede più materiale per la produzione. La soluzione per ridurre al minimo i costi è ottimizzare il design.

Regola generale:

Progetta pareti con spessore di almeno 1,00-1,50 mm o pari a tre volte il diametro dell’ugello.
Usa strutture interne reticolari anziché pareti piene in modo da ridurre peso e consumo di materiale.

#2 Ottimizza le sporgenze e i ponti

La stampa 3D FDM crea le parti strato dopo strato, il che significa che ogni nuovo strato deve essere adeguatamente supportato da quello sottostante. Senza una progettazione accurata, le sporgenze e i ponti, ovvero elementi che si estendono verso l’esterno o tra due lati della parte senza un supporto diretto, possono cedere, incurvarsi o sviluppare superfici grossolane. Ciò avviene perché la termoplastica fusa si comporta come un semiliquido quando estrusa e, senza sufficiente materiale sottostante, la gravità la attira verso il basso prima che si solidifichi del tutto.

Per ottenere parti di alta qualità ed evitare difetti, i designer dovrebbero ridurre al minimo le sporgenze e i ponti privi di supporti oppure utilizzare strutture di supporto in modo strategico.

Regola generale:

Le sporgenze che superano l’angolazione massima di 45° richiedono supporti.
I ponti più lunghi di 5 mm possono richiedere supporti aggiuntivi o modifiche del design.
Bordi smussati o arrotondati per migliorare la stampabilità delle sporgenze.

# 3 Riduci al minimo le deformazioni con una progettazione adeguata

La deformazione è uno dei difetti più comuni nella stampa 3D FDM e si verifica quando la parte stampata si raffredda in maniera non uniforme, con conseguenti restringimento e distorsioni del materiale. La termoplastica si contrae leggermente mentre si raffredda, e se aree diverse si raffreddano a velocità diverse, possono accumularsi sollecitazioni interne che fanno sollevare la parte dal letto di stampa o provocano distorsioni. La deformazione risulta particolarmente problematica per le ampie superfici piatte e i materiali a elevata dilatazione termica, come l’ABS.

Regola generale:

Evita le ampie superfici piatte e aggiungi raccordi o smussature per ridurre le sollecitazioni interne.
Usa orli, basi o bordature per migliorare l’adesione al letto di stampa.
Ottimizza la scelta dei materiali (ad es. PLA o PETG, che si deformano meno dell’ABS).

#4 Usa strutture di supporto nel modo corretto

Le strutture di supporto sono necessarie per stampare geometrie complesse, sporgenze e ponti, ma se il materiale di supporto non viene posizionato in modo ottimale, può essere difficile da rimuovere e lasciare imperfezioni superficiali, oltre ad aumentare il tempo di stampa. Invece di inserire troppi supporti, ottimizzare l’orientamento delle parti e usare una quantità minima di materiale di supporto aiuta a migliorare la qualità di stampa e a ridurre la necessità di operazioni di post-lavorazione.

Regola generale:

Orienta le parti in modo da ridurre la necessità di supporti.
Usa supporti ad albero o solubili per una rimozione più semplice.
Posiziona i supporti lontano dalle superfici critiche per ridurre al minimo la post-lavorazione.

#5 Orienta le parti in modo da migliorare resistenza e qualità superficiale

Le parti FDM risultano più deboli lungo l’asse Z a causa della limitata adesione tra gli strati. Ciò significa che le parti tendono a rompersi lungo gli strati stampati quando esposte a forze di trazione o flessione. Inoltre, l’orientamento delle parti influisce sulla levigatezza superficiale, per questo occorre ricordare che le linee degli strati visibili sono più pronunciate sulle superfici curve e inclinate.

Regola generale:

Gli elementi fragili devono sempre essere paralleli alla piattaforma di stampa.
Orienta i fori verticalmente per ridurre la necessità di strutture di supporto.
Allinea le superfici curve o inclinate parallelamente alla piattaforma di stampa per ridurre al minimo i dislivelli.

#6 Prevedi un gioco appropriato per le parti complementari

Le parti complementari realizzate tramite stampa 3D FDM richiedono una progettazione accurata dei giochi per garantire un accoppiamento perfetto ed evitare che si fondano tra loro o risultino troppo allentate. A causa di fattori come espansione termica, variazioni tra gli strati e tolleranze della stampante, progettare parti con dimensioni nominali esatte può comportare problemi di aderenza imprevisti.

Regola generale:

Gioco di 0,15 mm per un accoppiamento con interferenza.
Gioco di 0,2–0,3 mm per un accoppiamento a scorrimento.
Cerca di orientare in modo simile i componenti da stampare come assemblaggio. Inoltre, assicurati che la superficie di interfaccia sia perpendicolare (verticale) alla piattaforma di stampa.
Puoi separare i modelli 3D intricati in più pezzi da stampare uno per volta quando non è possibile applicare il gioco minimo richiesto.

#7 Progetta colonne, perni e dettagli di piccole dimensioni pensando alla stampabilità

Elementi piccoli e sottili come le colonne e i perni sono spesso troppo fragili per sopravvivere al processo di stampa FDM, specialmente se sono al di sotto dei limiti di risoluzione della stampante. Potrebbero infatti spezzarsi durante la post-lavorazione o rompersi durante la stampa a causa di supporti insufficienti. Per evitare questi problemi occorre scegliere le giuste proprietà del materiale, l’orientamento di stampa corretto e le dimensioni minime dei dettagli.

Regola generale:

Progetta colonne con diametro minimo di 2-3 mm.
I perni dovrebbero avere un diametro di almeno 1 mm ed essere più corti possibile.
Usa il PLA o materiali adatti alla stampa di dettagli intricati di piccole dimensioni.
Usa strutture di supporto per i dettagli di piccole dimensioni per migliorarne la stabilità.

#8 Aggiungi raccordi e smussature per ridurre la concentrazione di sollecitazioni

Gli angoli acuminati rappresentano dei punti deboli nelle parti realizzate tramite stampa FDM, poiché creano aree ad alta concentrazione di sollecitazioni da cui possono svilupparsi crepe. Questo problema è particolarmente rilevante nei componenti portanti, in cui una rottura potrebbe compromettere le prestazioni. L’aggiunta di raccordi (angoli arrotondati) e smussature (bordi angolari) consente di distribuire le sollecitazioni in modo più uniforme e di conseguenza di ridurre le rotture e migliorare la resistenza.

Regola generale:

Assicurati che il raggio del raccordo corrisponda allo spessore delle pareti per una resistenza uniforme.
Evita raccordi sui primi strati per evitare deformazioni.
Usa smussature invece che bordi acuminati per migliorare la resistenza della parte e facilitare la rimozione.
Aggiungi smussature e raccordi alle superfici sporgenti con angolatura superiore a 45° per eliminare la necessità di supporti.

#9 Usa estrusioni e rinforzi per rendere le parti più resistenti senza consumo superfluo di materiale

Le estrusioni (sporgenze cilindriche) e i rinforzi (supporti verticali sottili) migliorano la resistenza della parte senza aumentare il consumo di materiale. Le estrusioni fungono da punti di montaggio per dispositivi di fissaggio o connettori, mentre i rinforzi forniscono ulteriore supporto strutturale per rafforzare le sezioni deboli. Questi elementi contribuiscono a migliorare la resistenza riducendo al contempo il peso e il tempo di stampa complessivi.

Regola generale:

Le estrusioni dovrebbero corrispondere allo spessore della parte o essere inferiori di 0,5 mm.
Aggiungi sempre rinforzi alle estrusioni per aumentare la resistenza.

#10 Dimensioni appropriate delle scritte goffrate e incis

Le scritte o i loghi goffrati e incisi possono risultare difficili da leggere se di dimensioni troppo ridotte. Le stampanti FDM non offrono lo stesso livello di risoluzione di tecnologie come la SLA, pertanto è necessario progettare scritte abbastanza grandi da consentire una riproduzione chiara.

Regola generale:

Scritte goffrate: 0,8 mm di spessore, 1,5 mm di altezza.
Scritte incise: 1,0 mm di spessore, 0,3 mm di profondità.
Per una migliore leggibilità, è consigliabile posizionare le scritte sulle superfici superiori della parte anziché sulle pareti verticali.
Usa caratteri sans serif grassetto come Arial, Century Gothic Bold o Verdana per maggiore chiarezza.

Guida di riferimento alle specifiche della tecnologia FDM

La tecnologia di stampa 3D FDM ha delle limitazioni che dipendono dalle capacità della stampante. La seguente tabella riassume le specifiche essenziali da tenere sempre a mente quando si progettano modelli 3D da stampare con questa tecnologia.

Specifica	Dettagli
Volume di stampa massimo	Fino a 900 x 600 x 900 mm. Standard: 350 x 350 x 350 mm. Industriale: 900 x 600 x 900 mm
Spessore minimo dei dettagli	0,20 mm
Spessore minimo delle pareti suggerito	1,00 mm (con supporti), 1,20 mm (senza supporti)
Spessore dello strato	0,05-0,30 mm
Tolleranza generale	±0,5% (±0,5 mm)

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La qualità delle parti stampate in 3D non dipende esclusivamente dal design. Pur tenendo conto di tutte le buone pratiche di progettazione per la stampa FDM illustrate in questo articolo potresti ottenere parti difettose. Si tratta di un inconveniente che capita spesso nel processo di stampa. Se il materiale usato non è all’altezza e le impostazioni di temperatura non sono corrette, il più delle volte la qualità risulterà compromessa.

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