Tutto sui supporti nella stampa 3D. Come e quando crearli, come semplificare la loro rimozione.

Pietro Meloni Guide, Stampa 3D 0 Comments

Cominciamo dal nome. La parola Supporti non mi soddisfa del tutto. Preferirei usare la parola Sostegni.

Lo scopo è infatti quello di sostenere strutture costruttive per un tempo limitato, nella fattispecie, parlando di stampanti FDM, sino a che il filamento depositato non solidifica.
Nell’edilizia, si chiamano spesso “impalcature”, e anche questo nome andrebbe bene. Si presuppone infatti che i nostri sostegni o impalcature che siano verranno rimossi quando non ce ne sarà più bisogno, mentre spesso quando si parla di supporti, si fa riferimento a strutture a carattere permanente.

Impalcatura in bambù, una forma di supporti

 

Beh, ci siamo divertiti abbastanza con le questioni lessicali. Purtroppo il termine è ormai entrato nel linguaggio comune, e quindi continueremo nell’articolo a chiamarli supporti; pace se questa non è esattamente la parola giusta.

Concentriamoci piuttosto nel capire a che servono, quando e come vanno collocati, come rimuoverli.

Ricorriamo nuovamente all’edilizia, per un esempio chiarificatore. I materiali utilizzati (cemento, malta etc.) hanno la caratteristica di essere colabili o plasmabili all’atto della loro deposizione, per divenire successivamente rigidi e in grado di supportare un carico. Questo non vuol dire tuttavia che ogni costruzione realizzata con malta o cemento debba necessariamente essere supportata: ad esempio, generalmente un muro non ne ha bisogno. Ma un solaio o un balcone si; è necessaria una impalcatura, che deve essere collocata prima della deposizione del materiale, e rimossa quando quest’ultimo è solidificato.

L’impalcatura, deve avere almeno due precise caratteristiche. Deve essere sufficientemente stabile e robusta da sostenere senza esitazioni il materiale che verrà applicato, e sufficientemente agevole da rimuovere a cose fatte. Dato che lo scopo è lo stesso, anche i nostri supporti dovranno avere queste due caratteristiche.

Doppio estrusore utilizzabile per la generazione dei supporti

E qui, le strade si dividono. Abbiamo due o più estrusori? Potremo utilizzare due materiali diversi, uno per la costruzione e un altro, con caratteristiche più adatte, per i supporti.

Abbiano un solo estrusore? No chance, dovremo utilizzare lo stesso materiale (filamento) che impieghiamo per la costruzione. Magari, deponendolo diversamente.

Indipendentemente da questa (grossa) differenza, della quale parleremo approfonditamente in seguito, cominciamo a discutere di dove, come e quando collocarli. La maggior parte dei programmi di slicing provvede in modo semiautomatico alla generazione dei supporti necessari, in base sia alle caratteristiche geometriche del modello che intendiamo ottenere, sia in base ad alcune scelte (parametri) dell’operatore.

L’aspetto più importante di queste scelte è l’angolo di generazione. Questo parametro determina quali superfici verranno supportate e quali no in base al loro angolo di inclinazione rispetto all’orizzontale o alla verticale a seconda del software.

In altri termini, durante la generazione del percorso di deposizione, lo slicer analizza attentamente quanto le singole superfici risultino inclinate (in sottosquadro), e genera i supporti per quelle superfici che superano l’angolo massimo di inclinazione impostato nei parametri, per poterle sostenere in fase di costruzione.

Come facciamo a sapere qual’è l’angolo di inclinazione corretto da impostare?

Bella domanda. Iniziamo col dire: col buonsenso. La prima cosa da fare è ovviamente quella di collocare il modello sul piano di lavoro in maniera che si creino minori necessità di generare supporti possibile. Un esempio tra tutti: dovendo stampare un modellino di un tavolo, se dovessimo collocarlo come in genere vediamo un tavolo (con le gambe a contatto del pavimento), sarebbe necessario supportare tutta la superficie dell piano del tavolo. Basta capovolgerlo, per eliminare completamente la necessità di supporti. Quindi, prima di tutto, studiamo la collocazione. Non trascurando il fatto che la superficie di contatto con il piano di lavoro deve comunque essere abbastanza ampia per assicurare una buona adesione.

Assodato questo aspetto, nella scelta dell’angolo dobbiamo considerare che una quantità insufficiente di supporti potrebbe compromettere la qualità delle superfici, o determinare un cedimento strutturale – distacco di parti del modello. Per contro, troppi supporti aumenterebbero senza motivo i tempi di stampa, il costo di materiale e renderebbero più complicata la rimozione e la finitura del modello. Quindi, dobbiamo impostare un angolo tale da fare in modo che la quantità di supporti sia sufficiente ma non eccessiva.
Il valore ottimale varia in base a diversi aspetti.

  • a seconda del materiale di costruzione. Ad esempio, il PLA si può generalmente stampare con meno supporti rispetto all’ABS; la distanza che può essere coperta “senza rischi” tra un supporto e il successivo (ponteggio – bridge) è più lunga.
  • a seconda del diametro dell’ugello. Un ugello di diametro maggiore permette ad esempio di creare pareti a strapiombo con un angolo più pronunciato, senza la necessità di aggiungere supporti.

Nello schema in basso, si può vedere come – a parità di quantità di sovrapposizione tra un layer e il successivo, un ugello di diametro più grande consenta di gestire un angolo di inclinazione maggiore di una parete:

Diametro ugello e angolo inclinazione nei supporti

Un buon valore di riferimento con ugello 0,4mm per l’ABS è un angolo di 20-30° rispetto all’orizzontale (80-70° rispetto alla verticale). Questo valore assicura una quantità moderata di supporti, che sono comunque sufficienti a sostenere la costruzione. Il PLA si accontenta mediamente di 5° in meno.
Può comunque risultare necessario variare questo valore anche di molto, in casi particolari. Vediamo un esempio.

Il modello da stampare è un simpatico minions che tiene in mano un cuore.

minions per il calcolo supporti

Con lo slicer Z-Suite, impostiamo il consueto valore di angolo di 20° rispetto all’orizzontale, che generalmente funziona bene. Il risultato è questo, apparentemente corretto:

minions con supporti a 20°

Ma esaminiamolo meglio. Se provassimo a stampare questo modello con le attuali impostazioni, andremmo probabilmente incontro ad una brutta sorpresa. Utilizziamo l’anteprima per sezioni, esplorando i primi layer:

primi layer dei supporti

Nel particolare ingrandito, si vede chiaramente che la base del cuore ha una superficie minima di contatto, e per una certa altezza non è sostenuto. Con grande probabilità, cadrà prima che il cuore si “congiunga” al corpo.

Vediamo lo stesso dettaglio, ma con i supporti calcolati con un angolo di 60°, molto più “conservativo”:

supporti con angolo conservativo

Possiamo vedere ora che la base del cuore è completamente sostenuta. Con queste impostazioni, possiamo stampare con sicurezza.

Rapporto tra la superficie di base e l’altezza dei supporti

Un’altra “insidia” nella creazione dei supporti è il rapporto tra la superficie di base e l’altezza, che ne influenza la solidità. Anche in questo caso, ci aiutiamo con un esempio.

Supponiamo di voler stampare una miniatura di un corpo umano, nel quale la le braccia sono disposte lungo i fianchi. Con buone probabilità, le prime necessità di supporto si verificheranno in corrispondenza dei gomiti e del mento. Si verranno quindi a creare dei supporti “stretti” e “lunghi”, come quelli nell’immagine. Qual’è il problema: che con le immancabili vibrazioni, e lo sfioramento dell’ugello sui supporti nei vari movimenti, questi supporti “fragili” probabilmente cadranno prima di assolvere alla loro funzione.

supporti stretti e lunghi

 

Se disponiamo di uno slicer che lo consente (dotato ad esempio di supporti manuali), possiamo irrobustire i sostegni:

supporti manuali irrobustiti con Craftware

Ma anche nel caso in cui lo slicer che utilizziamo non disponga di supporti manuali, possiamo affrontare questo genere di situazioni, risolvendo il problema con il software di modellazione.

Sarà sufficiente costruire delle strutture adeguate, e farle arrivare a qualche millimetro dal modello. Attivando poi normalmente la generazione dei supporti automatica, questi verranno aggiunti per colmare il divario tra strutture realizzate con il software CAD e il modello reale.

Vediamo un esempio (nota: per semplicità, il supporto riguarda soltanto la zona del mento)

 

supporto creato manualmente

Nell’immagine, la parte in rosso è stata creata manualmente e costituisce una base per il supporto di una specifica zona

supporto modellato

Nel dettaglio, il software crea il supporto tra il sostegno creato con un CAD e il modello

 

 

 Distanza del supporto dal materiale di costruzione

Una volta orientato il modello nel modo più conveniente, e definito l’angolo di supporto, restano ancora (nella maggior parte dei software di slicing) alcuni aspetti da definire.
Uno tra i più importanti è la distanza tra il materiale di supporto e quello di costruzione.
Questa valore, espresso generalmente da tre parametri (distanza in verticale, distanza dal piano di costruzione e distanza dal modello), permette di fare in modo che il supporto aderisca con maggiore o minore forza al materiale del modello. Ovvero risulti più o meno stabile, e corrispondentemente più o meno semplice da rimuovere al termine della stampa. Certo, strutture più facilmente rimovibili sono comode; d’altro lato, se sono troppo facilmente rimovibili si rischia che si distacchino prima del tempo, lasciando il materiale senza sostegni. A seconda del tipo di filamento che stiamo stampando, e del suo grado di adesione inter-layer, dovremo aumentare o diminuire questi valori. Ad esempio, gli elastomeri e il Polipropilene hanno una forte adesione tra strato e strato; quando li usiamo, dovremo aumentare la distanza dei supporti, altrimenti non si staccheranno più.

Geometria dei supporti

Alcuni programmi consentono di sceglierla, per rendere le strutture di sostegno più o meno robuste, e più o meno “conformi” rispetto al modello che dovranno sostenere. Ad esempio, il validissimo IdeaMaker consente di creare le strutture in modalità standard o in modalità pilastro (pillar). In entrambi i casi i supporto potranno essere semplici linee (a zig-zag) o griglie, e sulla sommità potranno venire o meno costruite superfici che replicano la forma delle superfici del modello sovrastante (dense layer).

Vediamo qualche esempio. In basso, il modello per il quale dobbiamo creare dei supporti.

Vista di sezione supporti standard tipo linee

Nell’immagine in alto, la vista di sezione del modello, per il quale sono stati creati supporti Standard – tipo linee.

supporti_standard_tipo_griglia

In questa seconda immagine, i supporti sono sempre Standard, ma tipo griglia. La robustezza è senza dubbio maggiore (e anche la difficoltà di rimuoverli).

In questa terza immagine, i supporti sono a Pilastro (Pillar), con tipo linee. Rispetto alla prima immagine (Standard), i supporti risultano inferiori, e non sono connessi tra loro. Questo rende più facile la rimozione, ma risultano anche più fragili.

Nella quarta immagine, i supporti sono nuovamente a Pilastro (Pillar), con tipo griglia. Risultano più robusti dei precedenti, ma rispetto ai supporti Standard comunque limitati alle sole zone con angolo critico.

Supporti pilastro tipo griglia con dense layer

In questa immagine, i supporti precedenti, con l’opzione “Dense layer” attivata. Prima del materiale di costruzione, vengono creati due strati “densi”, che migliorano la qualità delle superfici supportate. Dense layer può essere applicato anche ai supporti Standard, sia di tipo linea che di tipo griglia.

Come regolarsi con queste otto diverse combinazioni di opzioni? Cerchiamo di fornire qualche indicazione.

  • Supporti Standard con tipo linee – No Dense Layer. Sono adeguati per sostenere modelli geometrici (es. plastici) caratterizzati da superfici da supportare di tipo semplice.
  • Supporti Standard con tipo griglia – No Dense Layer. Consigliati, sempre per modelli geometrici, quando i supporti risultano alti e stretti, per aumentarne la rigidità.
  • Supporti Pilastro con tipo linee – No Dense Layer. E’ una soluzione che consente di ridurre al minimo, preservando le superfici con angoli critici, la quantità di supporti, e quella che permette in assoluto la rimozione più facilitata.
  • Supporti Pilastro con tipo griglia – No Dense Layer. E’ una variante più robusta della precedente.
  • Opzione Dense Layer attivata: questa opzione, attivabile per tutte le combinazioni precedenti, fa in modo che venga creato, tra la fine del supporto e la relativa superficie del modello, uno strato più denso, composto di N layer. La presenza di questo strato più denso permette di sostenere con maggiore efficacia superfici complesse, es. organiche, o minuti dettagli.

Oltre a questa serie di possibilità offerte dagli slicer “aperti” (queste possibilità non sono presenti in Z-Suite, ad esempio, che controlla in modo automatico i supporti), l’operatore ha la facoltà di decidere la densità del supporto. Questo parametro, generalmente una percentuale rispetto al volume, opera in modo simile all’analogo parametro usato per il riempimento (Infill). Ovvero, 100% indica un supporto “solido”, mentre valori bassi (5-10%) indicano un supporto molto “rado”. La densità influisce ovviamente sulla robustezza dei supporti, sul tempo di stampa e materiale consumato, e sulla facilità o meno di rimozione.

I supporti con il doppio estrusore

Ci eravamo ripromessi di discutere di questo affascinante argomento all’inizio dell’articolo, ed eccoci arrivati al punto. La questione è abbastanza semplice: un doppio estrusore consente di utilizzare contemporaneamente, nella stessa stampa, due materiali diversi. Ovvero, nella fattispecie, un materiale più adatto per la costruzione vera e propria, ed un differente materiale, più adatto per sostenerla ove necessario.

Tornando per un momento all’edilizia, è una cosa che si usa spesso: gli edifici sono generalmente costruiti in laterizi, malta, cemento, mentre i supporti sono in acciaio o legno. Il vantaggio di un doppio materiale è evidente; ciascuno dei due è più adatto alla funzione che deve svolgere nella costruzione.

Nello specifico, utilizzare due estrusori in relazione ai supporti consente di:

  • utilizzare un materiale di supporto più facilmente rimovibile meccanicamente rispetto al materiale di costruzione del modello. Ad esempio, si può usare il filamento PolySupport, che risulta facile da asportare e non si fissa al materiale del modello. Un video di esempio è disponibile al seguente collegamento.
  • utilizzare un materiale di supporto solubile, che può essere – una volta terminata la stampa – disciolto in acqua o solvente.

Questa seconda opzione, della quale parleremo in modo approfondito in un articolo di prossima pubblicazione, prevede fondamentalmente l’utilizzo di due tipologie di filamento per i supporti:

  • PVA e sue varianti. E’ un filamento a base di alcool polivinilico, un polimero sintetico solubile in acqua (formula ideale [CH2CH(OH)]n)Questo materiale è largamente utilizzato nei collanti per la carta, cosmetici, decalcomanie etc. A fronte del vantaggio di poter essere disciolto in acqua, presenta il problema di una elevata igroscopia; la vita utile di una bobina una volta aperta è particolarmente breve (giorni o addirittura ore a seconda dell’umidità dell’aria). E’ inoltre un filamento costoso, e tende a formare residui carboniosi nell’ugello se si utilizzano temperature troppo elevate.

    supporti in PVA
    Un ulteriore parziale svantaggio del PVA è la sua difficoltà di stampa, e di adesione al materiale di costruzione. I parametri sono molto critici, ed in generale è necessario aumentare notevolmente il flow rate rispetto ad un filamento “normale”.

  • HIPS. E’ un polimero della famiglia dei polistirene, alla quale appartiene anche l’ABS. Può essere disciolto in Lemonene, un idrocarburo ricavato dalla buccia dei limoni, della quale conserva il caratteristico odore. L’HIPS è un filamento di costo comparabile ai normali PLA ed ABS, non particolarmente igroscopico (quindi con un ciclo di vita una volta aperto molto più lungo rispetto al PVA), e molto più facile da stampare.
    Un video relativo al suo utilizzo è disponibile al seguente collegamento. Il tempo necessario per il completo scioglimento è relativamente lungo: dalle 12 alle 30 ore, a seconda del modello.

Sull’utilizzo di materiali di supporto specializzati con il secondo estrusore verrà a breve pubblicata una guida specifica.

 

Questo articolo ti piace?

Lascia un commento