Sebbene la stampa 3D produca modelli piuttosto dettagliati che sembrano quasi identici all'immagine CAD, la precisione dimensionale e la tolleranza non sono perfettamente identiche. Si tratta di un fenomeno chiamato contrazione, che si verifica nelle stampe 3D e di cui probabilmente non ci si accorge.

Ho pensato a quanto si restringe la stampa 3D, una domanda ideale per chi vuole creare oggetti funzionali che richiedono tolleranze strette, e ho deciso di scoprirlo e condividerlo con voi.

In questo articolo spiegheremo cos'è il restringimento, di quanto è probabile che le vostre stampe 3D si restringano e quali sono i metodi di compensazione del restringimento da utilizzare.

Che cos'è il restringimento nella stampa 3D?

Il ritiro nella stampa 3D è la riduzione delle dimensioni del modello finale dovuta alle variazioni di temperatura tra gli strati di materiale termoplastico fuso e quelli estrusi raffreddati.

Durante la stampa, l'estrusore fonde il filamento di stampa per creare il modello 3D e il materiale si espande durante questo processo. Quando gli strati iniziano a raffreddarsi subito dopo l'estrusione, il materiale aumenta di densità ma si riduce di dimensioni.

La maggior parte delle persone si accorge di questo fenomeno solo quando ha un modello che richiede una maggiore precisione dimensionale.

Il ritiro non è un problema quando si stampano modelli estetici come opere d'arte, vasi e giocattoli. Quando si passa a oggetti con tolleranze strette, come una custodia per telefono o un supporto che collega oggetti tra loro, il ritiro diventa un problema da risolvere.

Si verifica in quasi tutti i processi di stampa 3D a causa delle variazioni di temperatura, ma la velocità con cui si verifica varia a seconda di alcuni fattori.

Questi fattori sono il materiale utilizzato, la temperatura, la tecnologia di stampa e il tempo di polimerizzazione delle stampe in resina.

Tra tutti questi fattori, quello che forse influisce maggiormente sul ritiro è il materiale utilizzato.

Il tipo di materiale utilizzato influisce sul grado di contrazione del modello.

Anche la temperatura di stampa e la velocità di raffreddamento sono fattori importanti: il ritiro può verificarsi se il modello viene stampato a una temperatura elevata o se viene raffreddato troppo velocemente.

Un raffreddamento rapido e non uniforme può addirittura portare a una deformazione, che può danneggiare il modello o rovinare del tutto la stampa. Molti di noi hanno sperimentato questa deformazione, che sia dovuta a correnti d'aria o semplicemente a una stanza molto fredda.

Una cosa che mi ha aiutato con la deformazione e che ho implementato di recente è l'utilizzo di un materassino isolante per letti riscaldati HAWKUNG sotto la mia Ender 3. Non solo aiuta con la deformazione, ma accelera anche i tempi di riscaldamento e mantiene una temperatura del letto più costante.

Infine, anche il tipo di tecnologia di stampa utilizzata determina l'entità della contrazione riscontrata nel modello. Le tecnologie più economiche, come la FDM, di solito non possono essere utilizzate per realizzare pezzi di alta qualità con tolleranze ristrette.

Le tecnologie SLS e di getto di metallo giustificano il loro prezzo elevato producendo modelli accurati.

Fortunatamente, esistono molti modi per tenere conto del ritiro, consentendoci di produrre pezzi dimensionalmente precisi senza troppi problemi, anche se è necessario conoscere le tecniche giuste.

Quanto si restringono le stampe in ABS, PLA e PETG?

Come abbiamo detto in precedenza, il tasso di ritiro dipende in larga misura dal tipo di materiale utilizzato e varia da un materiale all'altro. Diamo un'occhiata a tre dei materiali di stampa 3D più utilizzati e alla loro resistenza al ritiro:

PLA

Il PLA è un materiale organico e biodegradabile, utilizzato anche nelle stampanti FDM. È uno dei materiali più utilizzati nella stampa 3D perché è facile da stampare e non è tossico.

Il PLA soffre di una contrazione minima, con tassi di ritiro compresi tra lo 0,2% e il 3%, poiché è una termoplastica a bassa temperatura.

I filamenti di PLA non necessitano di temperature elevate per essere estrusi; la temperatura di stampa è di circa 190℃, inferiore a quella dell'ABS.

Il ritiro del PLA può essere ridotto anche stampando in un ambiente chiuso o semplicemente ridimensionando il modello per compensare il ritiro.

Ciò funziona perché riduce i rapidi cambiamenti di temperatura e lo stress fisico sul modello.

Penso che questi tassi di ritiro dipendano dalla marca e dal processo di produzione, e anche dal colore del filamento stesso. Alcuni hanno scoperto che i colori più scuri tendono a ritirarsi di più rispetto a quelli più chiari.

ABS

L'ABS è un materiale di stampa a base di petrolio utilizzato nelle stampanti FDM. È molto usato per la sua elevata forza, resistenza al calore e versatilità. Si può trovare in qualsiasi cosa, dalle custodie dei telefoni ai Lego.

L'ABS ha un tasso di ritiro molto elevato, quindi se avete bisogno di stampe 3D precise dal punto di vista dimensionale, cercherei di evitare di usarlo. Ho visto persone commentare tassi di ritiro che vanno dallo 0,8% all'8%.

Sono certo che si tratta di casi estremi e che sarebbe possibile ridurli con la giusta configurazione, ma è un buon esempio per illustrare quanto possa essere grave il restringimento.

Uno dei modi principali per ridurre la contrazione è stampare alle giuste temperature del letto riscaldato.

L'uso di un letto riscaldato correttamente calibrato aiuta l'adesione del primo strato e impedisce che lo strato inferiore si raffreddi troppo velocemente rispetto al resto della stampa per evitare deformazioni.

Un altro consiglio per ridurre la contrazione è quello di stampare in una camera chiusa, in modo da isolare la stampa 3D dalle correnti d'aria esterne e garantire un raffreddamento non uniforme.

La camera chiusa mantiene la stampa a una temperatura costante quasi plastica fino al completamento della stampa e tutte le sezioni possono raffreddarsi alla stessa velocità.

Un'ottima copertura che migliaia di persone hanno utilizzato e apprezzato è la Creality Fireproof & Dustproof Enclosure di Amazon, che mantiene un ambiente a temperatura costante ed è molto facile da installare e mantenere.

Inoltre, garantisce una maggiore sicurezza in termini di incendi, riduce le emissioni sonore e protegge dall'accumulo di polvere.

PETG

Il PETG è un altro materiale di stampa 3D molto utilizzato grazie alle sue fenomenali proprietà: combina la resistenza strutturale e la tenacità dell'ABS con la facilità di stampa e l'assenza di tossicità del PLA.

Ciò lo rende adatto all'impiego in molte applicazioni che richiedono un'elevata resistenza e sicurezza dei materiali.

Con lo 0,8%, i filamenti PETG presentano il tasso di ritiro più basso. I modelli 3D realizzati con il PETG sono relativamente stabili dal punto di vista dimensionale rispetto agli altri, il che li rende ideali per la realizzazione di stampe funzionali che devono rispettare tolleranze piuttosto rigide.

Per compensare o ridurre il restringimento nelle stampe in PETG, il modello può essere scalato di un fattore pari allo 0,8% prima della stampa.

Come ottenere la giusta compensazione del ritiro nella stampa 3D

Come abbiamo visto in precedenza, il ritiro può essere ridotto in diversi modi, ma resta il fatto che, per quanto si possa fare, il ritiro non può essere eliminato. Ecco perché è buona norma cercare di tenere conto del ritiro quando si prepara il modello per la stampa.

La giusta compensazione del restringimento aiuta a tenere conto della riduzione delle dimensioni dei modelli. Alcuni software di stampa sono dotati di preimpostazioni che eseguono automaticamente questa operazione, ma la maggior parte delle volte è necessario eseguirla manualmente.

Il calcolo del tipo di compensazione del ritiro da applicare dipende da tre fattori: il materiale utilizzato, la temperatura di stampa e la geometria del modello.

L'insieme di questi fattori darà un'idea di quanto la stampa si ridurrà e di come compensarla.

Ottenere il giusto restringimento può anche essere un processo iterativo, altrimenti noto come semplice prova ed errore. Il tasso di restringimento può anche variare tra le diverse marche dello stesso tipo di materiale.

Un ottimo modo per misurare e quantificare il ritiro è quello di stampare un modello di prova e misurare il ritiro. I dati ottenuti possono essere utilizzati per creare una compensazione matematica del ritiro.

Un ottimo modo per misurare il restringimento è utilizzare questo oggetto di calcolo del restringimento di Thingiverse. Un utente lo ha descritto come "Uno dei migliori strumenti di calibrazione generale in circolazione". Molti altri utenti condividono i loro ringraziamenti con il creatore di questo modello CAD.

I passaggi sono i seguenti:

• Stampare la parte di prova utilizzando il filamento scelto e le impostazioni dello slicer che si intende utilizzare.
• Misurare e inserire nel foglio di calcolo (il mio è condiviso all'indirizzo //docs.google.com/spreadsheets/d/14Nqzy8B2T4-O4q95d4unt6nQt4gQbnZm_qMQ-7PzV_I/edit?usp=sharing).
• Aggiornare le impostazioni dello slicer

È necessario utilizzare il foglio Google e creare una nuova copia da modificare da soli. Le istruzioni sono riportate nella pagina di Thingiverse per maggiori dettagli.

Se si desidera una compensazione davvero accurata, è possibile eseguire l'iterazione due volte, ma il produttore afferma che una sola iterazione è stata sufficiente per ottenere una tolleranza di 100um (0,01mm) su un pezzo di 150mm.

Un utente ha dichiarato di aver semplicemente scalato i suoi modelli al 101% e di aver ottenuto buoni risultati. Si tratta di un modo molto semplice di vedere le cose, ma può essere efficace per ottenere risultati rapidi.

È inoltre possibile utilizzare un'impostazione chiamata espansione orizzontale che regola le dimensioni delle stampe 3D nella dimensione X/Y, per compensare le variazioni di dimensioni quando il modello si raffredda e si restringe.

Se si creano i modelli da soli, è possibile regolare le tolleranze sul modello stesso e, con una maggiore pratica, si inizierà a indovinare le tolleranze corrette per il progetto specifico.