Temperature di stampa 3D e ottimizzazione

Nota: In questa guida vengono trattati i concetti in modo generale e senza focalizzarsi su un marchio o modello specifico, anche se potrebbero essere menzionati in qualche momento. Potrebbero esserci differenze significative nelle procedure di calibrazione o regolazione tra diverse marche e modelli, quindi si consiglia di consultare il manuale del produttore prima di leggere questa guida.

La temperatura di stampa di un determinato filamento dipende non solo dal tipo di materiale, ma anche dalle condizioni di stampa. La velocità di stampa, il diametro della punta, il tipo di estrusore o la distanza tra questo e l'hotend influenzano notevolmente la temperatura ottimale di stampa. Ecco perché i produttori solitamente forniscono un intervallo di temperature anziché una temperatura specifica.

La temperatura di stampa appropriata

È un concetto errato parlare della temperatura ottimale di stampa per un determinato filamento. All'interno dell'intervallo di temperature tollerate da un certo materiale, ci saranno diverse temperature ottimali a seconda delle esigenze finali del pezzo. Ad esempio, la temperatura ottimale per ottenere la migliore finitura del pezzo potrebbe non essere ottimale per ottenere la massima resistenza meccanica. Ecco perché, per determinare la nostra temperatura ottimale di stampa per un determinato materiale, è necessario avere chiare le proprietà finali richieste dal pezzo.

Come determinare la temperatura ottimale

Quando si determina la temperatura ottimale di stampa, la prima cosa da fare è definire la priorità del pezzo finale: finitura estetica o funzionalità meccanica.

Per determinare la temperatura ottimale dando priorità alla qualità della finitura, è necessario stampare un modello che includa almeno un ponte e un sbalzo a diverse temperature e stabilire la temperatura che offre la migliore finitura. Ci sono molti esempi di modelli nei repository online, generalmente chiamati torri di calibrazione delle temperature.

Immagine 1: Esempio di torre di temperatura che include ponti, sbalzi e piccoli dettagli. Fonte: Thingiverse.com

Quando si scelgono le temperature, è necessario consultare l'intervallo di temperature di stampa consigliato dal produttore. L'ideale è valutare tutto l'intervallo di temperature a intervalli di 5 °C o 10 °C. È inoltre consigliabile valutare anche 10 gradi sopra e sotto l'intervallo, a causa delle differenze che possono verificarsi tra le stampanti del produttore e dell'utente.
Ad esempio, se per un certo materiale il produttore specifica un intervallo di temperature di stampa tra 220 °C e 250 °C, si dovrebbero valutare le seguenti temperature: 210 °C, 220 °C, 230 °C, 240 °C, 250 °C e 260 °C.

Dopo aver stampato i campioni, è necessario valutare quale fornisce una migliore qualità e finitura, prestando attenzione ai seguenti aspetti:

• Assenza di saggì in ponti e sbalzi.
• Chiarezza dei piccoli dettagli.
• Assenza di curling o sollevamenti negli angoli superiori del pezzo. Per distinguere il curling dal warping, bisogna considerare che nel caso del warping, il sollevamento degli angoli è maggiore alla base e diminuisce con l'altezza, mentre nel curling è il contrario: praticamente nullo alla base e molto pronunciato nella parte superiore del pezzo.
• Quantità minima di filamenti. Bisogna considerare che anche alla temperatura ottimale possono comparire filamenti se la configurazione del ritiro non è adeguata.

Immagine 2: Fenomeno di curling o sollevamento degli angoli causato da una temperatura eccessiva o da un cattivo funzionamento del ventilatore dello strato. Fonte: Simplify3D.com

Quando la priorità è ottimizzare il comportamento meccanico del pezzo, bisogna cercare di ottenere la massima adesione tra gli strati. Per farlo, è necessario stampare provette standard a diverse temperature (come nel caso precedente) e testarle. In generale, una temperatura più alta produrrà una migliore adesione tra gli strati, quindi se non è possibile testare le provette, è consigliabile lavorare sul limite superiore dell'intervallo fornito dal produttore.

In stampanti correttamente calibrate, di solito le temperature più basse nell'intervallo fornito dal produttore produrranno una migliore finitura dei pezzi, a scapito di una coesione minore tra gli strati. Le temperature più alte garantiranno un'ottima adesione tra gli strati, ma produrranno anche una finitura peggiore, specialmente su ponti e sbalzi.

Molti materiali presenteranno anche un "punto dolce", cioè una temperatura in cui le proprietà meccaniche e la finitura superficiale sono quasi ottimali. Per determinare questa temperatura, è necessario effettuare i due test precedenti e verificare se esiste una temperatura comune in cui le proprietà meccaniche siano vicine al valore massimo e la finitura superficiale sia buona.

Effetto della temperatura sul colore e sulla finitura

La temperatura di stampa, oltre alla qualità estetica e meccanica del pezzo, influisce anche sulla sua finitura. Sia il colore che la finitura del pezzo possono variare in base alla temperatura di stampa. Temperature più alte produrranno una maggiore lucentezza sulla superficie dei pezzi, mentre temperature più basse produrranno finiture opache o satinanti. La maggiore o minore lucentezza del pezzo farà variare anche la percezione del colore.

Principali problemi derivanti da una temperatura inadeguata

Come accennato in precedenza, i materiali non hanno una temperatura di stampa adeguata, ma un intervallo di temperature entro cui il materiale può essere stampato producendo pezzi con diverse proprietà. Tuttavia, quando la temperatura è al di fuori di questo intervallo, iniziano a verificarsi problemi che possono causare errori di stampa. È necessario distinguere tra problemi causati da un eccesso di temperatura o da una temperatura insufficiente.

Problemi derivanti da una temperatura di stampa eccessiva

• Saggì in sbalzi e ponti: Un eccesso di temperatura farà sì che la plastica non si raffreddi abbastanza velocemente, quindi collasserà a causa del suo peso e produrrà saggì negli sbalzi e nei ponti. Bisogna considerare che questo può verificarsi anche a causa di una cattiva prestazione del ventilatore dello strato in materiali come il PLA o il PETg.
• Curling o sollevamento degli angoli: Si tratta di un fenomeno che comporta il sollevamento degli angoli del pezzo a causa della contrazione del materiale durante il raffreddamento. Questo effetto è più pronunciato negli strati superiori a causa dell'accumulo di temperatura dovuto a un raffreddamento inadeguato degli strati precedenti.
• Mancanza di dettagli in elementi piccoli e spigoli: Un raffreddamento troppo lento farà sì che gli elementi piccoli perdano la loro forma, sia a causa della fluidità stessa della plastica o a causa dell'attrito della testina e delle vibrazioni.

Immagine 3: Mancanza di dettagli in un angolo a causa di una temperatura eccessiva. Fonte: simplify3d.com

• Formazione di fili (stringing): In alcuni materiali, come il PLA e il PETg, una temperatura eccessiva provocherà la formazione di filamenti negli spostamenti dell'hotend. Questo fenomeno dipende non solo dalla temperatura, ma anche dalla configurazione del ritiro e dalla prestazione termica dell'hotend, quindi un eccesso di temperatura può causare la formazione di fili, ma la formazione di fili non implica sempre un eccesso di temperatura.
• Difficoltà nell'estrazione dei supporti (nello stesso materiale): Se la temperatura è troppo alta, l'adesione tra il pezzo e i supporti può essere così elevata da renderli impossibili da rimuovere senza l'uso di strumenti di taglio. Questo si verifica solo quando viene utilizzato lo stesso materiale sia per il pezzo che per i supporti.
• Estrusione inconsistente: Una temperatura più alta implica anche una viscosità del materiale più bassa. Se la temperatura è troppo elevata in alcuni materiali, può causare una viscosità così bassa da provocare un'estrusione non uniforme.
• Flusso di calore nella zona fredda dell'hotend (Heat Creep): Alcuni materiali come il PLA possono iniziare a fluidificarsi a temperature anche basse come 45 °C. Una temperatura troppo alta nella zona calda dell'hotend può causare una temperatura sufficientemente alta nella zona fredda da ammorbidire il filamento, causando ingorghi. Questo fenomeno è noto come Heat Creep. Di solito è causato da una prestazione termica inadeguata dell'hotend, aggravata dall'uso di temperature di stampa eccessivamente alte.

Problemi derivanti da una temperatura troppo bassa:

• Mancanza di estrusione e ingorghi: Una temperatura troppo bassa può far sì che la plastica non fluidifichi correttamente, causando una mancanza di estrusione e talvolta ingorghi.
• Scarsa adesione tra gli strati: Per ottenere un'ottima adesione tra gli strati, la temperatura del materiale deve essere sufficientemente alta da far fondere parzialmente l'interfaccia con lo strato precedente. Temperature troppo basse provocheranno una scarsa adesione tra gli strati, che può causare delaminazione o separazione degli strati in fase di raffreddamento.

Immagine 4: Separazione degli strati. Fonte: simplify.com

• Scarsa unione tra riempimento e perimetro o vuoti nella cucitura: In generale, per evitare l'accumulo di materiale alla fine di una estrusione, i software di slicing configurano una ritrazione o una distanza di ritorno (smettono di estrudere un po' prima di raggiungere la fine del movimento). Una temperatura di stampa troppo bassa può causare una fornitura insufficiente di materiale per completare l'estrusione, causando vuoti tra il perimetro e il riempimento o nella zona di chiusura del perimetro.