Contrazioni delle parti in stampa 3D e Warping

Nota: Questa guida tratta i concetti in modo generale e senza focalizzarsi su un marchio o modello specifico, anche se a volte possono essere menzionati. Possono esserci differenze significative nei procedimenti di calibrazione o regolazione tra diverse marche e modelli, pertanto si consiglia di consultare il manuale del produttore prima di seguire questa guida.

Durante la stampa, la plastica estrusa ad alta temperatura subisce una contrazione volumetrica dovuta al raffreddamento. In alcuni materiali come il PLA, questa contrazione è molto bassa (tra lo 0,3% e lo 0,5%), quindi di solito non è problematica. Tuttavia, altri materiali come il nylon 12 possono avere fino al 2% di contrazione o, nel caso del PVDF, addirittura fino al 4%, causando deformazioni significative nei pezzi.

Tabella 1. Percentuale di contrazione di vari materiali utilizzati nella stampa 3D FFF. Fonte: SpecialChem.com

Questa contrazione è percentuale rispetto alle dimensioni del pezzo, il che significa che pezzi molto grandi stampati con materiali a bassa contrazione possono essere più problematici di pezzi piccoli con alta contrazione. Ad esempio, un pezzo con una base di 20 x 20 cm realizzato in PLA potrebbe avere un rischio maggiore di fallimento rispetto a un pezzo di 5 x 5 cm realizzato in ABS.

Quando il raffreddamento del pezzo è molto rapido e irregolare, principalmente a causa di una differenza significativa tra la temperatura ambiente e quella di stampa, la contrazione del pezzo avviene in modo non uniforme, causando deformazioni agli estremi del pezzo. Questo fenomeno è noto come "warping". Il warping ha due conseguenze fondamentali:

• Se l'adesione tra gli strati non è buona, può provocare la separazione degli strati.
• Se l'adesione alla base non è sufficiente, il pezzo può sollevarsi.

Immagine 1: Spiegazione del fenomeno del warping. Fonte: rigid.ink

In entrambe queste situazioni, la deformazione del pezzo può causare sollevamenti o distacchi, provocando una collisione con la testina di stampa e un fallimento nella stampa stessa.

Compensare l'effetto della contrazione delle parti

La contrazione delle parti durante il raffreddamento è inevitabile, ma è possibile evitare o ridurre al minimo il rischio di fallimento in diversi modi:

• Evitare la contrazione della parte durante il processo di stampa.
  Questa è la soluzione ideale che garantirà la massima qualità delle parti ed eviterà deformazioni. Consiste nel mantenere la parte a una temperatura uguale o leggermente superiore alla temperatura di transizione vetrosa (Tg) del materiale durante tutto il processo di stampa, in modo da evitare che la parte inizi a contrarsi durante il tempo di stampa. Una volta completata la stampa, verrà raffreddata lentamente, ottenendo una contrazione uniforme e senza deformazioni, evitando anche tensioni interne. Per fare ciò è necessario disporre di una stampante con una camera riscaldata in grado di raggiungere temperature adeguate per ogni materiale.

• Ottenere l'adesione sufficiente alla base per evitare che la parte si stacchi durante la contrazione.
  Quando non si dispone di una camera riscaldata, è possibile ridurre il rischio di fallimento aumentando l'adesione tra il primo strato e la base. Se questa unione è in grado di resistere alle tensioni provocate durante la contrazione, la parte non si staccherà dalla base e sarà possibile completare la stampa con successo. Maggiore è la dimensione della parte, maggiori saranno le tensioni e quindi sarà necessaria un'adesione maggiore. Ecco perché il rischio di fallimento aumenta con la dimensione della parte e spesso si dice che i materiali inclini al warping consentano solo la stampa di parti piccole su stampanti senza camera riscaldata.

• Ottenere una buona adesione tra gli strati.
  Se le forze di adesione tra il primo strato e la base sono maggiori di quelle tra gli strati, potrebbe verificarsi un problema di separazione degli strati o delaminazione.

Immagine 2: Effetto della separazione degli strati dovuto alla contrazione durante il raffreddamento. Fonte: Geeetech.com

In realtà, il limite di dimensione nella produzione di qualsiasi pezzo in FFF dipenderà dalla capacità delle forze di adesione tra il primo strato e la base e delle forze di coesione tra gli strati di compensare gli sforzi di trazione, taglio, lacerazione e schiacciamento generati dalla contrazione del pezzo durante il raffreddamento.

L'intensità di questi sforzi dipenderà da tre fattori: il volume del pezzo, il coefficiente di contrazione del materiale e la temperatura ambiente di stampa.

Per ridurre il rischio di fallimento, sarà necessario aumentare quanto possibile l'adesione del pezzo alla base e tra gli strati, oltre a ridurre gli sforzi generati dal pezzo.

Per migliorare l'adesione del pezzo alla base, è possibile seguire le seguenti strategie:

• Migliorare l'adesione: utilizzare soluzioni adesive specifiche per ciascun materiale che consentano di massimizzare la forza di adesione.

Immagine 3: Adesivi specifici per la stampa 3D. Fonte: magigoo.com

• Aumentare l'estrusione del primo strato: una maggiore quantità di materiale applicata con maggiore pressione aumenterà la superficie effettiva di contatto, migliorando l'adesione.
• Mantenere la superficie pulita e priva di difetti: la presenza di polvere o altre impurità riduce in modo critico l'adesione del pezzo.
• Aumentare la superficie di contatto con la base: applicare un bordo (Brim) al pezzo nei primi strati aumenterà la superficie di contatto con la base senza aumentare gli sforzi sul pezzo. Questo aiuterà anche ad aumentare la forza di adesione.
• Evitare angoli e curve sugli spigoli a contatto con la base. Gli angoli sono punti di accumulo di tensioni e sono le aree da cui inizierà a staccarsi il pezzo. Le curve sugli spigoli a contatto con la base riducono la superficie di contatto con la base e aumentano gli sforzi sul pezzo. È consigliabile evitare questo tipo di elementi nella progettazione del pezzo, ma quando non è possibile, applicare un bordo alle parti ridurrà i loro effetti.

Per ridurre gli sforzi sul pezzo è possibile seguire le seguenti strategie:

• Ridurre il volume di materiale nel pezzo: ciò può essere fatto ottimizzando il modello di riempimento. A tal fine, è possibile ridurre la percentuale di riempimento del pezzo e compensare la perdita di proprietà utilizzando un numero maggiore di perimetri o ottimizzando l'orientamento del modello.
• Utilizzare materiali con un basso coefficiente di contrazione: si dovrebbero cercare materiali che soddisfino i requisiti tecnici del pezzo e che abbiano un coefficiente di contrazione più basso. I materiali caricati con fibre o particelle di solito presentano coefficienti di contrazione più bassi e spesso offrono anche proprietà meccaniche superiori, il che aiuta anche a ridurre la densità di riempimento senza perdere proprietà.
• Aumentare la temperatura ambiente di stampa: le stampanti chiuse o con una camera passiva, nonostante non raggiungano temperature così elevate come le stampanti con una camera riscaldata attiva, consentono spesso di mantenere temperature stabili tra 50 e 70 °C grazie al calore irradiato dalla base di stampa. Una strategia comune è riscaldare la base e mantenerla a temperatura per 10-15 minuti prima di iniziare la stampa.

Per migliorare l'adesione tra gli strati, è possibile seguire le seguenti strategie:

• Ridurre l'altezza dello strato: una minore altezza dello strato comporta una migliore coesione tra gli strati.
• Aumentare la temperatura e ridurre la velocità della ventola dello strato: una temperatura più elevata e un raffreddamento più lento forniranno anche una migliore unione degli strati.
• Aumentare il flusso: questa opzione non è raccomandabile poiché altererà le dimensioni e le tolleranze delle parti. Tuttavia, un maggiore flusso ha un effetto simile alla riduzione dell'altezza dello strato, ma senza aumentare i tempi di stampa.

Determinare il volume massimo di stampa sicuro per ogni materiale

È possibile determinare la dimensione massima sicura per stampare pezzi con un materiale specifico sulla tua stampante. Per farlo, segui questi passaggi preliminari:

• Preparare un profilo di stampa adeguato. La dimensione massima del pezzo sarà legata a questo profilo specifico. Nel caso si apportino variazioni a questo profilo, sarà necessario determinare nuovamente il volume massimo ogni volta che si modifichi uno dei seguenti parametri:
• Temperatura di stampa
• Temperatura del piano di stampa
• Altezza del primo strato
• Altezza dello strato
• Flusso di estrusione
• Velocità del primo strato
• Schema di riempimento
• Densità di riempimento
• Numero di perimetri
• Cercare la migliore superficie di adesione disponibile. È consigliabile utilizzare rivestimenti liquidi ottimizzati per il materiale di stampa che si intende utilizzare e applicarli nuovamente prima di ogni stampa.
• Assicurarsi che le condizioni di temperatura e umidità nella stanza in cui è posizionata la stampante siano costanti.

Una volta completati questi passaggi preliminari, esegui prove iterative per determinare la dimensione massima sicura. Utilizza un cubo con i lati paralleli all'asse Z arrotondati e una dimensione di circa la metà dell'area della base di stampa.

Segui questo approccio per determinare la dimensione massima sicura di stampa per una combinazione di materiale e profilo specifici in una stampante specifica. Una volta determinata, qualsiasi pezzo che rientri in quel volume dovrebbe poter essere stampato con un rischio molto basso di fallimento.

Per avere una maggiore sicurezza, è consigliabile attivare nell'impostazione di stampa l'opzione di bordo quando si stampa al massimo volume (questa funzione non dovrebbe essere utilizzata durante la determinazione iterativa del volume massimo).