Ottimizzazione dei file STL per la stampa 3D

I file STL, noti anche come STereoLithography o Standard Tessellation Language, sono uno dei tipi di file più diffusi per la stampa 3D di modelli solidi. Un file STL raccoglie le informazioni di un modello solido 3D creato con un software CAD, come SOLIDWORKS, e le memorizza per un uso o una modifica successivi. Dopo aver creato un modello 3D, il progettista sceglie il tipo di file con cui salvarlo. Un file STL è designato dall'estensione ".stl". Questo tipo di file è compatibile con molti software CAD e può interfacciarsi con molte stampanti 3D e software di analisi assistita.

Il processo di creazione di un file STL inizia con la creazione del modello solido da parte del progettista CAD. La creazione del modello solido implica la definizione della geometria del componente e in genere comporta una combinazione di piani, estrusioni, superfici ed eventualmente una rimozione strategica del materiale.

Quando un progettista sceglie di salvare un modello solido come file STL (Standard Tessellation Language), la superficie dell'oggetto viene codificata utilizzando un concetto chiamato tassellazione, da cui il significato dell'acronimo STL. La tassellatura è un concetto semplice che consiste nel ricoprire una superficie con un modello di forme in modo che non vi siano sovrapposizioni o spazi vuoti. Le tassellazioni si trovano comunemente nel mondo che ci circonda, ad esempio i muri di mattoni o i pavimenti piastrellati; possono essere realizzate con forme semplici o complesse.

Un file STL utilizza i triangoli per eseguire le tassellazioni e trasmettere informazioni sulle superfici di un modello 3D. Questo metodo è stato scoperto nel 1987 da Chuck Hill. La scoperta è stata fatta nell'ambito del processo di trasferimento delle informazioni dal file del sistema CAD 3D al file della stampante 3D. Si è scoperto che i piccoli triangoli, o sfaccettature, utilizzati per definire la superficie esterna del modello 3D sono perfetti per definire superfici semplici e complesse. Le superfici più complesse richiedono un numero maggiore di triangoli per definire le loro superfici, poiché devono essere più piccoli per adattarsi alla curvatura di ciascuna superficie. Ad esempio, un semplice cubo richiederà 12 triangoli, mentre una sfera potrebbe richiedere migliaia di triangoli.

A seconda del software CAD 3D utilizzato, esistono impostazioni che possono essere manipolate per modificare le dimensioni o la complessità del modello di tassellatura in modo da ridurre le dimensioni del file e/o rendere il modello meno complesso. Consultare le istruzioni del produttore della stampante per determinare come modificare le impostazioni che influiscono sui modelli di tassellatura. Inoltre, quando si stampano file STL in 3D, è importante prestare attenzione allo spessore minimo delle feature che una stampante 3D o il filamento della stampante 3D è in grado di stampare. Le dimensioni delle feature inferiori a questo valore non verranno stampate correttamente. Assicurarsi che la dimensione della tassellatura sia appropriata per ogni applicazione.

Se l'obiettivo finale della creazione di un modello solido 3D è la stampa 3D del modello, occorre innanzitutto considerare i due metodi di memorizzazione delle informazioni sulle tassellazioni triangolari:

• Primo metodo: codifica ASCII in cui vengono memorizzate le coordinate dei vertici di ciascun triangolo. Queste coordinate 3D forniscono una posizione esatta per ogni triangolo, salvando così i contorni e le posizioni esatte di ogni superficie.
• Metodo due: codifica binaria in cui vengono memorizzate le componenti del vettore unitario normale a ciascun triangolo. Questo vettore punta verso l'esterno della superficie, rispetto a ciascun triangolo.

Come si può intuire, il metodo ASCII comporta la memorizzazione di una grande quantità di dati (3 serie di 3 coordinate per ogni triangolo). Il metodo di codifica binaria è molto più compatto. Il metodo di tassellazione deve essere scelto in base alla complessità del modello solido e può essere ottimizzato per ridurre i tempi di stampa.

Ecco altri suggerimenti generali per garantire che un modello STL 3D sia ottimizzato per la stampa 3D;

1. Assicurarsi che tutte le pareti abbiano uno spessore maggiore di zero, poiché uno spessore pari a zero non può essere stampato.
2. Assicurarsi che tutte le pareti abbiano le facce necessarie per definirle.
3. Eseguire l'ottimizzazione della risoluzione STL prima di caricare il file STL sul software di stampa. In generale, una superficie più liscia si traduce in un modello stampato in 3D più liscio. Tuttavia, la scorrevolezza è limitata anche dallo spessore dello strato che la stampante e il materiale del filamento sono in grado di produrre.
4. Cercate di ridurre la complessità dei file STL. I file di dimensioni maggiori richiedono più tempo per la stampa e i file complessi potrebbero non produrre i risultati migliori. Ciò può essere ottenuto aumentando i valori di tolleranza cordale e angolare.
5. Ricordate che i dettagli più piccoli dello spessore dello strato non saranno presenti nella parte stampata in 3D.
6. Saltate la funzione UV, optando invece per le coordinate XYZ.
7. Utilizzare la funzione di fusione per combinare due o più forme primitive e ridurre la complessità del modello solido.
8. Come regola generale, il dettaglio più piccolo di una parte stampata in 3D dovrebbe essere quattro volte più grande dell'altezza del livello.
9. Utilizzate la sezione successiva per correggere gli errori più comuni dei file STL prima di stampare da un file STL.

I suggerimenti di cui sopra dovrebbero consentire l'ottimizzazione dei file di stampa 3D per garantire la stampa più accurata, nel minor tempo possibile.

Anche se la modellazione 3D e la generazione di file STL possono sembrare semplici, ci sono ancora alcuni errori comuni che vengono commessi nella progettazione dei modelli CAD, in particolare dei file STL. Questi errori nella fase di modellazione possono causare errori in una parte stampata in 3D, come facce mancanti, scarsa risoluzione o geometrie errate, quindi è importante individuarli prima di avviare il processo di stampa 3D.

Uno degli errori più comuni di un file STL è la mancanza di una figura di tassellatura o di un triangolo. Esiste una serie di regole che il modello di tassellatura deve seguire per definire con precisione le superfici di un modello solido 3D. Una di queste regole è che i triangoli adiacenti devono avere due vertici in comune. Se i due vertici non sono condivisi, il risultato saranno dei buchi nella mesh del modello solido. Il risultato sarà la stampa di un modello solido incompleto. Le lacune o i buchi possono verificarsi anche sui bordi delle parti. Esistono diversi pacchetti software sul mercato che affermano di poter riparare i problemi di lacune o fori, oppure si può rimediare a questi problemi correggendo ogni singolo problema.

Un altro problema che può verificarsi a causa del metodo di memorizzazione dei dati di tassellatura triangolare è che i singoli triangoli possono sovrapporsi o intersecarsi in modo improprio. Questo errore causa un tempo di stampa inutilmente lungo. Questi triangoli sovrapposti devono essere rimossi o unificati.

Se si utilizza un metodo di codifica binaria per creare il file STL e memorizzare i dati, la direzione del punto dei vettori normali è fondamentale per il processo di stampa 3D. Se alcuni dei vettori normali puntano nella direzione sbagliata, la stampante 3D non sarà in grado di determinare correttamente la posizione delle superfici interne ed esterne del pezzo e quindi non sarà in grado di tagliare e stampare con precisione il pezzo.

L'ultimo problema menzionato in precedenza è una tassellatura troppo definita o una mesh con troppi triangoli. Questo accade in genere con le forme più complesse. Sebbene non si tratti di un errore che comporta una stampa imprecisa, questo comporta un tempo di stampa inutilmente lungo. Inoltre, nella maggior parte dei casi questi piccoli dettagli non vengono stampati perché una mesh troppo definita tende ad avere triangoli di dimensioni inferiori allo spessore del layer della stampa.

Indipendentemente dal problema riscontrato, il metodo di risoluzione ottimale consiste nel progettare o riprogettare correttamente il file CAD con il software CAD nativo prima di esportare il modello come STL. Assicurarsi che un file di stampa 3D sia corretto prima di iniziare un lavoro di stampa. In questo modo si ottengono risultati migliori rispetto all'utilizzo del software di riparazione.