La peculiarità della stampa 3D di costruire gli oggetti in additivo, strato per strato, solitamente dal basso verso l’alto, rende spesso necessaria la presenza di strutture di supporto per sostenere le superfici aggettanti, cioè quelle con angolo di inclinazione compreso tra 0 e 90°. Vediamo in dettaglio le tipologie di questi supporti e come sfruttarli al meglio e come limitarne l’uso grazie all’orientamento dei componenti.
L’additive manufacturing è un processo di costruzione che consente di realizzare componenti aggiungendo materiale strato dopo strato nelle zone funzionali alla creazione della parte. Ciò vuol dire che la realizzazione dei prodotti avviene lungo una direzione (asse Z), solitamente dal basso verso l’alto favorendo la costruzione verticale che a seconda delle geometrie in gioco può portare ad avere superfici inclinate.
Le superfici inclinate rispetto alla base prendono il nome di superfici “aggettanti” e a seconda del loro angolo d’inclinazione, compreso tra 0 e 90°, possono richiedere delle strutture di supporto durante la loro realizzazione. I valori limite delle inclinazioni dipendono sostanzialmente dalla tipologia di processo additive che si utilizza per la realizzazione del componente e dal materiale utilizzato.
Ad esempio, nel caso di una produzione in metallo mediante processi Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) il limite oltre il quale i supporti sono necessari varia tra i 35° e il 45°. Se si scende oltre tali valori e non si prendono precauzioni il componente rischia di collassare durante la sua costruzione impendendo la corretta riuscita del processo di stampa. A tal proposito è bene prevedere strutture di supporto in grado di sorreggere tali superfici aggettanti durante il processo al fine di garantire la loro realizzazione ed evitare un crash del job di costruzione.
Geometria dei componenti e qualità
La presenza di superfici inclinate oltre i valori limite dipende sicuramente dalla geometria del componente che si vuole realizzare, ma anche dal modo in cui esso viene orientato sulla piattaforma di costruzione per essere realizzato.
L’orientamento dei componenti gioca un ruolo molto importante in questo senso e oltre ad avere un effetto diretto sulla necessità di supporti ha una grande influenza anche su molti altri fattori come ad esempio: costruibilità, qualità, tempi di costruzione e costi. Per queste ragioni è bene scegliere l’orientamento più adatto al fine di ottimizzare uno dei precedenti aspetti. Concentrando l’attenzione sull’ottimizzazione dell’orientamento al fine di ridurre le strutture di supporto possiamo alcuni esempi.
Il corretto orientamento: le superfici autoportanti
Il componente raffigurato in Figura 1 viene mostrato con due diversi orientamenti. Nel primo a sinistra è presente una superficie orientata sotto il valore limite che quindi richiederà strutture di supporto per la sua costruzione, a differenza del secondo a destra, ruotato di 15° in senso antiorario rispetto al caso di sinistra. Questo esempio mostra come un corretto orientamento sia in grado di garantire la costruzione del pezzo senza la necessità di strutture di supporto. Infatti, a sinistra la parte è orientata con la base perpendicolare alla piattaforma dell’edificio, ma c’è una superficie orientata a 30° che necessita di appoggio. A destra, invece, la stessa parte è ruotata di 15° verso sinistra, e questo permette di avere tutte le superfici autoportanti con un angolo >45°. In questo caso il secondo orientamento è migliore perché non necessita di supporto e migliora la qualità del pezzo su tutte le superfici.
Il corretto orientamento: no alle superfici sospese
Nell’esempio riportato in Figura 2 possiamo notare che la geometria sulla sinistra è orientata in un modo tale da creare delle superfici sospese rivolte verso il basso e, al contrario, lo stesso componente sulla destra ruotato di 180° evita del tutto questa situazione.
Inoltre, è molto importante evitare grandi sezioni a sbalzo o grandi sezioni rivolte verso il basso perché le parti saranno costruite molto meglio se si hanno sezioni centrali rivolte verso l’alto anziché verso il basso. L’orientamento a sinistra è pessimo, a causa del grande strapiombo che richiede un appoggio mentre quello di destra è decisamente migliore poiché non ha un’area rivolta verso il basso e consentirà di avere una migliore qualità delle superfici.
Infatti, l’orientamento della parte in base alla qualità complessiva si basa principalmente sulle superfici rivolte verso il basso, che sono le peggiori poiché caratterizzate da un’elevata rugosità. Quindi, diminuendo la quantità di area rivolta verso il basso, possiamo dire, in generale, che aumenteremo la qualità di quella parte. Le superfici rivolte verso il basso sono le superfici al di sotto dell’angolo autoportante che dipende dal materiale e dal processo di stampa.
