Corso di Stampa 3D: 5 – Stampa 3D con FDM

5 – Stampa 3D con FDM

Obiettivi operativi

Accendere, mettere in sicurezza e calibrare una FDM (piano, Z-offset, passi/mm, flusso).
Scegliere correttamente adesione al piano e supporti, capendone pro/contro.
Diagnosticare e correggere warping, stringing, under/over-extrusion, ghosting.
Stampare un pezzo test e valutarne la qualità con criteri misurabili.

1) Anatomia rapida della FDM

Estrusore (direct o Bowden), hotend (PTFE-lined vs all-metal), nozzle (0.2–0.8 mm).
Assi X/Y/Z (cinghie GT2 e pulegge; viti trapezoidali su Z).
Piano riscaldato (PEI liscio/testurizzato, vetro, BuildTak, adesivi).
Elettronica (driver stepper, alimentatore, sensori finecorsa, firmware Marlin/Klipper).

Formule base di cinematica dei passi

X/Y (cinghia):
$\text{steps/mm} = \frac{N_\text{mot} \cdot \mu}{p_\text{cinghia} \cdot Z_\text{puleggia}}$
con $N_\text{mot}=200$ passi/giro (1.8°), $\mu$ =microstep (es. 16), $p_\text{cinghia}=2\,\text{mm}$ , $Z_\text{puleggia}$ =denti.
Esempio: 200·16/(2·20) = 80 steps/mm.
Z (vite trapezoidale):
$\text{steps/mm} = \frac{N_\text{mot} \cdot \mu}{\text{lead}}$
Esempio: vite TR8x8 ⇒ lead=8 mm → 200·16/8 = 400 steps/mm.
E (estrusore, teorico) dipende dal rapporto ingranaggi e diametro puleggia di trascinamento; si calibra sperimentalmente (vedi §3.3).

2) Accensione, sicurezza e tramming (livellamento)

2.1 Sicurezza essenziale

Mai toccare hotend/piano caldi; occhiali quando si tagliano supporti; ventilazione con ABS/ASA/PA.
Disalimentare per interventi meccanici; controllare messa a terra e morsetti.

2.2 Tramming del piano (livellamento “meccanico”)

Scaldare piano (es. 60 °C PLA) e hotend (es. 200 °C) per dilatazioni realistiche.
Metodo a 4 viti con spessimetro o foglio (≈0,1 mm). Regolare ai 4 angoli + centro.
Z-offset: regolare per ottenere un primo layer “schiacciato” ma non rigato.

Regola pratica: il primo layer deve mostrare linee fuse senza creste visibili; se vedi “fili” separati ⇒ Z troppo alto; se vedi bavose/striature ⇒ Z troppo basso.

2.3 Mesh auto-bed leveling (se sensore presente)

Eseguire G28 (home) poi G29 (mesh). Salvare in EEPROM (M500).
Compensazione dinamica delle piccole ondulazioni del piano.

3) Calibrazioni chiave (steps/mm, flusso, PID)

3.1 Steps/mm X/Y/Z (fine tuning)

Stampare un cubo 20 mm (1 perimetro spesso? meglio pieno) e misurare con calibri.
Se l’errore è sistematico e non dovuto a sovraestrusione:
$\text{nuovi steps/mm} = \text{steps attuali} \cdot \frac{\text{dimensione nominale}}{\text{dimensione misurata}}$
Esempio: attuali X=80; stampato 19,80 mm → nuovi = 80·(20/19,8)= 80,81.

Nota: spesso l’errore di dimensione è dovuto al flusso, non a X/Y. Correggere prima E-steps e flow (3.3–3.4), poi rivalutare.

3.2 E-steps (estrusore)

Scaldare hotend; segnare 120 mm di filamento; comandare E100. Misurare quanto è entrato (es. 96 mm).
$\text{nuovi E-steps} = \text{E-steps attuali} \cdot \frac{100}{\text{estruso reale}}$
Esempio: attuali 420; reale 96 → 420·(100/96)= 437,5. Salvare (M92 Enuovo; M500).

3.3 Volumetric flow e limite hotend

Portata volumetrica richiesta:
$Q = \text{line width} \cdot \text{layer height} \cdot v$
con $v$ =velocità di stampa (mm/s).

Esempio (ugello 0,4; line width 0,48; layer 0,20; v=60):
$Q=0,48 \cdot 0,20 \cdot 60 = 5{,}76\,\text{mm}^3/s$ .
Se il tuo hotend regge ~6 mm³/s per PLA, sei sul limite: aspettati sotto-estrusione o linee opache. Riduci $v$ o layer/line width, o usa ugello 0,6.

3.4 Calibrazione Flow (Extrusion Multiplier)

Stampare calibrazione a parete singola (1 perimetro, top/bottom 0, infill 0).
La parete attesa ≈ line width.
$\text{Flow nuovo} = \text{Flow attuale} \cdot \frac{\text{spessore atteso}}{\text{spessore misurato}}$
Esempio: atteso 0,48; misurato 0,51; Flow 100% → nuovo = 100·(0,48/0,51)= 94,1%.

3.5 PID hotend/bed

Autotune (Marlin): M303 E0 S200 C8 (hotend PLA), M303 E-1 S60 C8 (bed). Salvare con M500.
Migliora stabilità termica ⇒ pareti più uniformi.

4) Tecniche di adesione al piano

4.1 Scelta superficie

PEI testurizzato: ottima adesione PLA/PETG (attenzione PETG può legarsi troppo → usare stick/colla come distaccante).
PEI liscio / vetro: finitura liscia; talvolta serve colla stick o lacca.
BuildTak/adhesive: presa forte (regolare Z per non danneggiare).

4.2 Prime layer robusto

Layer 1 più alto/largo (es. h=0,24–0,28 con ugello 0,4; line width 120%).
Velocità primo layer 15–25 mm/s.
Temperatura piano: PLA 55–65 °C; PETG 70–85 °C; ABS/ASA 90–110 °C (in enclosure).

4.3 Brim, Skirt, Raft

Skirt: purga e stabilizza flusso (2–3 linee).
Brim: aumenta area di contatto. Larghezza utile 5–12 mm.
Raft: base separabile; solo per pezzi con minima superficie o ABS “difficile”.

(Mini-formula) Superficie di contatto con brim

Se il pezzo ha perimetro $P$ e brim $b$ , area aggiunta ≈ $A_b \approx P \cdot b$ .
Esempio: disco Ø40 ⇒ P≈125,7 mm; brim 8 mm ⇒ $A_b≈1005\,\text{mm}^2$ .

5) Supporti: quando e come

Regola 45°: oltre ~45° di sbalzo servono supporti (dipende da cooling/materiale).
Densità: 12–18% standard; interfaccia 2–4 strati più densa per stacco pulito.
Z-distance (gap): tipicamente 0,2–0,3 mm (1–2 layer); PETG spesso richiede gap maggiore.
Pattern: linee (facile da rimuovere), griglia (stabile), tree (ottimo per figurine/organico).
Orientamento pezzo: la migliore “tecnica supporti” è evitarli con orientamento furbo.

Esempio pratico
Un becco a 60° lungo 30 mm in PLA con fan 100% può reggere senza supporti se layer ≤0,2 e velocità bassa; in PETG meglio supportare o orientare a 45°.

6) Risoluzione problemi (cause → rimedi)

6.1 Warping (sollevamento spigoli)

Fisica: ritiro termico $\Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T$ .

PLA: $\alpha \approx 68\times10^{-6}\,\text{K}^{-1}$ (poco warping)
ABS: $\alpha \approx 90\times10^{-6}\,\text{K}^{-1}$ (molto warping)

Esempio: piatto 100 mm ABS, $\Delta T=80$ K ⇒ $\Delta L ≈ 0,72\,\text{mm}$ : enorme stress = spigoli che tirano su.

Rimedi:

Enclosure (ABS/ASA/PA), piano caldo più alto, brim generoso, colla/lacca su vetro.
Evita aria fredda/spifferi, riduci cooling (ABS quasi off), riduci infill iniziale.
Angoli arrotondati; primi layer più larghi/lenti.

6.2 Stringing (fili tra parti)

Cause: temp troppo alta, retrazione insufficiente/lenta, filamento umido.
Rimedi:

Temperatura −5/−15 °C (fare temperature tower).
Retrazione: direct 0,6–1,5 mm @ 25–40 mm/s; Bowden 2–6 mm @ 35–60 mm/s.
Combing “within infill”, abilita coasting leggero; asciuga filamento (55 °C PLA, 65 °C PETG ~4–6 h).

6.3 Sotto/sovra-estrusione

Verifica E-steps (3.2) e flow (3.4); controlla hotend capacity (3.3).
Nozzle parzialmente ostruito? Cold-pull (Nylon/PLA) o sostituzione ugello.

6.4 Ghosting/ringing (ondine sui fianchi)

Riduci accelerazioni (es. 500–1200 mm/s²), irrigidisci telaio, corretto tensionamento cinghie.
Belt tension: frequenza approssimabile col “metodo chitarra”; target tipico GT2 ~80–120 Hz su campate medie (indicativo).

(Nota teorica): la frequenza fondamentale ≈ $\;f \approx \frac{1}{2L}\sqrt{\frac{T}{\mu}}\;$ (corda ideale: $L$ lunghezza libera, $T$ tensione, $\mu$ massa lineare).

6.5 Adesione strati (delaminazione)

Aumenta temp ugello e piano; riduci fan; usa enclosure per materiali tecnici; layer più alti aumentano area di fusione.

6.6 Bridging (ponti)

Aumenta fan (PLA 100%), riduci velocità ponte (15–25 mm/s), flow −5%, line width +10%.
Span realistici con 0,4 mm nozzle: 10–25 mm in PLA con set ottimizzati.

7) Parametri consigliati per materiali comuni

Materiale	Ugello (°C)	Piano (°C)	Fan (%)	Note
PLA	195–215	55–65	70–100	Facile; warping basso
PETG	230–245	70–85	20–40	Adesione forte a PEI → usare colla come “distaccante”
ABS/ASA	235–255	90–110	0–20	Enclosure; fumi; warping alto
TPU	210–230	40–60	30–70	Velocità bassa (20–35 mm/s)
Nylon (PA)	250–265	70–90	0–30	Asciugare bene; enclosure

(Valori indicativi; fare sempre torri temperatura.)

8) Manutenzione ordinaria

Ogni 10–20 h: pulizia nozzle (spazzola ottone a caldo), guide/carro; controlla viti.
Settimanale: lubrifica guide (olio leggero) e viti Z (grasso al litio/PTFE); controlla tensione cinghie.
Mensile: verifica ventole, cablaggi, morsetti; resserrare pulegge (grani sull’flat).
Filamento: conservare in sacchetti ermetici con silica; asciugare se scoppietta o fa stringing.

Cold-pull rapido

Carica Nylon/PLA chiaro; scaldare 230 °C; spingere un po’
Raffredda a ~90 °C (PLA) / 140 °C (Nylon)
Tira deciso: porterà via residui.

9) G-code utili (Marlin)

Home: G28 • Mesh: G29 • Salva: M500
PID autotune hotend: M303 E0 S200 C8
Set steps: M92 X80.81 Y80.02 Z400.0 E437.5
Babystepping: M290 Z±0.02
Linear Advance (se attivo): M900 K0.05 (da calibrare)

Start G-code “pulito” (idea):

M104 S{material_print_temperature}
M140 S{material_bed_temperature}
G28
M190 S{material_bed_temperature}
M109 S{material_print_temperature}
G92 E0
G1 X2 Y10 Z0.28 F6000
G1 X200 E15 F1000 ; linea di spurgo
G92 E0

10) Attività pratica (in aula/lab)

10.1 Stampa oggetto semplice e valutazione qualità (120–150 min)

Oggetto: cubo 20 mm con top/bottom 3, 2 perimetri, infill 15%, layer 0,2 mm.
Materiale: PLA.

Passi:

Tramming + Z-offset (piano caldo 60 °C).
E-steps rapido (100 mm).
Slicing: nozzle 0,4; line width 0,48; primo layer 0,24 @ 20 mm/s; resto 50 mm/s; temp 205/60; fan 80–100%.
Stampa e misure con calibri.

Rubrica di valutazione (punti 0–2 ciascuna, max 10):

Dimensione X/Y: 20,00 ± 0,15 mm
Dimensione Z: 20,00 ± 0,15 mm
Pareti: uniformi, senza under/over-extrusion
Top solid: chiuso (no “pillowing”)
Primo layer: adesione piena, bordi piatti

Correzioni tipiche post-test:

X/Y fuori tolleranza ma pareti ok → micro-tuning steps X/Y.
Top non chiuso → aumenta top layers o flow al top; alza temp 5 °C.
Bordi sollevati → più brim o bed 65 °C.

10.2 Esempio di diagnosi stringing

Stampa torri doppie con travel 120 mm/s, combing “within infill”.
Sequenza: T=210 °C, retrazione 0,8 mm @ 35 mm/s (direct). Se fili →
1. T=205 °C; 2) retrazione 1,2 mm; 3) asciuga filamento 55 °C 4 h.
Valuta ad ogni step e annota.

11) Esempi numerici completi

11.1 Portata e velocità limite

Hotend “creali” per PLA ≈ 6 mm³/s. Con ugello 0,4; layer 0,20; line width 0,48:

v_\text{max} = \frac{Q_\text{max}}{w \cdot h} = \frac{6}{0,48 \cdot 0,20} \approx 62{,}5\ \text{mm/s}

👉 Imposta 50–55 mm/s per margine e qualità.

11.2 Brim per ABS critico

Cubo 40×40 mm, ABS, spigoli che tirano su.
Perimetro $P=160\,\text{mm}$ . Brim desiderato $b=12\,\text{mm}$ .
Area aggiunta $A_b \approx 1920\,\text{mm}^2$ .
Aumenta bed a 105 °C, enclosure 40–45 °C aria, fan 0%, angoli r=6 mm.
→ Warping drasticamente ridotto.

11.3 E-steps ed effetto sulle dimensioni

Comandi 100 mm, arrivano 103 mm (sovra-estrusione nascosta).
Nuovi E-steps = attuali · (100/103) → −2,9%.
Ripeti parete singola: spessore scende da 0,51 a 0,495 mm (target 0,48).
Flow fine-tuning: 100·(0,48/0,495)=96,97%.

12) Buone pratiche riassunte

Prima il primo layer: se è perfetto, metà dei problemi sparisce.
Un solo cambiamento alla volta, annotato.
Asciuga i filamenti igroscopici (PETG moderato, PA molto).
Enclosure per materiali tecnici; ventilazione per ABS/ASA.
Manutenzione regolare: cinghie, viti, ventole, nozzle.

Output atteso del modulo

Studenti in grado di: (1) effettuare tramming + Z-offset; (2) calibrare E-steps e flow; (3) eseguire una stampa test e valutarla con criteri oggettivi; (4) mitigare warping e stringing con interventi mirati; (5) scegliere adesione e supporti in funzione di materiale/geometria.