Approfondimento

Come creare file STL di qualità per la stampa 3D

Ti è mai capitato di disegnare oggetti con parti curve e una volta che le stampi in 3D le superfici sono sfaccettate invece che lisce? Se non ti succede, allora vuol dire che la guida a come creare file STL per la stampa 3D contenuta in questo articolo non ti serve. Se, invece, la cosa ti capita spesso, allora cercherò di spiegarti tutte le accortezze del caso affinché questo problema non si verifichi più.

Lo scopo di questa guida è cercare di aiutare i tanti utenti alle prime esperienze con la stampa 3D ad ottenere delle parti stampate in 3D uguali al disegno creato col programma CAD. Per aiutarti nella comprensione dei vari contenuti dell’articolo userò una scaletta di argomenti che parte dalla definizione del file STL fino alle impostazioni dei parametri di esportazione sui programmi CAD più comuni.

Sommario

Che cos’è un STL?
Stampa 3D STL: l’importanza della risoluzione alta
Vantaggi e svantaggi dell’STL
Qualità STL dall’anteprima di stampa di Eiger
Definizione dei parametri STL
a. Tolleranza cordale
b. Tolleranza angolare
Come esportare un file STL
a. Impostazioni di esportazione STL da vari software CAD

Chi ha progettato questa parte ha commesso l’errore di generare un STL con una risoluzione eccessivamente grossolana: le differenze dal modello CAD sono dovute esclusivamente a impostazioni di esportazione STL non corrette.

Che cos’è un file STL?

Il file STL (acronimo di Standard Triangulation Language) nasce alla fine degli anni ’80 con la comparsa sulla scena mondiale delle prime stampanti 3D per polimeri. Da quel momento, l’STL è diventato il formato standard nel settore della stampa 3D. Una volta che il file viene importato nel software di slicing, questo dà tutte le istruzioni che la stampante 3D deve seguire per portare a termine il processo fabbricazione additiva. Gli STL non sono tutti uguali, ogni CAD ha una modalità di esportazione diversa e la sua qualità (ovvero, risoluzione) dipende dai parametri che vengono impostati.

STL file, vediamolo in dettaglio

Nel dettaglio, gli STL sono un insieme di triangoli che formano una mesh di piccole superfici continue di un modello 3D. Per essere più precisi, un file STL contiene un elenco di coordinate tridimensionali, raggruppate in gruppi di tre insieme a un vettore normale: ciascuno di questi gruppi di tre coordinate costituisce i vertici di un triangolo e il vettore (n) è normale, o perpendicolare, al piano descritto dai tre punti del triangolo.

Triangolo con geometria STL. Ogni triangolo in un file STL è rappresentato da un insieme di tre vertici e un vettore normale, come mostrato in questa immagine. Un file STL può contenere da centinaia di migliaia a milioni di triangoli o più e aumenterà di dimensioni del file in modo proporzionale al numero di triangoli.

In un file STL ASCII (basato su testo), ogni triangolo è rappresentato nel seguente formato, dove il vettore normale n è rappresentato da (ni, nj, nk) e ogni vertice v ha coordinate tridimensionali (vx, vy, vz).

Tutti i triangoli (in un STL ce ne sono milioni) formano una mesh che descrive la geometria tridimensionale e può quindi essere importata in un software di slicing. Nell’esempio qui sotto, viene mostrato il software di slicing Eiger di Markforged:

Un STL caricato in Eiger di un solido tridimensionale. Si noti che questo STL è stato generato intenzionalmente con una risoluzione triangolare bassa, motivo per cui sul modello sono chiaramente visibili grandi sfaccettature.

È importante notare che gli STL destinati alla stampa 3D dovrebbero contenere una o più mesh ben formate che racchiudono completamente la geometria che si desidera creare, con ciascun bordo del triangolo collegato esattamente a due facce (questo è talvolta noto come un STL collettore o uno senza spazi).

Tuttavia, un file STL è semplicemente un elenco di coordinate e vettori e non vi è alcun requisito nella specifica del file STL per tale condizione multipla. Le criticità maggiori si possono incontrare negli STL creati direttamente dagli scanner 3D perché possono contenere geometrie non-manifold, cioè superfici incomplete. Queste possono essere difficili o impossibili da stampare correttamente in 3D e possono, ancor prima della stampa, causare errori durante lo slicing.

Per evitare sorprese, è consigliabile esportare gli STL dal CAD con le indicazioni che seguono. Non c’è un CAD migliore di un altro per eseguire questa operazione. Programmi come Solidworks, Inventor o OnShape, in questo si equivalgono. È sufficiente che il CAD utilizzato abbia disponibili le opzioni di esportazione STL.

File STL per la Stampa 3D: l’importanza di una risoluzione alta

file STL a metà tra alta e bassa risoluzione — La figura qui sopra mostra due metà di una sfera salvate ciascuna con diverse risoluzioni STL. Il lato sinistro, la cui grandezza dei triangoli è più ampia, viene salvato con una risoluzione inferiore; mentre il lato destro, i cui triangoli sono più piccoli, con una risoluzione maggiore. Guardando da vicino il contorno della sfera, si nota come il lato destro si avvicina molto più a una curva liscia rispetto a quello sul lato sinistro.

Devo sempre impostare una risoluzione alta? Tutto dipende dalla qualità finale che vuoi ottenere per le parti stampate in 3D. Se le parti stampate avranno delle sfaccettature molto visibili, allora vuol dire che le impostazioni di esportazione STL hanno parametri di risoluzione troppo bassa. Con risoluzioni molto alte, invece, si otterrà un file molto pesante da gestire con conseguente rallentamento del software di slicing. Inoltre, risoluzioni eccessivamente alte non portano alcun vantaggio in quanto le stampanti 3D hanno una risoluzione limitata.

Vantaggi e svantaggi dell’STL

La semplicità del STL è la sua virtù ma anche, ahimè, il suo vizio. Abbiamo visto, infatti, che ormai tutti i CAD, da quelli gratuiti a quelli professionali, hanno la funzionalità di esportazione in STL. A conferma di ciò, tutte le stampanti 3D sul mercato usano questo formato di file per stampare in 3D i propri oggetti. La sua diffusione, unita alla compatibilità con gli strumenti del mondo dell’Additive Manufacturing, ne fanno un formato semplice e a disposizione di tutti. La sua stessa semplicità, però, presenta delle criticità che ne limitano il suo utilizzo: gli STL non forniscono alcuna informazione né sull’unità di misura (se in millimetri, pollici, ecc.), né sulla loro risoluzione.

Disegno CAD diverso dalla parte stampata in 3D — A sinistra, un modello CAD 3D di un ugello con una superficie curva e liscia. A destra, lo stesso modello stampato in 3D proveniente da un file STL generato dal CAD di sinistra con una risoluzione molto bassa. Notare le sfaccettature piatte e segmentate sulla superficie dell’ugello stampata che sono causa della bassa risoluzione STL.

Anteprima di stampa con Eiger

Se non sai il livello di risoluzione che è stato impostato sul disegno CAD, Eiger ti dà una grossa mano. Infatti, una volta importato il tuo STL nel software di slicing di Markforged, è possibile rendersi conto se il tuo oggetto è stato esportato in bassa o in alta risoluzione. Spostando il mouse sul modello, Eiger evidenzia in blu la faccia sulla qualve viene posizionato il cursore del mouse. Se le sfaccettature sono molto evidenti, allora vuol dire che devi aumentare la risoluzione del tuo file STL. Al contrario la risoluzione STL è probabilmente sufficiente.

Esempio di file STL a bassa e ad alta risoluzione. I file STL a bassa risoluzione (a sinistra) evidenzieranno facce piatte distinte su regioni di parti curve quando il mouse si sposta su di esse, mentre con file STL a risoluzione più alta le facce evidenziate mostreranno una sfumatura di colore più sfocata.

D’altronde, gli STL con una risoluzione troppo alta possono essere troppo grandi per essere gestiti da Eiger in modo efficiente e possono rallentare le operazioni di slicing.

Per realizzare parti stampate in 3D che abbiano una finitura superficiale e un’accuratezza dimensionale della qualità che ti aspetti, consigliamo di tenere a mente i seguenti parametri di esportazione.

STL in alta risoluzione importato in Eiger — Vista da Eiger: come visibile dalla parte evidenziata in blu della foto, il modello STL è stato esportato a una risoluzione alta

Definizione dei parametri STL

Spesso i software CAD offrono esportazioni predefinite di esportazione indicate come qualità Scarsa, Media o Fine. L’esportazione con il parametro Fine può essere utilizzata per geometrie non troppo complesse, ma è sempre meglio personalizzare queste opzioni per ottimizzare il file .STL che si intende esportare.

Due parti stampate in 3D da file STL in alta risoluzione (sx) e in a bassa risoluzione (dx) — Due parti stampate in 3D da file STL. Sono state create due parti completamente diverse dallo stesso identico file di modello 3D in CAD, semplicemente esportando due STL con impostazioni di esportazione molto diverse. A sinistra hai una stampa 3D di un file STL che è stato creato con una risoluzione molto più alta, mentre a destra c’è una stampa 3D di una versione esportata con parametri STL a risoluzione molto bassa.

Per forzare questa impostazione predefinita dei CAD è necessario lavorare sui parametri di esportazione. I principali sono due e si chiamano chordal tolerance (or chordal deviation) e angular tolerance (or angular deviation)

Tolleranza cordale (o deviazione cordale)

La tolleranza cordale (o deviazione cordale) è il primo parametro che controlla la risoluzione del tuo oggetto creato in 3D. La tolleranza cordale è la massima deviazione lineare normale (perpendicolare) consentita da:

la superficie del modello 3D così come progettato (in questo caso il contorno curvo)
dalla faccia triangolare dell’STL risultante (quella più vicina), come mostrato nell’immagine seguente

Distanza tra il contorno superficiale triangolare ottenuto dopo l’esportazione dell’STL e quello curvo risultante dal disegno CAD 3D

Quindi, con un valore di tolleranza cordale più piccolo si otterrà un STL a risoluzione più elevata, con più triangoli (e più piccoli) e una dimensione del file maggiore.

Tolleranza angolare / Deviazione angolare / Deviazione normale

L’altro parametro importante è la tolleranza angolare (a volte indicata come deviazione angolare o deviazione normale). Questa impostazione controlla l’angolo massimo consentito tra i vettori normali di due triangoli vicini nella mesh e va considerato come un parametro che “rifinisce” la mesh più di quanto la tolleranza cordale consentirebbe altrimenti.

Se il valore di deviazione angolare (misurato in gradi) è impostato abbastanza piccolo da essere il parametro dominante, forzerà il processo di generazione STL ad aggiungere più triangoli nelle regioni di una parte con curvature più nette, che sono spesso caratteristiche con piccoli raggi. Questo a sua volta “migliorerà” la levigatezza di queste caratteristiche nella parte stampata in 3D risultante più di quanto fornirebbe la tolleranza cordale.

Si noti che mentre la deviazione angolare viene solitamente misurata in gradi (con un valore inferiore che determina un modello a risoluzione più elevata), alcuni software CAD specificano la deviazione angolare come un parametro di “controllo dell’angolo” adimensionale che varia di valore da 0 a 1, con valori maggiori specificando una risoluzione STL più alta intorno alle superfici curve.

Impostazioni di esportazione aggiuntive: alcuni programmi CAD possono offrire impostazioni extra oltre ai due controlli principali della tolleranza cordale e angolare, che possono includere opzioni come la lunghezza minima o massima della sfaccettatura del triangolo. In generale, vengono solitamente utilizzati per risolvere i problemi di esportazione STL nei casi limite e si consiglia di lasciarli ai valori predefiniti a meno che non si abbia un motivo specifico per modificarli.

Come esportare un file STL per la stampa in 3D

Il consiglio migliore che posso darvi è di trovare un equilibrio delle impostazioni di esportazione STL, tra una risoluzione di alta qualità che soddisfi i tuoi requisiti funzionali e una dimensione del file che possa essere elaborata rapidamente in Eiger. L’esperienza ha dimostrato che le seguenti impostazioni sono un utile punto di partenza:

Formato STL binario (dimensioni del file inferiori rispetto a ASCII)
Tolleranza cordale/deviazione di 0,1 mm
Tolleranza angolare/deviazione di 1 grado
Lunghezza laterale minima di 0,1 mm

Se la dimensione del file risultante è maggiore di 40 MB, si consiglia vivamente di ridurre la dimensione del file aumentando i valori della tolleranza cordale e/o angolare fino a quando la dimensione del file STL non è stata ridotta a meno di 40 MB. Il motivo è, come spiegato in precedenza, che file di grandi dimensioni possono rallentare le operazioni di elaborazione coinvolte nella preparazione dell’STL per la stampa 3D.