Dal modello alla stampa 3d - 1 - La stampante

La stampa 3D

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  • Esistono diverse tecniche di stampa 3D e vengono stampati diversi tipi di materiale
  • Esistono stampanti che stampano metalli, fondendoli con tecniche simili all'eletrosaldatura
  • Esistono stampanti che fanno coagulare dei materiali dissolti in un liquido, utilizzando dei raggi ultravioletti, tra queste le stampanti a resina
  • Esistono stampanti che estrudono vari tipi di materiale, alcuni tramite fusione, altri tramite semplice pressione.

La stampa 3D

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  • Tutte queste tecniche hanno in comune il fatto che l'oggetto viene costruito aggiungendo di mano in mano del materiale

I materiali

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  • Concentriamoci ora sulle stampanti ad estrusione.
  • Esistono stampanti con pompe particolari che sono in grado di estrudere sostanze alimentari, oppure argilla o addirittura cemento
  • Le normali stampanti con estrusore termico possono invece stampare:
  • ABS (Acrilonitrile butadiene stirene) che ha ottime caratteirsiche meccaniche, ma tende a ritirarsi durante la stampa
  • PLA (Acido polilattico), molto facile da stampare

I materiali

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  • FilaFlex filamento flessibile (richiede una testina con il percorso del filo guidato)
  • Tutti questi filamenti possono avere molti colori
  • Inoltre si trova del PLA con inclusioni di vari materiali (legno, metallo, fibra di carbonio), per dargli aspetto o caratteristiche particolari.

La stampante

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  • La stampa avviene fondendo il materiale plastico ed estrudendolo in un sottile filamento (da 0,2 ad 1 mm), "disegnando" l'oggetto strato per strato.
  • Questo implica l'avere una testa di stampa con un estrusore riscaldato ed un motore che spinga il materiale nell'estrusore.
  • A sua volta l'estrusore dovrà poter percorrere delle figure sul piano, grazie a due motori che lo sposteranno lungo gli assi cartesiani X ed Y

La stampante

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  • Occorrerà poi un terzo movimento verticale (lungo l'asse Z) in modo che, una volta "disegnato" uno strato, la testa di stampa possa sollevarsi e disegnare il nuovo strato del nostro oggetto, appoggiato sul primo.

RepRap

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  • RepRap sta per Replicating Rapid Prototyper ed è un progetto per una stampante 3D Open Source nato nel 2005
  • Il prodotto di questo progetto è stata una stampante, la Prusa Mendel, realizzata con materiali comuni reperibili in qualunque negozio, come cinghie, motori, cusinetti barre filettate.
  • L'elettronica è stata realizzata a partire dalla scheda Arduino, anch'essa un progetto open source, con una serie di periferiche abbastanza comuni.

RepRap

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  • I pezzi che servono a tenere insieme i motori, le barre, le pulegge e le cinghie possono essere realizzati con la stampante stessa, quindi la stampante è in grado di replicarsi.
  • La stampante dell'immagine è la Prusa Mendel originale o iteration 1. Attualmente le stampanti più usate sono le I3, e da esse sono stati derivati un aserie di prodotti commerciali

Movimento delta o a tre assi

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  • Come indicato in precedenza, per ottenere una stampante 3D occorre muovere una testa di stampa nelle tre direzione dello spazio (X, Y e Z).
  • Questo movimento viene ottenuto con tre motori passo-passo (stepper motor), che vengono mossi per incrementi di angolo e non richiedono ingranaggi o demoltipliche, sviluppando una forte coppia.
  • I motori possono essere posti secondo varie configurazioni.
  • Se mettiamo i motori ai vertici di un triangolo, con cinghie o viti senza fine che realizzino tre movimenti paralleli, otteniamo una configurazione a delta

Movimento delta o a tre assi

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  • Se invece li disponiamo ortogonalmente, otteniamo la classica configurazione a tre assi.

Asse X

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  • Se ci concentriamo sul movimento a tre assi, possiamo anche qui avere varie configurazioni, in quanto si può muovere l'oggetto, la testa di stampa o entrambe.
  • Poniamo ora l'attenzione sulla costruzione della Prusa Mendel I3.
  • L'asse X è costituito da un carrello che scorre, tramite cuscintetti a ricircolo di sfere, su di due barre di acciaio rettificate.
  • Il carrello è trainato da una cinghia dentata, tesa con un tenditore sul lato destro

Asse X

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  • Sul lato sinistro trova posto il motore passo passo. Trova posto anche un interruttore di fine corsa che serve a creare un punto di zero per l'asse.

Asse Y

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  • L'asse Y è un carrello su cui si appoggia il pezzo da stampare.
  • Questo carrello scorre su due sbarre rettificate tramite quattro cuscinetti a ricircolo di sfere.
  • Viene spostato da un motore passo-passo, tramite una cinghia dentata.
  • Anche l'asse Y possiede un interruttore di fine corsa per creare un punto di zero.
  • Il piano di stampa è fissato al carrello tramite delle viti e delle molle, in modo da poterlo registrare finemente.

Piano di stampa

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  • L'oggetto da stampare viene costruito su di una lastra di vetro borosilicato.
  • Spesso questa lastra viene trattata per aumentare l'adesione dell'oggetto, specie se si stampa materiale come ABS o Nylon. Molto comune è la comune lacca per capelli. Altri usano la colla vinilca.
  • Per ridurre il ritiro del materiale ed il suo distacco il piano viene riscaldato.
  • Il supporto del vetro è ujn foglio di vetronite utilizzato per circuiti stampati. Questi fogli posseggono uno strato di rame incollato da ambo i lati.

Piano di stampa

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  • Si di un lato è stata incisa una lunga serpentina che, percorsa da alcuni ampere di corrente, riscalda il piatto a temperature anche superiori al 100° Centigradi.
  • La temperatura del vetro è monitorata tramite una termoresistenza NTC posta la centro del piatto.

Asse Z

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  • Per l'asse Z invece delle cinghie sono state scelte delle viti senza fine. In realtà sono state utilizzate delle comuni barre filettate con dei bulloncini.
  • Non è stato previsto un recupero dei giochi in quanto il peso del carrello pensa a questo.
  • Per consentire al carrello di muoversi parallelamente al piano di stampa sono state messe due viti senza fine, una per ogni lato, che si muoveranno in sincrono.
  • Per semplificare la meccanica, invece che fare un rimando con cinghia o altro, vedendo anche il basso costo dei motori passo-passo, sono stati messi due motori, uno per lato, collegati elettricamente in parallelo.

Asse Z

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  • Per accoppiare le aste filettate all'albero del motore viene utilizzato un giunto elastico, che compensa eventuali imprecisioni di montaggio
  • Anche qui troviamo un interruttore di fine corsa per creare un punto di zero.

Testa di stampa

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  • La testa di stampa è certamente la parte più complessa della stampante
  • Essa contiene un asse zigrinato (ottenuto da un comune bullone) che deve spingere il filo plastico dentro l'estrusore (hot end)
  • Quest'asse è accoppiato al motore passso-passo tramite una riduzione ad ingranaggi autocentrante (i denti non sono lineari ma a V)
  • Un pressore spinto da due molle tiene premuto il filo plastico sull'asse zigrinato tramite un cuscinetto a sfere.

Testa di stampa

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  • Sotto il blocco motore è fissato, tramite una flangia l'estrusore il cui compito è quello di formare il filo di plastica fusa che comporrà il nostro oggetto.

Estrusore

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  • L'estrusore è il pezzo più delicato della stampante. Esso deve riscaldare il filamento nella sua punta, ma tenerlo freddo lungo il percorso, in modo che si possa regolarne il flusso.
  • Per prima cosa si nota il blocchetto d'alluminio in fondo, riscaldato da una cartuccia resistiva da una quarantina di watt e regolato da una termiresistenza NTC inclusa in vetro.
  • Sotto il blocchetto riscaldante si può notare l'ugello di ottone, dal quale fuoriuscirà il materiale fuso.

Estrusore

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  • Si può quindi notare poi il fusto alettato con una ventola di raffreddamento che deve raffreddare il condotto che porta il filamento all'ugello.
  • In questo estrusore il blocchetto di alluminio è racchiuso in una camicia di gomma siliconica, per facilitarne il riscaldamento, che deve raggiungere e a volte superare i 245° centigradi

Ugello

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  • L'estrusore spinge il materiale plastico fuso attraverso un piccolo foro chiamato ugello.
  • Questo foro può avere diametri da 0,2 mm a 1mm o più.
  • Più il foro è piccolo, più la stampa risulterà precisa e le superfici saranno lisce, ma più tempo occorrerà per stampare un oggetto.
  • Inoltre, più il foro è piccolo, più è facile che piccole scorie, magari plastica carbonizzata, lo intasino.

Ugello

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  • Alcuni tipi di estrusore montano ugelli intercambiabili come quelli in figura.
  • Naturalmente, se l'ugello è intercambiabile, l'estrusore è più flessibile. Occorrerà scegliere comunque un estrusore adatto al diametro del filo per cui è realizzato l'estrusore.

Vari modelli di estrusore

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  • In commercio si trovano vari tipi di estrusore diversi, adatti alla testa di stampa della Prusa Mendel
  • Gli estrusori possono essere adatti o al filo da 1,75mm o a quello da 3mm, che sono le due dimensioni di filo comuni che si trovano in commercio.
  • L'estrusore di sopra è un Merlin, che ha un ugello intercambiabile molto piccolo ed un gambo in ceramica per limitare la diffusione del calore.
  • Quello inferiore è un Hexagon che ha il gambo con un'ampia alettatura per raffreddare rapidamente il condotto metallico che guida il filo.

Vari modelli di estrusore

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  • In questo caso, per aumentare il raffreddamento è stata anche aggiunta una ventola che aumenta il flusso d'aria sull'alettatura.
  • Se però il flusso d'aria è troppo intenso, l'estrusore fatica a raggiungere le temperature attorno ai 240° necessarie per la fusione ad esempio dell'ABS

Arduino Mega

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  • Tutto questo hardware è governato da una scheda Arduino Mega (o compatibile)
  • Questa scheda nasce da un progetto Open Hardware nato a Torino dal gruppo di Massimo Banzi, quindi è progetto liberamente disponibile e modificabile.
  • Le schede Arduino sono schede a processore basate sulla serie dei microcontollori ATMega del Atmel.
  • Un adatttore USB ed un semplice firmware di base consentono di connetterle facilmente ad un PC per programmatrle o per interagire con esse

Arduino Mega

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  • Una serie di semplici connettori a bordo scheda rendono disponibili gli ingressi e le uscite del processore per delle schede di interfaccia, chiamate shield
  • L'Arduino Mega è la scheda più grande della serie, che mette a disposizione ben 256 KiB di memoria per il programma, 8 KiB per i dati e 54 piedini di ingresso/uscita

Scheda RAMPS

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  • Per connettere l'Arduino Mega alla nostra stampante occorre una scheda d'interfaccia: uno shield
  • Nel nostro caso lo shield adatto è la scheda RAMPS
  • Questa scheda ospita fino a cinque moduli per il controllo dei motori passo-passo: uno per ogni asse (a quello dell'asse Z saranno collegati assieme entrambi i motori) e due per due possibili estrusori.
  • Possiede gli ingressi per tre sensori di temperatura: uno per il piano e due per i due possibili estrusori
  • Possiede i connettori per i tre interruttori di fine corsa degli assi

Scheda RAMPS

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  • Possiede tre transistor VFET di potenza per comandare il riscaldatore del piano e quelli dei due estrusori
  • Possiede altri connettori per connettere altri eventuali attuatori/sensori, come ad esempio una ventola che raffreddi il pezzo stampato, con velocità regolabile
  • Riporta poi alcuni piedini liberi dell'Arduino su di un connettore sul quale inserire eventuali schede aggiuntive, come un display LCD per il controllo in locale o una scheda SD per contenere i file da stampare

Driver per motore Passo Passo Pololu

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  • Per comandare i motori passo-passo viene usato un controllore integrato A4988 della Allegro Microsystems
  • Il motore passo-passo ha come caratteristica che può venire comandato dando tensione ai suoi quattro fili a turno, per portarlo in posizioni estremamente precise.
  • Se però noi diamo tensione a due dei fili contemporaneamente, possiamo portare il motore esattamente a metà tra due posizioni.
  • Se poi siamo in grado di regolare in maniera diversa la tensione che diamo ai due fili, possiamo raggiungere ancora altre posizioni intermedie

Driver per motore Passo Passo Pololu

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  • Questa tecnica viene chiamata microstep e viene gestita dal nostro integrato
  • Dato che l'integrato però è molto piccolo e difficile da saldare, e richiede alcuni componenti di supporto, invece di montarlo direttamente sulla RAMPS, viene montato su dei piccoli moduli chiamati POLOLU, che vengono venduti già assemblati.

Scheda Sanguinololu

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  • Un'alternativa a volte più economica e meno ingombrante della coppia Arduino Mega- RAMPS è la scheda Sanguinololu.
  • Questa scheda contiene sia un processore della famiglia ATmega compatibile con Arduino sia la circuiteria di interfaccia
  • A differenza della RAMPS contiene la circuiteria per un solo estrusore (che però nella maggior parte dei casi è sufficiente)
  • Anche questa scheda possiede alcuni connettori aggiuntivi per sensori/attuatori, ma in misura decisamente minore della RAMPS.

Scheda Sanguinololu

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  • È comunque ancora possibile collegare un display LCD ed una SD, per un funzionamento autonomo della stampante.

Firmware Marlin

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  • Il processore Arduino deve essere caricato con un firmware (software registrato in ROM) per poter svolgere una qualunque funzione
  • Esistono diversi firmware per gestire le stampanti 3d.
  • Uno dei più diffusi tra questi firmware si chiama Marlin e può essere scaricato dal suo sito http://marlinfw.org/
  • Questo è un firmware altamente configurabile, in grado di gestire sia stampanti a tre assi che a delta.

Firmware Marlin

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  • Può utilizzare diversi tipi di sensori di temperatura ed è configurabile per tutte le dimensioni e precisioni degli assi.
  • Possiede anche gruppi di configurazioni precostituite per i tipi più diffusi di schede e stampanti.
  • Supporta anche molti accessori come display e schede SD.
  • Un altro firmware molto diffuso è Repetier, che si può trovare qui: https://www.repetier.com/documentation/repetier-firmware/

Gli accessori

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  • Alla nostra stampante possiamo aggiungere una serie di accessori.
  • Possiamo modificare alcuni pezzi, come ad esempio le pulegge delle cinghie, per inserire dei tensori.
  • Possiamo aggiungere un display dotato di lettore di scheda SD, che consente di comandare la stampante direttamente senza l'intervento del PC e di stampare dei file direttamente dalla scheda SD.

Gli accessori

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  • Possiamo addirittura aggiungere un server di stampa al quale ci colleghiamo tramite la WiFi o la rete, che ci consente di inviare dal PC i file da stampare e di controllare l'andamento della stampa anche tramite una piccola telecamera, comodamente dal nostro PC.

Processo completo

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  • Per arrivare ad una stampa 3D, per prima cosa occorre produrre un modello.
  • Per farlo occorre un modellatore solido. Nel campo del software libero possiamo trovare:
  • Il modellatore solido produrrà un modello geometrico in un suo formato particolare che potrà modificare e che noi salveremo.

Processo completo

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  • Per poter proseguire dovremo però avere una descrizione della superficie in termine di triangoli, detta mesh. Di solito questa mesh si ottiene e esportando il modello in formato STL
  • Una volta ottenuta la superficie del solido da stampare occorre affettarla in fette spesse quanto uno strato di materiale
  • Per ridurre il consumo di plastica potremo poi creare una struttura a nido d'ape nell'interno.
  • In alcuni casi poi occorrerà crear dei supporti per fare in modo che parti sporgenti del solido abbaino dove posarsi. Anche questi supporti vanno affettati.

Processo completo

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  • Per finire occorrerà creare un percorso per la testina di stampa per riempire le fette prodotte.
  • Questo percorso, tradotto in comandi di movimento, verrà salvato in un file in formato g-code.
  • Il programma che esegue questo lavoro è uno slicer. Quello che usiamo noi si chiama slic3r e lo trovate qui: http://slic3r.org/

Processo completo

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  • A questo punto non resta che inviare alla stampante il file. Possiamo utilizzare vari sistemi:
    • un emulatore di terminale e collegato tramite l'USB dell'Arduino
    • una scheda SD se la nostra stampante possiede il lettore
    • la rete se abbiamo un server di stampa come OctroPi

FreeCad

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  • FreeCad (https://www.freecadweb.org/) è un Modellatore 3D Parametrico,
  • Questo vuole dire che consente di disegnare forme mettendo vincoli tra gli elementi
  • Ad esempio in un disegno possiamo imporre che un segmento sia tangente ad un cerchio, o che due segmenti siano perpendicolari, oltre che impostare distanze, lunghezze ed angoli.
  • Possiamo inserire cilindri, prismi, coni e sfere.
  • Possiamo creare disegni 2d ed estruderli oppure creare con essi delle tasche

FreeCad

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  • Possiamo comporre solidi tramite operazioni booleane.

Blender

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  • Blender (https://www.blender.org/) nasce come programma per produrre animazioni 3D fotorealistiche
  • Ovviamente un'animazione 3D nasce da un modello 3D, visualizzato (renderizzato) in prospettiva e poi mosso nello spazio visualizzato.
  • Per creare questo modello Blender contiene un sofisticato modellatore solido, che è quello che ci interessa.
  • Naturalmente, dato che lo scopo è ottenere dei modelli da animare, l'enfasi è sugli strumenti creativi piuttosto che su quelli geometrici.

Blender

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  • Ad esempio, non si possono definire da tastiera le dimensioni di una forma, ma solo trascinarlo con il mouse.
  • Esistono però alcuni strumenti che ci aiutano come un addon che misura i pezzi o un intero addon orientato alla stampa 3d

OpenSCAD

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  • OpenSCAD (http://www.openscad.org/) è un modellatore 3D per programmatori
  • Il modello viene prodotto a partire da una sua descrizione testuale
  • Non esiste un editor grafico che consenta di creare questa descrizione, ma solo un programma che consente di visualizzarne il risultato
  • Per contro il linguaggio di descrizione è molto sofisticato e contiene anche alcuni costrutti tipici della programmazione

OpenSCAD

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  • Per questo è possibile creare delle forme parametrizzabili, che possono venire modificate dall'utente tramite delle costanti prima di produrre l'oggetto.
  • Ad esempio potrei produrre una ruota in cui l'utente decide il numero di raggi, il diametro, lo spessore e la presenza di uno o più cave per la gomma, oltre che il tipo di mozzo.
  • Data la complicazione del linguaggio ed il tempo a disposizione, ho deciso di trascurarlo in questo corso.
  • Data la complessità del linguaggio, ed il tempo a disposizione ho deciso di trascurarlo in questo corso.

Il file mesh STL

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  • STL stà per STereoLithography ed è un formato che descrive le superfici di un oggetto tramite triangoli.
  • Può essere espresso sia in forma binaria che testuale, ma comunque non è altro che una serie di triangoli nello spazio.
  • L'elemento base è la faccia (facet).
  • Per ogni faccia vengono indicati i tre vertici, come punti in uno spazio cartesiano
  • Viene anche indicata la normale, che è un versore (vettore di lunghezza unitaria) che indica la direzione del lato esterno del triangolo.

Il file mesh STL

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  • Una superficie per essere stampata deve essere chiusa. Può comunque contenere delle cavità, chiuse anch'esse.
  • Spesso gli slicer possono correggere piccoli errori dei file STL.

Il file di comandi gcode

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  • I file da stampare devono essere codificati in g-code
  • Questo è un linguaggio testuale, che può anche essere modificato a mano.
  • Di fatto, slic3r consente di aggiungere dei pezzi di g-code all'inizio o alla fine del file generato, ad esempio per riposizionare la testina una volta raggiunta la temperatura o per spostare la testa di stampa dall'oggetto e raffreddare il piano alla fine.
  • Ogni comando di g-code comincia con una lettera.
  • Il nome del linguaggio deriva dal fatto che spesso questa lettera è la G

Il file di comandi gcode

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  • La lettera è seguita da un certo numero di parametri, che possono esprimere una coordinata, una velocità o altro
  • Il tipo e numero dei parametri dipendono dal comando. Alcuni sono opzionali.
  • È anche possibile inserire dei commenti all'interno del file, per renderlo più leggibile e modificabile.

Repository di oggetti thingiverse

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  • Thingiverse (http://www.thingiverse.com/) è una collezione di mesh e modelli 3D pronti pe rla stampa[/url]
  • È legato alla stampante proprietaria MakedBot, ma i modelli che vi si trovano sono usabili su qualunque stmpante.
  • I modelli vengono pubblicati dagli utenti, insieme con foto e descrizioni varie.
  • Si trovano oggetti di qualunque tipo, non tutti di ottima qualità, ma spesso ottimi.

Repository di oggetti thingiverse

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  • In genere si trovano file STL, quindi mesh che non mantengono la geometria dell'oggetto ma solo la superficie.
  • Questo rende difficile modificare gli oggetti, che comunque sono un'ottima miniera di idee e di soluzioni pronte.
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