Tutorial Google SketchUp per stampante 3D

Come passare dallo schizzo su carta dell’oggetto da realizzare al prodotto finito. Questo tutorial vi prenderà per mano e, passo dopo passo, vi guiderà attraverso tutti i passaggi fino alla fase di stampa del pezzo.

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Nel numero di giugno (157) di Elettronica In abbiamo descritto la costruzione e la messa in funzione di una stampante 3D, in grado di produrre oggetti in ABS, dal costo accessibile ad un pubblico amatoriale.
Per dare ulteriore concretezza all’argomento, in questo articolo vi proponiamo la descrizione  del processo a monte della stampa fisica dell’oggetto, ovvero il percorso che inizia con l’ideazione dell’oggetto, prosegue con la sua modellazione mediante uno strumento CAD 3D per terminare con la trasformazione in un formato interpretabile dal sistema di stampa.
Come sempre, procediamo con ordine.
Prima di affrontare la modellazione di un oggetto in CAD 3D bisogna capirei ciò che si vuole realizzare. Uno scambio di idee in Redazione ci ha portato a scegliere la realizzazione di un pezzo per gli scacchi ed in particolare la torre. Lo schizzo di massima è quello visibile di seguito:

Ora è il momento di scegliere un applicativo per la modellazione 3D della nostra torre. Come già specificato nel numero precedente, il risultato della modellazione deve essere salvato in formato .STL (stereolithography), un formato che descrive l’oggetto per mezzo di una nuvola di triangoli collegati tra di loro.
Una breve ricerca, in realtà orientata dalla nostra propensione a preferire progetti disponibili nel mondo open source, ci ha portato a scegliere l’applicativo Google SketchUp, un CAD 3D messo a disposizione da Google inizialmente per creare monumenti e paesaggi 3D per arricchire le viste di Google Earth.
L’unico problema di SketchUp è il fatto che non permette di esportare direttamente oggetti in formato .STL, ma questo può essere risolto installando un apposito plug-in, anch’esso disponibile come freeware.
SketchUp offre un approccio alla modellazione molto vicina al modo di pensare e di lavorare del grafico creativo, piuttosto che del disegnatore tecnico.
In SketchUp, come anche in altri applicativi grafici, l’oggetto viene costruito aggiungendo, modificando e trasformando volumi solidi fino ad ottenere le forme desiderate, con un processo simile allo scultore in creta, che aggiunge quantità di materiale che poi modella nelle forme volute.

Installazione software

Il pacchetto di installazione di Google SketchUp è scaricabile dal sito http://sketchup.google.com/
Il plug-in per l’esportazione degli oggetti in formato .STL si scarica da:
http://www.guitar-list.com/files/skp_to_dxf.rb
Una volta installato SketchUp copiate il plug-in nella cartella:
C:\Programmi\Google\Google SketchUp 8\Plugins
Nel sito di Google SketchUp trovate, oltre alla presentazione del prodotto e delle sue caratteristiche, una ricca collezione di guide video che approfondiscono con spiegazioni ed esempi tutte le funzionalità dell’applicativo.
Aprite SketchUp e, inizialmente, scegliete il template “Template semplice – Piedi e Pollici”.
Selezionate con lo strumento “Freccia” e cancellate la figura umana presente sullo spazio di lavoro.
Poi aprite il menu “Finestra” e selezionate “Informazioni modello”, impostate i valori come quelli presenti in Fig. 2.

Infine scalate l’area di lavoro con lo zoom fino ad ottenere la configurazione con i tre assi al centro (Fig. 4).

Lo zoom si esegue con la rotella del mouse; posizionando la freccia del mouse opportunamente intorno all’oggetto ed agendo sulla rotella si riesce a tenere l’ingrandimento al centro dell’area di lavoro. Possiamo salvare questo modello come template per riutilizzarlo successivamente. Ai fini del processo di stampa è di estrema importanza centrare correttamente l’oggetto in modellazione sui tre assi. La base dell’oggetto deve poggiare sugli assi X e Y mentre l’asse Z deve corrispondere all’asse centrale dell’oggetto.
Attiviamo la barra degli strumenti estesa (Fig. 3).

Iniziamo a modellare la nostra torre, che viene costruita come una struttura composta di sezioni cilindriche sovrapposte ed opportunamente sagomate. Attivate lo strumento “Cerchio”, fate coincidere il centro dello strumento “Cerchio” con l’origine degli assi, fissate con un click del tasto sinistro del mouse, spostate leggermente il mouse, digitate il valore “10” come raggio del cerchio e premete “Enter” (Fig. 5).

Il fatto di digitare il valore della misura ci permette di impostare esattamente le dimensioni desiderate, cosa che diventerebbe molto più laboriosa utilizzando unicamente lo spostamento del mouse.
Nel caso doveste commettere degli errori od eseguire operazioni indesiderate il tasto “Esc” e la combinazione Ctrl-Z vi permettono di uscire da situazioni indesiderate e recuperare operazioni mal riuscite.
Infine un’ultima raccomandazione: salvate il vostro lavoro dopo ogni operazione soddisfacente ed annotate le operazioni ed i comandi che utilizzate per ottenere particolari risultati; torneranno utili in futuro.

Ottenere un’area circolare

Per poter ottenere un oggetto stampabile è necessario realizzare un modello con pareti solide e superfici chiuse.
Ad esempio l’area appena disegnata non è stampabile in quanto non ha spessore, una superficie singola non ha le caratteristiche di un solido. Per renderla stampabile è necessario “ispessirla” nella terza dimensione. Di contro, per conferire leggerezza all’oggetto, ed anche per motivi estetici è opportuno “svuotare” l’interno dell’oggetto realizzando le pareti con uno spessore adatto alle necessità di resistenza meccanica dell’oggetto ed alle esigenze di stampa. Le esigenze di stampa richiedono uno spessore minimo di almeno 1- 1,5 mm; nel nostro caso abbiamo modellato pareti un po’ più consistenti.
Per “svuotare” l’interno dell’oggetto, sempre con lo strumento “Cerchio”, disegniamo una seconda circonferenza, anch’essa con il centro nell’origine degli assi e con un raggio di 7 mm.
Con lo strumento “Freccia” selezioniamo l’area circolare più interna e la cancelliamo con il tasto “Canc”.
Ottenete una corona circolare con base sugli assi X e Y e con centro sull’asse Z (Fig. 6).

Selezionate l’area della corona circolare con lo strumento “Freccia” ed “estrudete” la superficie con lo strumento “Spingi/Tira”. Posizionate lo strumento sull’area selezionata, tenete premuto il tasto sinistro del mouse, alzate leggermente la superficie, digitate il valore 5 e premete “Enter”.
Ottenete uno spezzone di tubo che è la base della nostra torre (Fig. 7).

Ora si deve realizzare il raccordo a tronco di cono tra la base ed il corpo della torre.
Per questo dobbiamo adottare un piccolo accorgimento. Per realizzare il tronco di cono dobbiamo estrudere ancora il “tubo” e poi diminuire i diametri della corona circolare alla sommità. Se estrudessimo ancora la base della torre non si creerebbe discontinuità tra le due parti, base e raccordo, e quindi la successiva riduzione dei diametri porterebbe ad ottenere un tronco di cono a partire dal livello terra. Per creare questa discontinuità modifichiamo di pochissimo i diametri della corona circolare sulla sommità del “tubo”. Con la “Freccia” selezioniamo la circonferenza esterna della sommità del “tubo”, col tasto destro del mouse apriamo la finestra delle proprietà della circonferenza, impostiamo 9,9 mm come raggio; con lo stesso procedimento impostiamo a 6,9 mm il raggio della circonferenza interna (Fig. 8, Fig. 9).

Ora estrudete la corona circolare superiore, sempre con lo strumento “Spingi/Tira” per una altezza di 3 mm in modo da ottenere due spezzoni di “tubo” sovrapposti. Selezionate le circonferenze esterne ed interne della corona circolare superiore impostando i valori dei raggi rispettivamente ad 8 e 5 mm ed otterrete il raccordo conico sopra la base cilindrica.
È tempo di aggiungere il corpo della torre. Estrudete ulteriormente la corona circolare superiore per una altezza di 19 mm. Modificate i raggi delle circonferenze superiori esterna ed interna portandoli ai valori di 6 e 3 mm (Fig. 10).

 Ancora una estrusione per realizzare l’aggetto di sostegno alla parte superiore della torre. Impostate una altezza di 3 mm.
Impostate i raggi delle circonferenze superiori a 9 e 6 mm (Fig. 11).

Notate che l’interno della torre è ancora vuota; ora affrontiamo il problema di creare una piattaforma chiusa alla base della parte superiore della torre.
Estrudete la corona circolare superiore per una altezza di 0,5 mm, sempre per creare un punto di discontinuità tra le diverse sezioni della torre. Ora selezionate l’area circolare interna (“Freccia”) e cancellatela. Ottenete la superficie di base per il pavimento della parte superiore della torre.
Per dare spessore e rendere stampabile il pavimento, estrudiamo la circonferenza per un’altezza di 1 mm (Fig. 12, Fig. 13, Fig. 14).

Ci manca la costruzione del muro circolare e della merlatura. Per fare questo è necessario ricreare una corona circolare sopra il pavimento e poi estruderla.
Con lo strumento “Ruota” ruotiamo la torre fino ad avere il pavimento superiore parallelo allo schermo. Attiviamo lo strumento “Cerchio” e con il mouse portiamolo prima a toccare la circonferenza esterna fino a fargliela riconoscere, poi portiamolo verso il centro dell’area circolare fino a quando riconosce il centro: premete il tasto sinistro, muovete leggermente il mouse e impostate il raggio a 7 mm (Fig. 15 e Fig. 16).

Ruotate la torre in una posizione comoda ed estrudete la corona circolare per una altezza di 3 mm. Sempre con lo strumento “Ruota” riportiamo la sommità della torre perfettamente frontale (Fig. 17).

Per realizzare la merlatura dobbiamo suddividere il muro circolare in un certo numero di parti metà delle quali dovranno essere ribassate per creare i merli. Abbiamo scelto di costruire dieci merli, pertanto dovremo suddividere la corona circolare in venti parti uguali.
Per eseguire con precisione questa operazione utilizzeremo lo strumento “Goniometro” con il quale eseguiremo la tracciatura per la suddivisione in parti uguali. Per suddividere la circonferenza in venti parti dovremo tracciare una linea guida ogni 18 gradi (360 / 20).

Attivate lo strumento “Goniometro”, con il mouse portatelo sulla circonferenza esterna fino a quando la riconosce (appare una piccola scritta), poi portatela verso il centro della circonferenza fino a quando riconosce il centro, premete e rilasciate il tasto sinistro del mouse per fissare il centro. Spostate il mouse all’esterno della circonferenza; vedrete tracciata una linea tratteggiata, un secondo click sul tasto sinistro del mouse, rilasciate e spostate leggermente verso il basso, digitate 18 e premete “Enter”. La prima linea di riferimento è tracciata.

Riportate il goniometro al centro fino a quando il centro stesso viene riconosciuto, un click e poi portatelo all’esterno della circonferenza sulla linea tracciata precedentemente, un pallino rosso indicherà il riconoscimento della linea, un secondo click, abbassate leggermente e digitate ancora 18 con “Enter”; la seconda linea di riferimento è tracciata. Ripetete l’operazione fino a tracciare tutte le linee (Fig.18 ~ Fig. 25).

Con lo strumento matita congiungete la circonferenza esterna con quella interna in corrispondenza delle linee tratteggiate. Per ogni linea portate la punta della matita sul bordo della circonferenza all’intersezione con la linea tratteggiata, premete il tasto sinistro del mouse e, tenendolo premuto, tracciate la linea fino all’intersezione con la circonferenza interna.
Rilasciate il tasto del mouse e ripetete l’operazione per tutte le altre intersezioni.
Cancellate le tracce tratteggiate selezionandole con la freccia e con il tasto “Canc” (Fig. 26).

Ruotate la torre in una posizione comoda per estrudere i merli.
Con lo strumento “Spingi/Tira” selezionate una zona della merlatura, abbassatela leggermente e digitate 1,5 più “Enter”.
Ripetere l’operazione per gli altri merli, abbassando le altre zone della merlatura in modo alternato.
La nostra torre è terminata (Fig. 27 ~ Fig. 29).

Salviamo il nostro lavoro nel formato di SketchUp e procediamo ad esportarlo in formato .STL.
Con lo strumento “Freccia” selezioniamo tutta la torre descrivendo un ampio rettangolo tutto attorno alla stessa.
Dal menu Strumenti selezioniamo la funzione Export to DXF or STL.
Alla finestra “Export Unit” selezionate “Millimeters” e “OK”. Alla finestra “Export to DXF options” selezionate “stl” e “OK”.
Impostate cartella e nome di file e salvate (Fig. 30 ~ Fig. 34).

Ora aprite l’applicativo ReplicatorG; per l’installazione, inizializzazione la calibrazione del software: fate riferimento all’articolo sul numero di Giugno 2011 di ElettronicaIn n. 157. Portate a zero gli assi della stampante 3D, la punta dell’estrusore deve essere distante circa mezzo millimetro dal piatto di stampa. Azzerate la posizione degli assi. Da File -> Open selezionate l’oggetto in formato .STL che avete appena salvato (Fig. 35).

Si apre una anteprima dell’oggetto che verrà stampato. Con i pulsanti a destra è possibile vedere l’oggetto con orientamenti diversi e scalarne le dimensioni.
Da Gcode -> Choose Gcode Generator selezionate Skeinforge (Standard). Selezioniamo Cupcake-mk5-abs nella finestra successiva (Fig. 36).

A destra in basso selezioniamo Generate Gcode. L’operazione è abbastanza lunga. Il risultato è il codice Gcode che verrà interpretato dalla logica di controllo della stampante per costruire l’oggetto (Fig. 37 – Fig. 38).

Ora selezioniamo Gcode -> Build. oppure premiamo l’apposita icona nella barra in alto. Succederanno le seguenti cose: la stampante solleva l’asse Z di un paio di centimetri e la punta riscaldante comincia a scaldare. Raggiunta la temperatura di 220 gradi, viene emesso un filamento di test che dovete togliere (scotta); poi l’asse Z torna in posizione zero e l’oggetto comincia a formarsi sotto i vostri occhi. Per prima cosa viene realizzata una base di appoggio poi, strato dopo strato, la punta deposita una sorta di tessuto di ABS fuso fino a completare l’oggetto. Al termine la punta si alza, lasciate raffreddare un po’ l’oggetto realizzato per evitare di deformarlo; prelevatelo dalla piastra di stampa e staccatelo dalla base di supporto. Se le dimensioni dell’oggetto prodotto non vi soddisfano, oppure volete produrre lo stesso oggetto ma in dimensioni differenti, una ulteriore funzionalità disponibile in Google SketchUp permette di scalare l’oggetto nella sua totalità o anche solamente lungo alcuni assi. Con lo strumento freccia selezionate l’intero oggetto poi attivate lo strumento “Scala”.
La torre viene circondata da un reticolo con degli ancoraggi a forma di cubetti gialli (Fig. 39).

 Trascinando i cubetti si ottengono le variazioni di scala lungo varie direzioni, nel nostro caso vogliamo scalare l’intera torre ingrandendola di 1,5 volte. Puntiamo il cubetto sullo spigolo in alto a destra, avvicinando il cursore del mouse diventa rosso. Premiamo il tasto sinistro del mouse e, tenendo premuto, spostiamo leggermente il cursore. Digitiamo 1,5 e poi “Enter”. Attiviamo lo strumento “Freccia” e selezioniamo l’intera torre. Attiviamo lo strumento “Sposta” e centriamo nuovamente la torre sugli assi (Fig. 40 – Fig. 41).

Salviamo, se vogliamo, ed esportiamo nuovamente in formato .STL.
Ripetiamo il processo di stampa utilizzando ReplicatorG come descritto in precedenza. Otterremo la nostra torre nelle nuove dimensioni. Utilizzando il tondino di ABS di colore nero possiamo produrre la torre… avversaria. Il metodo descritto in questo articolo permette di modellare tutti gli altri pezzi degli scacchi, a parte il cavallo, al quale stiamo pensando di dedicare un prossimo articolo.
Ed ecco il risultato finale di alcune stampe:

Qui è possibile scaricare i file da noi creati per stampare la torre. Buon lavoro!