FilaSim è uno strumento gratuito e open source progettato per analizzare il comportamento meccanico dei componenti realizzati mediante stampa 3D FDM. Il software funziona direttamente nel browser e consente di studiare deformazioni, tensioni, fattori di sicurezza e distribuzione del materiale senza installare un programma FEM tradizionale.
Il progetto è stato sviluppato da Stefan Hermann, ingegnere e autore del canale CNC Kitchen, noto per le prove sperimentali dedicate alla resistenza dei materiali, all’adesione tra gli strati e alle prestazioni dei componenti stampati in 3D.
L’obiettivo di FilaSim non è soltanto mostrare dove un modello potrebbe deformarsi o rompersi. Il programma può anche calcolare come distribuire l’infill nelle diverse zone del componente, concentrando più materiale lungo i percorsi che devono trasmettere i carichi e riducendolo nelle aree meno sollecitate.
Dall’esperimento Smart Infill a un’applicazione utilizzabile nel browser
L’idea alla base di FilaSim deriva da un esperimento presentato da Stefan Hermann circa sette anni prima del lancio del software. Nel progetto, indicato come Smart Infill, una simulazione agli elementi finiti veniva utilizzata per individuare le zone di un componente nelle quali il materiale interno contribuiva in misura maggiore alla rigidezza.
Il principio era valido, ma il procedimento richiedeva diversi programmi, numerosi passaggi manuali e la conversione dei risultati della simulazione in geometrie utilizzabili da uno slicer. Questo rendeva il metodo poco accessibile a chi non disponeva di competenze specifiche nel campo della simulazione strutturale.
FilaSim integra le diverse fasi in un solo ambiente. L’utente importa il modello, assegna i vincoli, applica le forze, definisce il materiale e avvia il calcolo. Il risultato può essere analizzato all’interno del browser oppure esportato in una forma compatibile con il processo di slicing.
Come si prepara una simulazione con FilaSim
Il flusso di lavoro inizia con il caricamento di un modello tridimensionale in formato STL o 3MF. Il software converte la geometria in una griglia composta da celle volumetriche regolari, simili a voxel. Questa discretizzazione permette al motore di calcolo di rappresentare il volume del componente e di applicare il metodo degli elementi finiti senza richiedere una procedura manuale di generazione della mesh.
Dopo l’importazione, l’utente seleziona le superfici sulle quali applicare vincoli e carichi. Tra le condizioni disponibili figurano gli incastri fissi, i supporti elastici, i vincoli di scorrimento, le forze distribuite e le pressioni superficiali.
La possibilità di utilizzare un supporto elastico è importante perché un incastro perfettamente rigido può produrre un modello più rigido rispetto alla situazione reale. Un componente fissato su gomma, schiuma, plastica o una struttura flessibile non si comporta come un oggetto bloccato su un supporto indeformabile. FilaSim permette quindi di rappresentare, almeno in forma semplificata, la cedevolezza del collegamento.
Il programma controlla anche se i vincoli impediscono tutti i movimenti rigidi del modello. Se una parte può ancora traslare o ruotare liberamente, il calcolo non dispone di condizioni sufficienti per ottenere una soluzione fisicamente coerente. Il controllo preliminare aiuta a individuare questi errori prima dell’avvio della simulazione.
Un modello pensato per i componenti stampati in 3D
Nei programmi FEM generalisti, un modello viene spesso considerato come un corpo pieno e omogeneo. Un componente FDM presenta invece pareti esterne, strati superiori e inferiori, riempimento interno e una direzione di costruzione che influenza la resistenza.
FilaSim permette di inserire il numero delle pareti, la larghezza delle linee di estrusione, la percentuale di infill e lo schema di riempimento. Il motore distingue la struttura esterna piena dal volume interno con densità ridotta, costruendo una rappresentazione più vicina al pezzo che verrà prodotto dallo slicer.
La libreria comprende valori iniziali per materiali come PLA, PETG, ABS e ASA. Questi dati possono essere modificati perché le proprietà effettive dipendono dal filamento, dalla stampante, dalla temperatura, dal raffreddamento, dalla larghezza di estrusione, dall’altezza dello strato e dalla qualità dell’adesione tra le linee depositate.
Per ottenere valutazioni quantitative, i valori del materiale dovrebbero quindi essere calibrati attraverso provini stampati con la stessa macchina e con le stesse impostazioni previste per il componente finale.
Deformazioni, tensioni e fattori di sicurezza
Una simulazione può essere eseguita considerando il materiale completamente pieno oppure la configurazione prevista per la stampa, composta da pareti e infill. Il confronto permette di capire quanto la struttura interna alleggerita influisca sulla rigidezza.
FilaSim calcola lo spostamento massimo, la distribuzione delle tensioni e la massa stimata. I risultati possono essere visualizzati sul modello mediante mappe cromatiche e sezioni interne.
Il software considera anche due possibili criteri di cedimento. Il primo riguarda la resistenza generale del materiale, valutata attraverso le tensioni equivalenti. Il secondo considera la trazione perpendicolare agli strati, collegata al rischio di delaminazione.
Questa distinzione è rilevante perché un componente FDM non possiede la stessa resistenza in tutte le direzioni. Le linee depositate all’interno di uno strato possono trasmettere il carico in modo diverso rispetto alle superfici di unione tra strati consecutivi. L’orientamento del modello sul piano di stampa diventa quindi una variabile strutturale e non soltanto una scelta legata alla qualità superficiale o alla quantità di supporti.
I fattori di sicurezza calcolati da FilaSim devono essere interpretati come strumenti di confronto e di individuazione delle zone critiche. Non sostituiscono una verifica certificata, una prova sperimentale o un’analisi eseguita secondo una norma tecnica per componenti destinati ad applicazioni di sicurezza.
L’ottimizzazione dell’infill segue il percorso dei carichi
La funzione centrale di FilaSim è l’ottimizzazione della distribuzione del riempimento. In uno slicer tradizionale, una percentuale uniforme viene applicata alla maggior parte del volume interno. Un infill del 20%, per esempio, mantiene in linea generale la stessa densità anche nelle zone che contribuiscono poco alla rigidezza.
FilaSim parte dalla distribuzione delle deformazioni e dell’energia elastica ottenuta dalla simulazione. Il software modifica quindi la densità delle celle interne per collocare più materiale nelle aree che partecipano alla trasmissione dei carichi.
L’utente può scegliere tra due obiettivi principali. Il primo consiste nel massimizzare la rigidezza rispettando una quantità prefissata di materiale. Il secondo cerca di ottenere la stessa rigidezza di un infill uniforme riducendo la massa.
È inoltre possibile generare un riempimento graduato, composto da più livelli di densità, oppure una distribuzione binaria nella quale le regioni interne risultano quasi vuote o completamente piene. Il secondo approccio produce una struttura più vicina a un’ottimizzazione topologica, mentre il riempimento graduato sfrutta percentuali che uno slicer può trasformare in differenti densità locali.
Nei test interni pubblicati con il progetto, una distribuzione suddivisa in regioni ha prodotto, su un provino a mensola, una rigidezza superiore di circa il 14-16% rispetto a un infill uniforme di massa equivalente. Il risultato riguarda uno specifico caso di verifica e non può essere trasferito automaticamente a ogni geometria, materiale o condizione di carico. Mostra però il vantaggio potenziale di una distribuzione del materiale basata sul percorso delle forze.
Anche gli studi sperimentali sull’infill FDM indicano che la percentuale di riempimento non è l’unico parametro rilevante. La continuità delle linee, l’orientamento rispetto al carico, il collegamento con le pareti e la geometria dello schema interno possono modificare resistenza, rigidezza, consumo di materiale e tempo di produzione.
Esportazione verso OrcaSlicer e Bambu Studio
Al termine dell’ottimizzazione, FilaSim può esportare un progetto in formato 3MF destinato a OrcaSlicer e a Bambu Studio, il software sviluppato da Bambu Lab.
Il file contiene il componente principale e una serie di volumi modificatori ai quali vengono assegnate percentuali diverse di infill. Quando il progetto viene aperto nello slicer, queste regioni determinano la densità del riempimento nelle varie aree del pezzo.
FilaSim può anche esportare i modificatori come file STL separati. Questa opzione amplia la possibilità di utilizzare i risultati con altri slicer, anche se l’assegnazione delle impostazioni può richiedere alcuni passaggi manuali.
Il formato 3MF è particolarmente adatto a questo flusso perché non memorizza soltanto la superficie triangolata del modello. Può includere unità di misura, materiali, colori, oggetti multipli e informazioni di produzione. Il formato è gestito dal 3MF Consortium, un’organizzazione alla quale partecipano aziende come Microsoft, HP, Autodesk, Prusa Research, Dassault Systèmes, Siemens, Materialise, Stratasys, 3D Systems, EOS, Altair, PTC e nTopology.
Nel 2025 il formato è stato riconosciuto come standard internazionale ISO/IEC 25422:2025, consolidando il suo ruolo nello scambio dei dati per la produzione additiva.
Il calcolo viene eseguito sul computer dell’utente
FilaSim utilizza un motore scritto in Rust e compilato in WebAssembly. Il calcolo viene eseguito dal browser sul computer dell’utente, senza un percorso di elaborazione obbligatorio su un server esterno.
Questa architettura evita l’installazione di un solutore dedicato e consente di utilizzare l’applicazione su diversi sistemi operativi. I modelli e i parametri della simulazione possono rimanere sul dispositivo locale, un aspetto utile quando si lavora con geometrie riservate.
Le prestazioni dipendono dal processore, dal browser, dalla complessità della geometria e dalla risoluzione scelta. Una griglia più fitta rappresenta meglio pareti sottili, raccordi e superfici inclinate, ma aumenta il numero di celle da elaborare e il consumo di memoria.
Il progetto propone livelli di risoluzione destinati alla verifica iniziale, all’analisi ordinaria e al controllo finale. La documentazione consiglia di utilizzare almeno quattro o sei celle lungo lo spessore di un elemento sottoposto a flessione. Le caratteristiche più sottili di tre celle possono essere rappresentate con precisione limitata.
Analisi modale e confronto tra peso e rigidezza
Tra le funzioni indicate nel progetto figura anche l’analisi modale, utilizzata per studiare le frequenze proprie e le forme di vibrazione di un componente. Questi dati possono aiutare a individuare configurazioni soggette a risonanza quando il pezzo viene utilizzato su macchine, motori, utensili o strutture sottoposte a sollecitazioni periodiche.
L’ottimizzazione può inoltre essere impostata per cercare un compromesso tra peso e rigidezza. Questo tipo di confronto è utile per staffe, supporti, parti di robotica, attrezzature di laboratorio, componenti per droni e dispositivi nei quali ogni grammo deve contribuire alla funzione strutturale.
La disponibilità delle singole modalità può cambiare durante lo sviluppo dell’interfaccia. FilaSim resta un progetto in evoluzione e il codice, la documentazione tecnica e l’applicazione pubblica possono non essere allineati in ogni momento.
I limiti della simulazione devono essere considerati nel progetto
Il modello numerico di FilaSim assume, per le analisi strutturali principali, un comportamento elastico lineare e piccoli spostamenti. Ciò significa che il software è adatto a valutare strutture che ritornano alla forma iniziale dopo la rimozione del carico.
Fenomeni come plasticizzazione, deformazioni elevate, contatto tra corpi, instabilità, fatica, propagazione delle cricche, comportamento viscoelastico e variazioni termiche richiedono modelli più complessi.
Anche la rappresentazione dell’infill costituisce un’approssimazione. Il software non ricostruisce ogni singola linea estrusa: attribuisce alle celle interne proprietà equivalenti legate alla densità e allo schema selezionato. Questo metodo riduce il costo del calcolo, ma non può riprodurre ogni difetto, vuoto, variazione di flusso o discontinuità generata dalla stampante.
La struttura interna viene trattata con proprietà omogeneizzate e, per una parte del modello, isotrope. Nella realtà, il comportamento dipende dalla direzione delle linee, dall’alternanza degli strati e dall’adesione tra percorsi. FilaSim considera il rischio di separazione lungo la direzione di costruzione, ma non rappresenta ancora tutte le forme di anisotropia e di cedimento interlaminare.
Per componenti critici, la procedura più affidabile consiste nell’utilizzare la simulazione per confrontare le varianti, scegliere la geometria e l’orientamento, produrre prototipi e verificare i risultati con prove di carico.
Un progetto open source con licenza AGPL
Il codice di FilaSim è pubblicato da CNC Kitchen con licenza GNU Affero General Public License 3.0. La licenza permette di utilizzare, studiare, modificare e distribuire il software.
Chi distribuisce una versione modificata o la rende disponibile come servizio di rete deve mettere a disposizione il relativo codice sorgente secondo gli stessi termini. Per l’integrazione in prodotti proprietari sono previste condizioni commerciali separate.
La pubblicazione del codice consente a sviluppatori e ricercatori di esaminare il funzionamento del solutore, controllare le ipotesi adottate, proporre correzioni e contribuire all’aggiunta di nuovi modelli.
Uno strumento intermedio tra slicer e software FEM professionale
FilaSim occupa uno spazio ancora poco coperto nel flusso di lavoro della stampa 3D desktop. Gli slicer di Bambu Lab, Prusa Research e del progetto OrcaSlicer offrono numerosi strumenti per variare pareti, riempimento e modificatori, ma non calcolano in modo completo come i carichi attraversino il componente.
I programmi FEM professionali permettono analisi più estese, ma richiedono competenze nella preparazione della mesh, nella definizione dei materiali e nell’interpretazione dei risultati. La trasformazione di una distribuzione ottimizzata in regioni utilizzabili dallo slicer rappresenta inoltre una fase distinta.
FilaSim prova a collegare questi due ambienti. Il suo valore principale risiede nella possibilità di partire da un modello destinato alla stampa, valutare il comportamento sotto carico e trasferire la distribuzione dell’infill in un progetto pronto per lo slicing.
Per progettisti, maker e piccoli laboratori, questo approccio può ridurre il numero di iterazioni basate soltanto su tentativi di stampa. Per gli utenti esperti, il software può servire come strumento preliminare per confrontare orientamenti, percentuali di riempimento e configurazioni strutturali prima di eseguire analisi più dettagliate o prove sperimentali.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)