Se la meccanica, l’elettronica e la motorizzazione di una stampante 3D ne determinano le prestazioni e la precisione, il vero e proprio cuore di questi dispositivi, che influenza l’accuratezza e il dettaglio delle stampe, la robustezza del modello finito e la generale affidabilità della macchina è decisamente il sistema di estrusione.

Sebbene le stampanti che utilizzano una tecnologia basata sull’estrusione possano in realtà impiegare materiali sotto diverse forme (granuli, pellet, materiali plastici a temperatura ambiente, paste RTV, aste, filamenti), questo articolo si concentra sui sistemi FFF, che generalmente impiegano una bobina di filamento termoplastico dalla quale attinge l’estrusore.
Il suo assemblaggio avrà quindi quattro fondamentali componenti: un sistema meccanico di alimentazione, un elemento riscaldante (Hot End), un ugello di estrusione e – opzionalmente ma in generale adottato nelle macchine più recenti – un sistema di raffreddamento.

La meccanica del sistema di alimentazione
Per poter deporre il materiale necessario a completare i vari strati, l’estrusore ha bisogno di un sistema di alimentazione. Come accennato all’inizio dell’articolo, il sistema che si è rivelato più pratico e meno costoso da realizzare sfrutta bobine di filo che viene svolto e convogliato verso l’elemento riscaldante. Questo lo trasforma dallo stato solido allo stato plastico, raggiunto il quale può essere deposto attraverso l’ugello. Fondamentalmente, la meccanica si deve occupare di svolgere la quantità di filo necessaria ad una certa operazione, convogliarla nella zona in cui il filo verrà fuso, e creare la pressione necessaria affinché il materiale allo stato plastico venga estruso.
Sulla carta l’operazione è semplice: nella pratica lo è un po’ meno.
Credo che a tutti sia capitato di svitare il tappo di un tubetto di colla, e iniziare a schiacciare il tubetto senza che fuoriesca nulla… poi all’improvviso la colla inizia ad uscire, e pur interrompendo la pressione, continua ad uscire imperterrita fino a quando, sbavando dappertutto e incollandoci le dita, riusciamo in qualche modo a riavvitare frettolosamente il tappo…
Si, per una serie di complesse ragioni fisiche, l’estrusione ha un’inerzia. Inizia a depositare matriale dopo l’avviamento del processo, e continua a depositarlo dopo l’interruzione della pressione di estrusione. L’entità di questi ritardi dipende da molti fattori (materiale estruso, forma dell’ugello, attriti etc.), ma in una misura o nell’altra è sempre presente.
Nella stampa 3D il fenomeno del ritardo è indesiderato: Se non riuscissimo a bloccare prontamente l’erogazione di materiale, passando da una sagoma all’altra sullo stesso livello (layer), ci troveremmo ad avere filamenti di congiunzione da dover rimuovere con una fastidiosa finitura manuale. Questo introduce una complicazione per il sistema di alimentazione: non soltanto deve provvedere a far si che il materiale sia disponibile quando necessario, convogliando il filamento, ma anche ad interrompere nel più breve tempo possibile questa disponibilità di materiale (e la conseguente erogazione) durante gli spostamenti “non produttivi”.
Nelle macchine per prototipazione o produzione sottrattive (es. fresatrici CNC), i movimenti che non debbono produrre una lavorazione ma semplicemente spostare l’utensile in una diversa zona vengono effettuati “in aria”, generalmente a velocità superiore rispetto alla velocità di lavoro (in “rapido”). Più o meno la stessa cosa avviene per le stampanti 3D, ma anziché sollevare l’ugello dal livello dello strato corrente, ritraendolo, viene ritratto il filamento, in modo che l’ugello non venga alimentato durante la traslazione tra un oggetto e un altro.
Quindi in sostanza il meccanismo di alimentazione deve essere in grado sia di spingere il filamento verso la zona di fusione, sia di ritrarlo quando necessario con altrettanta prontezza. Questi movimenti che tendono a comprimere il filamento nella zona di fusione e a ritrarlo ove occorre sono generalmente garantiti da un pignone godronato azionato in modo diretto o indiretto da un motore passo-passo o servo, accoppiato con una puleggia, compressa da una molla per creare la sufficiente pressione contro il filamento affinché non scivoli.

Nell’immagine, la meccanica piuttosto rudimentale di un estrusore a trazione diretta ShareBot. Il pignone godronato è montato direttamente sull’asse del motore passo-passo (nascosto da una rondella), mentre dal lato opposto del filo una puleggia, spinta contro il filo tramite una molla regolabile genera la pressione sufficiente affinché la godronatura possa trascinare il filo senza slittamenti.

I sistemi a trazione diretta presentano qualche vantaggio costruttivo (sono più semplici e leggeri), ma sono in grado di erogare una coppia limitata, e di conseguenza possono spingere il filo nella camera di fusione con una pressione modesta. Poca pressione = scarsa quantità di materiale fuso disponibile, cosa che costringe a velocità di stampa contenute. La limitazione maggiore di questo approccio è comunque relativa al fatto che, erogando piccole quantità (es. layer di minimo spessore), il motore è costretto a girare troppo lentamente e – trattandosi in generale di motori stepper – l’erogazione finisce per avvenire “a scatti”.

L’immagine superiore mostra lo schema di questo semplice estrusore.
La deformazione del filo rappresentata nello schema è esagerata, ma fornisce un’idea di come – qualora pignone e cuscinetto siano disassati – la pressione della molla, spingendo il cuscinetto sino a far aderire il filo nel suo tratto libero al pignone godronato – possa determinare anche diversi punti di attrito tra il filo e i suoi passaggi obbligati, dando luogo ad un rapido consumo di questi ultimi, soprattutto se riferiti a parti stampate in 3D.

Ovviamente, gli estrusori in metallo come quello nel video offrono maggiori garanzie di affidabilità, resistenza , precisione.

Nei modelli di estrusore a trazione indiretta vengono usati dei sistemi di ingranaggi o dei riduttori per aumentare il rapporto tra giri del motore e lunghezza del filamento estruso. Questo approccio permette una maggiore precisione nella deposizione di minime quantità di materiale a vantaggio della qualità di finitura, anche utilizzando filamenti più spessi (es. 3 mm anziché 1,75 mm), ma comporta una meccanica più pesante e con maggiore inerzia negli spostamenti. Nei modelli che utilizzano ingranaggi stampati in 3D a denti piani, è possibile osservare un certo giogo (backlash) tra le parti. Il giogo determina sia un ritardo nell’azione di svolgimento o ritrazione del filamento, sia una imprecisione della quantità di materiale estruso nei cambiamenti di senso, che si riflettono negativamente sulla precisione e qualità di finitura. Il giogo può essere ridotto o annullato usando ingranaggi elicoidali.

Quale che sia il metodo di trazione (diretto o indiretto), la meccanica dell’estrusore deve garantire:

• il massimo afflusso possibile di materiale alla camera di fusione (consente maggiori velocità di stampa). Si ottiene utilizzando filamenti di diametro più grande (es. 3 mm anziché 1,75 mm), ed aumentando la coppia del pignone di trazione.
• una struttura più leggera possibile (riduce le masse in movimento e la loro inerzia), consentendo alla stampante di raggiungere maggiori velocità di spostamento e generare minori vibrazioni.
• la minima quantità di giogo nei cambiamenti di direzione del filo. Il giogo influisce pesantemente sulla qualità di finitura, e si riduce utilizzando meccaniche di qualità, generalmente in metallo.
• una corretta gestione delle temperature. La zona di fusione del filo deve essere più breve possibile, per evitare intasamenti dell’ugello o peggio la fusione del filo in prossimità del pignone di trascinamento.

Oltre a tutti questi aspetti, una parte considerevole delle responsabilità delle imprecisioni di stampa caratteristiche dei sistemi FFF è dovuta ad altri fattori.
Ad esempio, la produzione di vapori nell’area di fusione, variazioni di diametro del filamento, variazioni di temperatura dell’hot-end legate a correnti d’aria e fattori estranei, etc.

Raffreddamento

La necessità di provvedere ad un adeguato raffreddamento deriva da due esigenze. La prima, lo abbiamo detto, è fare in modo che il filamento venga fuso esclusivamente presso la sua estremità, per una lunghezza più breve possibile. Qualora il calore si propagasse eccessivamente verso la zona nella quale avviene il trascinamento, questo necessariamente verrebbe negativamente influenzato.
Nei casi più estremi, il pignone finirebbe per girare a vuoto, venendo a mancare la necessaria rigidità del filo. Questo primo problema viene risolto con particolari alettature nella zona immediatamente superiore a quella di fusione, utilizzando in quell’area materiali scarsamente conduttori di calore, o con un raffreddamento attivo (generalmente ad aria convogliata, più raramente a liquido) nella zona.
Il secondo potenziale problema è la deposizione di materiale a temperatura di fusione su strati precedenti non totalmente solidificati. Questo avviene quando la zona di deposizione è particolarmente piccola, e la stampa insiste su quella zona, senza darle il tempo di raffreddarsi. Ad esempio, estrudendo un cilindro di pochi millimetri di diametro (e soltanto quello), probabilmente in una macchina priva di adeguato raffreddamento lo vedremmo rapidamente collassare su se stesso, o addirittura in taluni casi diventare talmente morbido da seguire il movimento della stampante, fino a produrre una sorta di cavatappi deformato. Questo problema viene risolto convogliando nella zona aria fredda, attraverso una ventola controllata dal software, che va in funzione ove necessario.
Sfortunatamente, la maggior parte delle ventole in commercio (mutuate da quelle utilizzate per raffreddare processori, schede grafiche e parti di computer) tendono a produrre un flusso di aria poco concentrato. Utilizzando questo tipo di ventole è difficile ottenere un raffreddamento mirato in una zona ben definita (che è quello che servirebbe): ma per i più esigenti è possibile ricorrere a ventole speciali (come quella mostrata nel video), o creare delle canalizzazioni ad hoc per estrarre calore o convogliare aria fredda.

Estrusori Bowden

In alcune stampanti, viene sfruttato il principio “Bowden”. E’ un approccio che tutti conosciamo bene: è quello utilizzato dai cavi freni di biciclette e piccoli ciclomotori.
Il cavo scorre all’interno di un tubo flessibile ma non comprimibile, quindi la forza (nel caso dei freni) di trazione applicata ad un’estremità viene trasferita “tale e quale” all’estremità opposta, al termine della guaina.
Nel caso degli estrusori, il cavo Bowden permette di ridurre la massa in movimento dell’estrusore, consentendo un movimento più controllato e veloce, meno vibrazioni, meno consumo di energia e maggiore velocità di stampa. Normalmente, il meccanismo che spinge il filamento verso la zona di fusione è collocato direttamente sopra l’hot-end. Questo crea problemi di equilibrio ed oscillazioni nei movimenti molto veloci, che determinano imprecisioni nella stampa, rumorosità e tremolii. Al contrario, nel caso Bowden il meccanismo di alimentazione è collocato su una parte non mobile della stampante, e il filamento viene trasportato da un tubo in PFTE(Teflon) verso l’hot-end. Il Teflon, un materiale antiattrito, riduce l’usura e la perdita di energia. Gli estrusori Bowden sono usati prevalentemente nelle stampanti con architettura Delta, per ridurre le masse sospese.

Vantaggi

Il cavo Bowden consente di raggiungere maggiori velocità di spostamento in rapido, di ridurre le masse in movimento con meno consumo di energia, e di utilizzare telai meno rigidi, costruendo stampanti più leggere e meno costose.

Svantaggi

Il sistema Bowden ha un grave inconveniente: l’isteresi. La forza di compressione applicata all’estremità di alimentazione si distribuisce lungo tutta la lunghezza del cavo. Sia la guaina in Teflon, sia il filamento sono relativamente flessibili, creando un problema di “elasticità” dell’insieme. In teoria questo problema potrebbe essere risolto collocando un encoder presso l’hot-end, ma questo farebbe aumentare il costo e la complessità sia dell’elettronica, sia del software di controllo.

 Estrusori a vite

Per ottenere una maggiore coppia ed una migliore precisione soprattutto con l’utilizzo di filamenti da 3mm, vengono utilizzati anche estrusori che sfruttano, anziché un pignone godronato, l’azione di una vite. Nell’immagine sottostante, in questo estrusore con il corpo trasparente si può intuire lo schema utilizzato.
La vite consente di ottenere “naturalmente” un rapporto più demoltiplicato tra giri del motore e avanzamento del filamento. Quando la quantità di materiale da estrudere è minima (es, l’ugello è di piccolo diametro e il filamento è spesso), gli estrusori a pignone a trazione diretta si rivelano inefficaci: il motore dovrebbe girare troppo lentamente. In queste condizioni, il materiale viene depositato “a impulsi” (in base ai passi del motore), determinando irregolarità nella finitura.
L’estrusore a vite rappresenta quindi una valida soluzione per stampe ad alta risoluzione, nelle quali il layer è particolarmente sottile (es., 0,05mm). In condizioni normali, non si notano particolari vantaggi nell’utilizzo della vite.

 Hot End

Ed eccoci al “Punto caldo”. L’estremità dell’estrusore, quella nella quale avviene la trasformazione del filamento dallo stato solido a quello plastico, e l’estrusione vera e propria – attraverso un ugello calibrato. Come si può ben intuire, insieme a tutta la precedente componentistica meccanica, questo elemento gioca un ruolo di grande importanza sulla qualità del modello.
Iniziamo dall’ugello, il componente che determina lo spessore dell’estrusione. Comprensibilmente, più piccolo è, inferiore sarà l’altezza dello strato minimo depositabile (layer), a vantaggio della qualità di finitura. La dimensione standard attuale è di 0,35 mm, mentre nelle prime stampanti venivano usati tipicamente ugelli da 0,5mm. La riduzione del diametro dell’ugello per ottenere parti più dettagliate e meglio rifinite tuttavia comporta (oltre certi limiti) delle controindicazioni. Il tempo di stampa aumenta considerevolmente (dimezzando il layer raddoppia) e le probabilità di intasamento aumentano vertiginosamente scendendo sotto il diametro di 0,25 mm.

La temperatura

Per stampare con materiali che richiedono elevate temperature di fusione, sono necessari hot-end capaci di sostenerle, es. Prusa e Arcol. Questi hot end non utilizzano isolatori PEEK, e possono raggiungere con facilità temperature superiori a 250° Celsius. Questo apre all’utilizzo di materiali come PP3DP/UP,policarbonato, nylon,PDTE e PEEK. La disponibilità di questi hot-end è tuttavia limitata.

 

 

Gli hot end Budaschnozzle sono solidi e costruiti particolarmente bene, ma essendo basati sugli hot end Arcol di generazione precedente, reintroducono l’isolamento in PEEK, e sono quindi soggetti alle stesse limitazioni di temperatura degli hot end JHead e Makegear.

Tra questi ultimi due, il JHead è più facile da assemblare e da riparare in caso di guasto.

Un “caso particolare” è rappresentato dall’hot-end prodotto in Italia da Immagina e Crea, Pur utilizzando una barriera in PEEK, è dotato di estrattore di calore e, con una semplice ventola da 25mm, consente di lavorare a 290° in continuo senza problemi. Questo hot-end è pronto per essere utilizzato con gli estrusori Greg/Wade, può essere impiegato senza ventola di raffreddamento per l’ABS sino a 245/265° e viene fornito anche con un adattatore/dissipatore per gli estrusori a vite prodotti dall’azienda.

 

Un ultimo commento sulla temperatura. La collocazione del sensore può influenzare la temperatura percepita necessaria per l’estrusione. Il filamento fornito dalla UP! richiede l’impostazione di una temperatura di 270° quando viene impiegato con una stampante UP!, ma può essere estruso a 210-215° con buoni risultati su una M2 o o Mosaic. La ragione di questa discrepanza è legata all’uso di diversi tipi di hot-end, e alla differente collocazione del sensore di temperatura.

Ulteriori informazioni sui vari modelli di estrusori commerciali e sui progetti per la realizzazione di estrusori “fai da te” sono disponibili nell’articolo “Estrusore/Hot-End:tutti i modelli e le soluzioni”.

 

 

 

 

 

 

 

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