Una nota sulle architetture delle stampanti 3D

Per lavoro [e pure per hobby sfrenato] seguo il mondo della prototipazione rapida. Uno degli strumenti più in uso in tale ambito sono le stampanti 3D, ormai conosciute dalla maggior parte delle persone grazie alla presenza di modelli consumer con prezzi compresi nella fascia 500-1000 euro oltre che dal dilagare di notizie, fiere e pubblicità.

In particolare mi sto interessando di stampanti 3D basate su tecnologia FDM (Fused Deposition Modelling), cioè strumenti che, utilizzando un principio additivo di materiale, creano l’oggetto depositando un filo di materiale plastico uno strato alla volta.

Un estrusore riscaldato [1], mosso da motori passo passo deposita su un piano [3] un filo sottile – tipicamente tra 0,3 e 0,5 mm di diametro – e continuo di materiale plastico [2]; tale materiale può avere varie caratteristiche: rigido o morbido, solubile o insolubile, conducente o isolante, colori diversi, effetti legnosi, vetrosi, ecc.

Il materiale poi si raffredda e l’oggetto è pronto per l’uso.

Con alcuni colleghi sto affrontando la creazione di un modello personalizzato di stampante che risolva alcuni limiti dei modelli commerciali consumer attualmente esistenti. Non entro nel merito né del progetto ora allo stadio di bozza né dei limiti rilevati dai modelli sul mercato che vogliamo superare in quanto, in questo post, mi voglio concentrare su un altro aspetto dello stato dell’arte 2015 di questa tecnologia.

L’aspetto su cui voglio concentrarmi è il seguente: ad oggi dopo aver guardato decine e decine di modelli di stampanti consumer e semi-professionali mi sono reso conto che le architetture in uso sono essenzialmente 2:

  • stampanti cartesiane
  • stampanti delta

Concettualmente le stampanti cartesiane fanno muovere i propri elementi mobili (estrusore e/o piano di stampa) in modo parallelo ai 3 assi x,y,z – tra loro ortogonali – che consentono di descrivere lo spazio dando coordinate ad ogni punto dello spazio stesso.

Sulla base dei movimenti dell’estrusore e del piano ci sono varie varianti, ognuna con propri pregi e difetti e migliori campi di applicazione:

  • carrello si muove su x e y [in entrambe le direzioni] e piano di stampa su z [in senso negativo, cioè verso il basso]: architettura detta GANTRY
  • carrello si muove su x  [in entrambe le direzioni]  e z [in senso positivo, cioè verso l’alto] e piano di stampa su y [in entrambe le direzioni]: architettura detta LETTO DI STAMPA MOBILE
  • carrello si muove su x,y  [in entrambe le direzioni]  e z [in senso positivo, cioè verso l’alto] e piano di stampa resta fermo: architettura poco usata, la definirei a CARRELLO XYZ oppure LETTO DI STAMPA FISSO [ma dal pregio, in caso di elevato peso dell’oggetto stampato, di potere usufruire di un piano fermo e livellato oppure di poter stampare appoggiando la stampante sul posto nel quale si desidera l’oggetto].

La seconda architettura ampiamente diffusa – detta Delta/Rostock – utilizza il sistema di riferimento polare cilindrico con 3 coordinate dette Tera, Ro e Zeta (distanza dal centro, angolo rispetto ad una direzione di riferimento ed altezza). Si tratta di un “robot delta” – invenzione del politecnico di Losanna del 1980 circa – invertito con 3 bracci collegati ad un punto in cui è montato l’estrusore di stampa. Molto veloci, ben trasportabili e facilmente scalabili [ci sono esempi di stampanti basate su questa architettura capaci di stampare oggetti alti alcuni metri].

Merita poi un cenno una terza architettura, di nicchia: quella detta rotatoria [con il piatto che ruota su proprio asse z come in un giradischi] introdotta recentemente da Blacksmith con un proprio progetto su kickstarter, positivamente finanziato. L’aspetto interessante è la facilità di conversione tra stampante 3d e scanner 3d del dispositivo.

3 disegni valgono più delle solite 3000 parole:

Stampante 3D Architettura Cartesiana

Stampante 3D Architettura Cartesiana

Stampante 3D Architettura Delta

Stampante 3D Architettura Delta

Stampante 3D Architettura Rotatoria Blacksmith

Stampante 3D Architettura Blacksmith

Cosa hanno in comune queste stampanti che mi fa pensare ad un evoluzione da valutare?

Hanno in comune il fatto che nelle 3 architetture l’oggetto in stampa [o meglio: ogni strato di cui è costituito per il tempo in cui lo strato viene stampato] espone verso l’estrusore sempre e solo la propria faccia rivolta verso z positivo del proprio piano xy, in modo che il materiale si depositi per gravità fuoriuscendo dall’ugello.

In altre parole: la stampa avviene attraverso sovrapposizioni di materiale sul piano xy, sovrapponendoli uno alla volta rispetto all’UNICO piano z dell’oggetto.

Questa immobilità relativa della direzione reciproca tra oggetto ed estrusore determina una serie di vincoli al processo di  stampa, in primis la necessità di preparare dei “supporti di stampa” per quelle parti dell’oggetto stesso che non troverebbero sotto di sé uno strato di materiale precedentemente depositato. Nei casi di stampanti più evolute i supporti vengono creati in materiali differente rispetto a quello usato per l’oggetto, ad esempio usando polimeri solubili in acqua per poterli rimuovere facilmente al termine della stampa, prima dell’uso dell’oggetto.

Consentire all’estrusore di depositare materiale su un oggetto che ruota su stesso su un quarto e quinto asse mi sembra una idea da valutare.

Il concetto è simile a questa architettura di una fresa cnc a 5 assi dove quarto e quinto asse muovono il piano che tiene fermo l’oggetto che viene lavorato.

Fresa 5 assi

Fresa 5 assi

Ci sono problemi di potenziali distacchi non voluti dell’oggetto dal piano quando esso è molto inclinato rispetto all’orizzontale e quando il rapporto “peso oggetto/area attaccata al piano” è elevato ma li vedo superabili.

Non so come si comporterà il materiale che viene depositato quando non è parallelo agli strati precedentemente depositati: potrebbe aggrappare in modo non corretto e questo potrebbe essere il primo vero limite di questa idea.

Vedo vincoli geometrici per cui dovrò dotarmi di estrusori dalle punte sottili ed allungate per potersi infilare negli spazi dell’oggetto.

Non ritengo interessante far ruotare l’estrusore come nel caso della punta di una fresa perché nel caso della stampa il materiale è soggetto alla forza di gravità quindi cade sempre verso il basso.

Dotare il piano di stampa di una mia stampante sperimentale di un quarto e quinto asse potrebbe essere il mio chiodo fisso 2016 🙂

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