Sistemi di estrusione diretta e Bowden

Uno degli elementi più importanti di una stampante 3D FDM è l'insieme costituito dall'estrusore e dal hotend.

Il hotend è l'elemento destinato a fondere il filamento in modo che possa fluire attraverso l'ugello, contemporaneamente impedendo al calore di propagarsi al di fuori di quella che è conosciuta come la zona calda.

Per fare ciò, i hotend sono generalmente composti da quattro parti:

• L'ugello: È l'elemento attraverso il quale fluisce il filamento fuso per depositarsi sulla stampa. Il suo diametro determina il diametro del filo di materiale estruso e quindi la risoluzione della stampante in XY.
• Il blocco riscaldante: È l'elemento responsabile del riscaldamento dell'ugello alla temperatura di stampa e del mantenimento della sua stabilità.
• Il heat break: Serve da ponte di rottura termica. Separa la zona calda dalla zona fredda.
• Il dissipatore: La sua funzione è mantenere raffreddata la zona fredda, dissipando l'eccesso di calore trasmesso dal blocco riscaldante.

Immagine 1: Temperature all'interno del hotend. Fonte: E3D.com

D'altra parte, l'estrusore è responsabile di trazionare il filamento verso l'interno del hotend in modo che si generi all'interno di esso la pressione sufficiente affinché il materiale fuso fluisca in modo costante e uniforme attraverso l'ugello.

Immagine 2: Estrusore diretto. Fonte: E3D.com

Attualmente ci sono due modi per combinare il hotend con l'estrusore: i sistemi di estrusione diretta e i sistemi Bowden.

Immagine 3: Schema di una stampante con estrusore diretto e Bowden. Fonte: Recreus.com

Nel sistemi di estrusione diretta, l'estrusore e il hotend formano un'unica unità, riducendo al minimo la distanza tra il punto di trazione e l'ugello.

Nel sistemi di estrusione Bowden, l'estrusore rimane fisso nella struttura della stampante 3D e spinge il filamento verso il hotend attraverso un tubo chiamato tubo Bowden.

Sebbene si sia molto dibattuto su quale dei due sistemi sia migliore, entrambi hanno grandi vantaggi, così come alcune svantaggi. La scelta del più adatto dipenderà da diversi fattori come il tipo di materiale utilizzato abitualmente, le velocità di stampa o la qualità del telaio della stampante.

Ritrazione

Quando l'estrusore spinge il filamento verso il hotend, il filamento viene compresso creando la pressione necessaria all'interno dell'ugello affinché il materiale fuso fluisca correttamente. Tuttavia, quando non si desidera estrudere materiale, non sarà sufficiente smettere di spingere il filamento, poiché la pressione residua dovuta alla compressione farà sì che il materiale continui a fluire. Per questo motivo, ogni volta che il hotend si sposta in una nuova posizione e non è necessario fornire materiale, è necessario ritrarre il filamento della distanza necessaria affinché si decomprima e si liberi la pressione all'interno dell'ugello. Questo è conosciuto come ritrazione ed è di grande importanza nel processo di stampa 3D.

Immagine 4: Schema della retrazione. Fonte: sublimelayers.com

Dato che in generale le plastiche non sono materiali rigidi, più grande è la distanza tra l'estrusore e il hotend, maggiore sarà la compressione del filamento necessaria per raggiungere la pressione adeguata nell'ugello. Ciò significa che anche la distanza di ritrazione necessaria per rilasciare quella pressione sarà maggiore. Pertanto, mentre nei sistemi diretti le distanze di ritrazione sono di solito comprese tra 0,8 mm e 2 mm, nei sistemi di estrusione Bowden possono raggiungere valori di 5 o 6 mm.

Potere utilizzare valori bassi di ritrazione presenta importanti vantaggi. Da un lato, i tempi di ritrazione sono più brevi, il che in pezzi che comportano molte ritrazioni può significare una significativa riduzione del tempo di stampa. Dall'altro, una bassa distanza di ritrazione riduce al minimo il rischio che la parte fusa del filamento raggiunga la zona fredda del hotend, evitando così che si solidifichi ed espanda causando un'occlusione.

Quest'ultimo fattore è ciò che rende la calibrazione delle ritrazioni degli estrusori Bowden più complessa e precisa, poiché c'è una piccola finestra tra un valore di ritrazione troppo basso che provoca oozing o stringing e uno troppo alto che provoca occlusioni.

Filamenti Flessibili

Un'altra conseguenza diretta della distanza tra l'estrusore e il hotend è il comportamento dei filamenti flessibili.

Nel sistemi Bowden, il filamento viene guidato dall'estrusore al hotend attraverso un tubo, di solito in teflon. Sebbene l'ideale sarebbe che il diametro interno del tubo fosse uguale a quello del filamento, nella pratica ciò non è fattibile, sia a causa delle piccole variazioni di diametro dovute alle tolleranze di fabbricazione, sia a causa delle alte forze di attrito che si genererebbero. Pertanto, tutti i tubi Bowden presentano una certa tolleranza, e sebbene con la maggior parte dei materiali non rappresenti un problema, con quelli flessibili sì.

Immagine 5: Flessione del filamento all'interno di un tubo Bowden. Fonte: E3D.com

A causa della loro elevata flessibilità, materiali come il TPU e il TPE tendono a flettersi all'interno del tubo Bowden deviando le forze di trazione dell'estrusore verso le pareti del tubo. Questo rende molto difficile ottenere una pressione costante nell'ugello che garantisca una corretta estrusione.

Inoltre, nei materiali flessibili, la compressione del filamento necessaria per raggiungere la pressione adeguata nell'ugello è molto maggiore rispetto ad altri materiali come il PLA, il che comporta spesso la necessità di utilizzare distanze di ritrazione eccessivamente alte.

Nonostante tutto ciò, con una certa esperienza, è possibile stampare materiali flessibili più rigidi nei sistemi Bowden, specialmente quando si utilizzano formati da 2,85 mm o 3 mm, si evita di utilizzare ritrazioni e si utilizza un tubo Bowden di alta qualità con un diametro adatto come il Capricorn XS.

Immagine 6: Tubo Bowden Capricorn XS. fonte: Captubes.com

Senza dubbio, il sistema ideale per lavorare con materiali flessibili è l'estrusione diretta. Il breve percorso tra l'estrusore e il hotend riduce al minimo la compressione del filamento e consente di tenerlo più stretto, evitando la flessione interna. Gli estrusori compatti, come il Titan Aero o specialmente l'E3D Hemera, consentono di utilizzare facilmente tutti i tipi di materiali flessibili con una stampa di alta qualità.

Inerzie

Anche se sia per quanto riguarda le ritrazioni che l'uso di filamenti flessibili i sistemi di estrusione diretta sono i vincitori, esiste una caratteristica in cui i sistemi Bowden si distinguono e che può essere di grande importanza per determinate applicazioni: le inerzie.

Una delle principali impostazioni di stampa è la velocità. E anche se molte stampanti consentono di utilizzare velocità fino a 80 o 100 mm/s, c'è una velocità limite oltre la quale è impossibile stampare senza sacrificare la qualità del pezzo. Questo perché il hotend non può muoversi a una velocità costante, ma ogni volta che cambia direzione deve decelerare fino a una determinata velocità di cambio di direzione e poi accelerare nuovamente.

Questo è dovuto alla prima legge di Newton. A causa della massa del hotend, quando si muove possiede una certa forza inerziale, maggiore quanto maggiore è la sua massa o velocità. Durante un cambio di direzione, la forza inerziale si trasmette al resto della stampante causando vibrazioni e una significativa perdita di precisione. Per evitare ciò, prima di cambiare direzione, è necessario ridurre la velocità a un valore che dipenderà principalmente dalla rigidità della struttura della stampante e dal peso del hotend. Una struttura poco robusta e leggera richiederà velocità di cambio di direzione più basse e curve di accelerazione e decelerazione più lente, poiché la sua capacità di assorbire l'inerzia sarà inferiore, il che comporterà velocità più basse e tempi di stampa più lunghi. L'unico modo per ridurre l'inerzia è ridurre la velocità o il peso.

Immagine 7: Effetto delle vibrazioni causate dall'inerzia sulla qualità di stampa. Fonte: 2Dprinterwiki.com

E qui è dove i sistemi Bowden hanno un vantaggio. Mantenendo l'estrusore fisso, che è la parte più pesante, e muovendo solo il hotend, l'inerzia viene notevolmente ridotta. Ciò consente alle stampanti 3D con sistemi Bowden di utilizzare velocità di stampa molto più elevate rispetto a quelle con sistema diretto, senza sacrificare la qualità di stampa.

Scegliere tra un sistema Bowden e uno diretto

La scelta tra un sistema diretto e Bowden dipenderà principalmente da se si dà la priorità alla velocità di stampa o alla versatilità e alla facilità nell'uso di nuovi materiali.

Se l'obiettivo è produrre il maggior numero di pezzi nel minor tempo possibile e in generale vengono utilizzati solo pochi materiali rigidi come PLA o PETG, una stampante con sistema Bowden sarà la soluzione migliore. Avendo una massa in movimento inferiore, la forza d'inerzia viene notevolmente ridotta, consentendo l'uso di velocità e accelerazioni più elevate senza il rischio di generare vibrazioni che influiscano sulla qualità finale.

Al contrario, se la priorità è utilizzare materiali tecnici ed elastici e ottenere la migliore qualità possibile a scapito della velocità di stampa, un sistema di estrusione diretta sarà la scelta ideale. Con i sistemi diretti, la configurazione di nuovi materiali è molto più semplice e la possibilità di fallimenti di stampa con materiali flessibili e semi-rigidi viene notevolmente ridotta.