La impresión 3D de alta velocidad

Negli ultimi mesi il concetto di stampa 3D FFF ad alta velocità è diventato molto popolare grazie al lancio del kit Hyper FFF per la serie Pro3 di Raise3D e, successivamente, alle capacità di stampa ad alta velocità di alcuni nuovi modelli come il Bambulab X1, il Ankermake M5 o il recentemente introdotto Prusa MK4 e Creality K1.

Queste nuove stampanti promettono velocità di stampa fino a cinque volte più veloci senza influire sulla qualità delle parti, ma quanto è reale e quanto è marketing?

Prima di tutto, è necessario comprendere le limitazioni e i problemi che si verificano durante la stampa ad alta velocità.

Limitazioni della stampa 3D ad alta velocità

Il concetto di stampa 3D FFF ad alta velocità si riferisce generalmente alle stampanti 3D desktop. Questo perché queste stampanti, a causa del loro costo e della loro costruzione compatta, sono più suscettibili alle vibrazioni dovute al movimento e le loro teste, che sono più compatte rispetto a quelle degli apparecchi industriali, non sono preparate per estrudere alti flussi volumetrici. Ecco perché la velocità massima che una stampante 3D FFF può accettare dipende da tre fattori:

• La perdita di precisione e qualità causata dalle vibrazioni della struttura.
• Il flusso volumetrico massimo che la testina di stampa è in grado di estrudere.
• Il comportamento termico del materiale di stampa.

Immagine 1: Stampante 3D FFF industriale (sinistra) e stampante 3D FFF desktop (destra). Fonte: Raise3D.

Vibrazioni e il loro effetto sulla qualità di stampa

All'aumentare della velocità di rotazione e delle accelerazioni, aumentano anche le inerzie trasmesse alla struttura e quindi le vibrazioni. A basse velocità, le strutture delle stampanti hanno una capacità sufficiente per assorbire e smorzare le vibrazioni, tuttavia, all'aumentare dei valori di velocità e accelerazione, aumenta il rischio di un fenomeno di risonanza. Una volta che la struttura entra in risonanza, inizierà a vibrare a una frequenza specifica caratteristica di ogni stampante.

Questa vibrazione viene trasmessa al mandrino durante il movimento, con due conseguenze:

• Perdita di precisione di posizionamento.
• L'apparizione di un motivo a onda sulla superficie della parte.

A seconda della rigidità della struttura, la frequenza e l'ampiezza delle vibrazioni variano. Strutture più stabili avranno frequenze di risonanza più elevate e ampiezze più basse, risultando in una minore perdita di precisione e un effetto meno visibile sulla superficie della parte.

Immagine 2: Motivo marcato sulla superficie di una parte a causa della risonanza. Fonte: simplify3D.com

Il modo più comune per affrontare questo problema sulle stampanti 3D FFF desktop si basava sullo sviluppo di strutture meccanicamente più stabili, finché Klipper, un firmware gratuito alternativo a Marlin, ha implementato un metodo di compensazione della risonanza basato sul metodo di controllo delle vibrazioni "Input Shaping". Questo metodo basato sul software significa che, una volta conosciuta la frequenza di vibrazione, viene inviata una sequenza di impulsi ai motori che fanno vibrare il mandrino in un modello inverso alla risonanza, annullando così le vibrazioni del mandrino durante il movimento. Questo è simile all'approccio utilizzato, ad esempio, nelle cuffie con cancellazione del rumore o negli stabilizzatori ottici.

Video 1: Esempio di compensazione delle vibrazioni utilizzando il metodo di shaping dell'input. Fonte: ACS Motion Control.

Limitazioni del flusso volumetrico di estrusione

Un'altra importante limitazione nella stampa ad alta velocità è la capacità massima di una matrice di fondere ed estrudere plastica. Questo concetto, noto come velocità volumetrica massima, è un parametro specifico per ciascun hotend e varia in base al materiale utilizzato. La velocità volumetrica massima è relazionata a tre variabili:

• Diametro dell'ugello
• Altezza dello strato
• Velocità di stampa massima

Secondo il seguente rapporto:

Quindi, per una data stampante, la velocità di stampa massima è anche limitata dalla velocità volumetrica massima caratteristica del suo estrusore secondo il seguente rapporto:

Il valore più comune della velocità volumetrica massima di una stampante desktop durante la stampa di ABS è circa 10 mm³/s, il che implica che la velocità massima teorica a cui l'ABS potrebbe essere stampato con successo utilizzando la configurazione standard basata su un'altezza dello strato di 0,2 mm e un ugello di 0,4 mm sarebbe solo 125 mm/s. Se utilizziamo anche un'altra configurazione comune come un ugello da 0,6 mm e un'altezza dello strato di 0,3 mm, la velocità di stampa massima scenderebbe a 55 mm/s. Utilizzare velocità più elevate implicherebbe un elevato rischio di mancata estrusione e delaminazione degli strati.

Immagine 3: Hotend Volcano, con una superficie di fusione più ampia rispetto agli hotend convenzionali. Fonte: e3d-online.com

Per aumentare la velocità volumetrica massima, sono stati sviluppati nuovi design di hotend e ugelli. Ad esempio, gli hotend Volcano di E3D possono aumentare la velocità volumetrica massima di circa il 70%, mentre gli ugelli CHT di Bondtech possono aumentare la velocità volumetrica massima del 30% senza la necessità di modificare l'hotend.

Video 2: Ugello CHT Bondtech vs. ugello V6 convenzionale. Fonte: Bondtech.

Proprietà dei materiali

Ultimo punto importante nella stampa ad alta velocità è il materiale utilizzato. Come discusso nella sezione precedente, la velocità volumetrica massima dipende non solo dal design dell'hotend, ma anche dal materiale utilizzato. Su una stampante desktop, la velocità volumetrica massima viene raggiunta utilizzando il PLA (circa 15 mm³/s), mentre altri materiali come ABS, ASA o PETg sono limitati a una velocità massima di 10 mm³/s. Esistono anche alcuni materiali come TPU o TPE, dove superare velocità volumetriche di 3-5 mm³/s può essere difficile.

Per questo motivo, lo sviluppo di plastiche specifiche per la stampa ad alta velocità, in combinazione con nuovi design di hotend, è essenziale per sfruttare appieno la stampa 3D FFF ad alta velocità.

Immagine 4: Filamento rinforzato con fibra di carbonio ordinario (a sinistra) versus filamento con tecnologia Hypercore di Raise3D. Fonte: Raise3D.

Implementazioni ad alta velocità nelle stampanti commerciali

Come accennato all'inizio, l'interesse nell'implementare sistemi di stampa ad alta velocità FFF 3D sulle stampanti desktop è nato con la popolarizzazione del firmware gratuito Klipper, tuttavia, a causa della natura di questo progetto, era disponibile solo nell'ambiente maker. Il primo produttore a sviluppare un sistema professionale ad alta velocità sulle sue stampanti è stata la rinomata azienda Raise3D con l'introduzione di il kit Hyper FFF per la serie Pro3.

Video 3: Confronto tra Raise Pro3 con Hyper FFF e Raise Pro3 standard. Fonte: Raise3D.

Il sistema Hyper FFF è il primo a offrire un approccio completo che affronta contemporaneamente tutte e tre le limitazioni sopra menzionate:

Compensazione della risonanza: Il firmware Hyper FFF per la serie Pro3 di Raise3D implementa un sistema di compensazione della risonanza shaping input simile a quello usato in Klipper. Per la determinazione delle frequenze di risonanza in X e Y, il kit Hyper FFF include una testina di calibrazione dotata di un accelerometro ad alta precisione. Questo, combinato con una struttura altamente stabile ottimizzata nel corso degli anni dalla serie N2, garantisce una precisa compensazione della risonanza a qualsiasi velocità.

Velocità volumetrica massima: Il kit Hyper FFF di Raise3D include due nuovi hotend ridisegnati per aumentare la velocità volumetrica massima fino al 200% rispetto all'hotend originale.

Materiali adattati alla stampa ad alta velocità: Raise3D ha sviluppato, insieme al kit FFF, una nuova serie di filamenti Hyperspeed, che consentono di aumentare la velocità volumetrica massima fino al 50% rispetto ai materiali standard. Inoltre, la nuova linea di materiali compositi Hyper Core garantisce massime proprietà meccaniche nella stampa ad alta velocità.

Immagine 5: Kit Hyper FFF per Raise3D Pro3. Fonte: Raise3D.

Questo approccio globale permette velocità di stampa reali 3-5 volte più veloci rispetto a quelle di una stampante desktop standard, senza influenzare né la qualità estetica delle parti né il loro comportamento meccanico.

Dopo Raise3D, diversi produttori hanno implementato sistemi di stampa ad alta velocità FFF 3D in un modo o nell'altro. Di recente Prusa ha introdotto la nuova Prusa MK4, che include un sistema di stampa ad alta velocità. Questo sistema, basato su un'implementazione del modulo Klipper in Marlin. Questo, insieme al nuovo hotend che fornisce una maggiore area di fusione rispetto al V6 originale, permette di aumentare la velocità di stampa tra il 150% e il 200%. Riguardo alla determinazione delle frequenze di risonanza, la stampante include valori generici determinati dal produttore nel firmware. Questo, sebbene possa essere efficace, è il metodo di calibrazione meno preciso. Secondo il produttore, la MK4 include una porta dedicata per un accelerometro, anche se non vi è conferma che questo possa essere utilizzato per una calibrazione effettiva in futuro.

Immagine 6: Prusa MK4. Fonte: Prusa3d.com.

Allo stesso tempo, alcuni noti produttori cinesi come Creality, Ankermake o Bambulab hanno presentato modelli rivolti al settore professionale che includono la stampa ad alta velocità FFF 3D. Queste sono stampanti che implementano direttamente versioni personalizzate di Klipper. Proprio questi produttori pubblicizzano velocità più elevate, offrendo velocità volumetriche massime fino a 32 mm³/s e velocità di stampa fino a 600 mm/s. Anche se l'implementazione di Klipper e l'incorporazione di nuovi hotend garantiscono velocità di stampa più elevate, i valori forniti non sono realistici e sono solo una strategia di marketing. Prima di tutto, sistemi noti ad alto flusso come il sistema E3D Volcano sono in grado di fornire velocità volumetriche massime di 20 mm³/s con PLA in condizioni standard (ugello da 0,4 mm e altezza dello strato di 0,2 mm). Solo alcune configurazioni speciali come gli hotend E3D Supervolcano possono garantire valori simili a quelli pubblicizzati. D'altra parte, anche se queste stampanti potessero garantire velocità volumetriche massime di 32 mm³/s, la velocità di stampa massima in condizioni standard sarebbe limitata a 400 mm/s, secondo la formula che relaziona la velocità di stampa e la velocità volumetrica massima. Questo limite è lontano dai valori pubblicizzati di 600 mm/s.

Immagine 7: Banner che pubblicizza una stampante ad alta velocità. Fonte: Creality.com.

Conclusione

La stampa ad alta velocità FFF 3D è una rivoluzione che promette di minimizzare uno dei principali handicap della stampa aumentando la produttività di questa tecnologia. Tuttavia, è un processo complesso che richiede un approccio completo oltre la compensazione della risonanza. Richiede anche lo sviluppo di hotend capaci di garantire alte velocità volumetriche insieme a nuove formulazioni di materiali, al fine di raggiungere alte velocità senza influenzare le finiture e le proprietà finali della parte. Questo è particolarmente critico nei materiali tecnici come i compositi dove, fino ad oggi, solo il sistema Raise3D include materiali tecnici ottimizzati per l'alta velocità.

Riguardo alle velocità massime che possono essere ottenute oggi, i valori più realistici in quelle stampanti con compensazione della risonanza e hotend ottimizzati sono intorno ai 150 - 200 mm/s. Questi valori sono in linea con quelli pubblicizzati per la Prusa Mk4, ma lontani dai valori pubblicizzati da altre marche. Nel caso dell'uso di materiali specifici per l'alta velocità, l'aumento potrebbe arrivare fino a 250-300 mm/s. Ciò non significa che non sia possibile raggiungere velocità più elevate senza vedere l'aspetto di ghosting o ringing sulla parte, ma le proprietà finali e il comportamento meccanico della parte saranno compromessi a causa dell'aspetto di difetti o della bassa adesione tra strati.