Ripensare l'Hardware per Espresso: Una Migliore Piastra di Distribuzione Stampata in 3D

Nella produzione di macchine da caffè espresso professionali, una delle sfide maggiori è trovare materiali in grado di resistere a un uso intensivo, al calore costante e al contatto con acqua calda e vapore senza degradarsi. Per anni, i produttori hanno fatto ricorso a componenti metallici lavorati come l’ottone o l’acciaio inossidabile; tuttavia, l’uso dei metalli presenta problemi di incrostazioni di calcare, soprattutto con acque dure, e di corrosione a lungo termine, che influiscono negativamente sulla qualità e sul gusto del caffè, oltre ad aumentare la manutenzione e l’usura della macchina.

Immagine 1: Macchina da caffè espresso professionale. Fonte: electroluxprofessional.com.

In alternativa, è stato esplorato l’uso delle plastiche per ridurre il problema delle incrostazioni di calcare e della corrosione; tuttavia, la necessità di sopportare alte pressioni e temperature durante cicli di lavoro prolungati limita fortemente il catalogo delle plastiche compatibili, riducendolo a pochi polimeri tecnici come il PEEK o il PPSU.

Uno dei componenti più critici è la piastra di dispersione delle macchine da caffè. Questo componente ha il compito di distribuire uniformemente l’acqua calda sul caffè macinato, il che significa che è sottoposto a cicli di lavoro continui ad alta pressione e temperatura, rendendolo uno degli elementi più soggetti a usura. Inoltre, essendo a diretto contatto con acqua e caffè, l’uso di un materiale inadeguato o l’accumulo di calcare o ossidi può compromettere negativamente la qualità, il gusto e l’aroma del caffè.

L’importanza del materiale

Tradizionalmente, i materiali più utilizzati per la produzione delle piastre di dispersione sono stati i metalli, principalmente ottone, acciaio inossidabile e alluminio anodizzato.

Tra questi, il materiale che meglio si adatta è l’acciaio inossidabile 316L o 304, in quanto resistente alla corrosione, facile da pulire e non influisce sul gusto o sull’aroma del caffè. Tuttavia, il suo costo elevato lo riserva a macchine di fascia alta.

Un altro materiale comune è l’ottone, poiché il suo costo di lavorazione è inferiore rispetto all’acciaio e resiste bene al calore. Tuttavia, è soggetto a corrosione e incrostazioni di calcare, e può rilasciare particelle di ossido metallico che influiscono sul gusto e sulla qualità del caffè.

Attualmente, molti produttori di fascia medio-bassa hanno scelto di utilizzare alluminio anodizzato per la fabbricazione delle piastre di dispersione, grazie al suo basso costo e alla buona resistenza. Tuttavia, come l’ottone, può rilasciare particelle metalliche che influiscono sul gusto e sulla qualità del caffè.

Immagine 2: Piastre di dispersione realizzate in ottone e acciaio inox. Fonte: shadesofcoffee.co.uk.

Nella ricerca di alternative economiche, resistenti e che non alterino il gusto né la qualità del caffè, alcuni produttori hanno esplorato l’uso di plastiche tecniche come alternativa ai metalli nella produzione delle piastre di dispersione. Il principale problema riscontrato con questo approccio è che le plastiche alimentari stampate a iniezione più economiche, come i copoliesteri, il policarbonato o il PVDF, resistono a pochissimi cicli di lavoro prima di deformarsi a causa della temperatura e della pressione, mentre le plastiche tecniche lavorate, come PEEK o PPSU, superano spesso il costo dell’acciaio lavorato.

PEN-HF e stampa 3D: una soluzione semplice, economica ed efficace

Rispetto agli approcci tradizionali, un rinomato produttore di macchine da espresso ha esplorato un’alternativa innovativa nella produzione di piastre di dispersione in plastica, con l’obiettivo di ottenere un prodotto resistente, durevole e che non comprometta il gusto né la qualità del caffè, mantenendo al contempo un basso costo di produzione per renderlo accessibile a ogni tipo di macchina.

A tal fine ha subappaltato a un service bureau la produzione di piastre di dispersione mediante stampa 3D FFF utilizzando il PEN-HF, un materiale sviluppato dal produttore FLXR Engineering.

Immagine 3: Piastra di dispersione stampata in 3D con PEN-HF. Fonte: FLXR Engineering.

Il polietilene naftalato (PEN) è un poliestere simile al PET nella composizione, ma con proprietà fisiche, meccaniche e termiche che lo avvicinano ad altri materiali più tecnici come le poliammidi, il PPSU o addirittura il PEEK. Il PEN può sopportare temperature di lavoro fino a circa 170 ºC, presenta una resistenza a trazione e una rigidità superiori rispetto ad altri poliesteri, raggiunge moduli elastici superiori a 2 GPa, offre una migliore barriera alla permeazione di gas e vapore acqueo e mantiene un’eccellente resistenza chimica e compatibilità alimentare.

Mettere alla prova il materiale

Per valutare le nuove piastre di dispersione realizzate in PEN, è stato condotto un test in condizioni reali, consistente in una serie di 120 estrazioni di 30 s con acqua a una temperatura compresa tra 91 ºC e 96 ºC e a una pressione di 9 bar. Lo stesso studio è stato eseguito anche con piastre di dispersione stampate in 3D in PETG, PCTG, PC, PEEK e PVDF, oltre che con piastre lavorate in PPSU.

Solo tre materiali hanno resistito ai 120 cicli senza deformazioni: il PPSU, il PEEK e il PEN-HF. Altri poliesteri come il PETG o il PCTG hanno resistito rispettivamente a 1 e 5 cicli, mentre il PC ha retto appena 5 cicli.

Immagine 4: Numero di cicli completati con successo prima della deformazione. Fonte: FLXR Engineering.

Inoltre, i pezzi stampati in PEN-HF non rappresentavano solo un’alternativa funzionale alle piastre di dispersione in PEEK o in PPSU, ma risultavano anche più convenienti in termini di costo, riducendo il prezzo tra il 33% e il 45% rispetto al PPSU.

Tabella 1: Confronto dei costi di produzione. Fonte: Filament2Print.com.

Vantaggi oltre il costo

Il nuovo processo di produzione mediante stampa 3D in PEN-HF non solo consente di ottenere piastre di dispersione durevoli, economiche, inerti e resistenti alla corrosione, ma implica anche una minore impronta di carbonio, una catena di fornitura più flessibile e una maggiore capacità di ottimizzazione e personalizzazione.

Il PEN-HF si presenta come un’alternativa economica, efficiente e più facile da stampare rispetto ad altri materiali tecnici più comuni ma più costosi e complessi da lavorare. Non richiede l’uso di stampanti 3D industriali o ad alta temperatura, è conforme alle normative europee e FDA per applicazioni a contatto con alimenti e offre una resistenza meccanica, termica e chimica superiore a qualsiasi altro materiale nella sua fascia di prezzo.