Sistemi di estrusione. Regolazioni e manutenzione

L'estrusore è l'elemento responsabile del trascinamento del filamento all'interno dell'hotend in modo da generare sufficiente pressione all'interno di esso affinché il materiale fuso fluisca in modo costante e omogeneo attraverso l'ugello.

In base alla posizione dell'estrusore, si possono distinguere due tipi di sistemi di estrusione differenti: Diretto e Bowden.

Sistemi di Estrusione Diretta

Nei sistemi diretti l'estrusore è posizionato sulla testina di stampa, collegato direttamente all'hotend, muovendosi solidalmente con quest'ultimo. Poiché hanno un percorso breve e rettilineo fino all'hotend, possono controllare in modo più preciso la pressione nella bocchetta utilizzando distanze di ritrazione più brevi. Inoltre, comprimendosi meno durante l'estrusione e non avendo spazi vuoti nel percorso fino all'hotend, è molto più facile utilizzare filamenti flessibili ed elastici.

All'interno degli estrusori diretti, si possono distinguere due tipi: quelli standard e quelli compatti. Negli estrusori diretti standard, il dissipatore funge da elemento di separazione tra l'hotend e l'estrusore. Questo tipo di estrusori minimizza la trasmissione di calore tra l'hotend e l'estrusore, consentendo l'uso di materiali ad alta temperatura senza che si verifichino problemi di surriscaldamento dell'estrusore. Inoltre, solitamente sono meno inclini a subire il "Heat Creep" con il PLA.

Gli estrusori diretti compatti solitamente incorporano il dissipatore nella custodia stessa, il che consente di accoppiare l'hotend direttamente all'estrusore, riducendo il percorso del filamento. Questo tipo di estrusori sono consigliati per stampare filamenti flessibili o elastici a bassa durezza.

Immagine 1: Estrusore diretto standard (sinistra) e compatto (destra). Fonte: Bondtech

Lo svantaggio principale degli estrusori diretti è che, essendo integrati nella testina, aumentano il peso di quest'ultima, causando maggiori inerzie durante il movimento. Rispetto ai sistemi Bowden, è consigliabile utilizzare accelerazioni e velocità di cambio direzione minori. In generale, praticamente tutti gli estrusori diretti utilizzano filamenti nel formato 1,75 mm.

Sistemi di estrusione Bowden

Negli sistemi Bowden, l'estrusore rimane fisso e guida il filamento verso l'hotend attraverso un tubo, di solito in PTFE. Questo tipo di sistemi riducono significativamente il peso della testina, consentendo di utilizzare accelerazioni e velocità di cambio direzione più elevate rispetto ai sistemi diretti. Tuttavia, hanno un'inconveniente importante: il lungo percorso tra l'estrusore e l'hotend, unito al maggior diametro interno del tubo Bowden, causa la comparsa di gioco e maggiori compressioni del filamento, rendendo più complicato il controllo delle retrazioni. L'ottimizzazione dei materiali, specialmente quelli flessibili ed elastici, in questo tipo di sistemi è molto più complessa rispetto al caso dei sistemi diretti. Inoltre, alcuni filamenti flessibili ed elastici a bassa durezza, così come i filamenti fragili come quelli metallici o ceramici, potrebbero non essere stampabili su alcune stampanti con questo tipo di estrusori.

Immagine 2: Estrusore con configurazione Bowden. Fonte: Bondtech.se

Esistono estrusori Bowden compatibili sia con filamenti da 1,75 mm che da 2,85 mm. Dato che il formato da 2,85 mm richiede maggiori forze di trazione per ottenere la stessa pressione rispetto al formato da 1,75 mm, è consigliabile in questi casi utilizzare motori ad alta potenza o che incorporino riduttori. Nel caso di utilizzare filamenti flessibili, è sempre consigliabile utilizzare sistemi compatibili con filamenti da 2,85 mm.

Calibrazione e manutenzione

Al fine di evitare problemi, è importante regolare e mantenere correttamente il sistema di estrusione. Esistono una serie di punti comuni negli estrusori, sia diretti che Bowden, che è importante controllare regolarmente.

1. Tensione di trascinamento dell'estrusore

La maggior parte degli estrusori sul mercato includono un qualche sistema per regolare la tensione di trazione del filamento. È molto importante regolare correttamente questo parametro, poiché una tensione troppo bassa farà sì che il filamento scivoli, causando problemi di mancanza di estrusione o estrusione inconsistente, mentre una tensione eccessivamente alta causerà morsicature per usura sul filamento che ne diminuiranno la sezione e potrebbero causare il fallimento dell'estrusione.

Immagine 3: Morsa su un filamento causata da una tensione eccessiva dell'estrusore.

Non sempre una morsa sul filamento può essere causata da un problema nella regolazione della tensione dell'estrusore. A volte può essere causata da un intasamento nell'hotend. Per distinguere la causa, la cosa più semplice è spingere il filamento finché l'estrusore lo riprenda e verificare se la plastica fluisce normalmente attraverso la bocchetta.

Immagine 4: Vite di regolazione della tensione di un estrusore. Fonte: Bondtech.se

È consigliabile regolare la tensione ogni volta che si passa a un materiale con proprietà diverse. ABS, nylon, TPU o TPE potrebbero richiedere regolazioni di tensione molto diverse. Per regolare la tensione, seguire i seguenti passi:

1. Allentare la tensione al massimo

2. Avviare l'estrusione della stampante 3D e caricare il filamento.

3. Aumentare lentamente la tensione finché le ruote iniziano a trascinare il filamento e attendere finché inizia a uscire plastica dalla bocchetta.

4. Aumentare ulteriormente la tensione finché la plastica fluisce in modo continuo e uniforme, se necessario.

La tensione corretta è quella minima necessaria per trascinare il filamento in modo costante.

2. Manutenzione delle ruote di trazione

Gli estrusori trascinano il filamento mediante due ruote opposte, di cui almeno una ha una superficie scanalata o ruvida. Non è comune che si verifichi usura su queste ruote, tranne nel caso di utilizzo di materiali abrasivi (filamenti rinforzati con fibre, metallici o ceramici). Nel caso di utilizzo abituale di filamenti di questo tipo è consigliabile controllare periodicamente lo stato delle ruote e sostituirle quando presentano segni di usura.

Immagine 5: Ruote di trazione del filamento. Fonte: Bondtech.se

Oltre a controllare l'usura delle ruote, è necessario anche verificare la loro pulizia. È comune che nel tempo si accumulino residui di plastica staccati dal filamento a causa della frizione, che devono essere rimossi per evitare che raggiungano l'hotend e causino un intasamento. La pulizia può essere effettuata utilizzando una piccola spazzola e in molti casi non richiede lo smontaggio dell'estrusore, poiché molti di essi dispongono di una zona di accesso per facilitare questa operazione.

Immagine 6: Porta di accesso per pulire le ruote. Fonte: Bondtech.se

L'ultima attività di manutenzione richiesta dalle ruote consiste nel lubrificare le zone ingranate, sia tra il motore e la ruota di trazione sia tra le due ruote nei sistemi DDG (dual drive geared). È molto importante applicare quantità molto piccole di lubrificante, e solo sulle zone ingranate, per evitare che il filamento si contaminino o che il lubrificante possa raggiungere l'hotend.

3. Manutenzione dei tubi PTFE

La maggior parte dei sistemi di estrusione include una sezione di tubo PTFE in qualche punto.

Nei sistemi Bowden, si utilizza un lungo tubo PTFE per condurre il filamento dall'estrusore all'hotend. È molto importante utilizzare tubi PTFE di buona qualità con diametri interni regolari e costanti. Questi tubi di PTFE devono essere sostituiti quando mostrano segni di usura o deterioramento, così come quando compaiono pieghe o intarsi.

In molti sistemi diretti vengono utilizzati anche piccoli segmenti di tubo di PTFE. Nei sistemi con hotend completamente in metallo, è comune che ci sia un tubo PTFE che conduce il filamento dalle ruote di trazione all'ingresso dell'heatbreak, mentre nei sistemi con hotend non all-metal, questo tubo PTFE arriva fino all'ugello. Questo piccolo tubo solitamente è un componente consumabile che deve essere sostituito frequentemente, soprattutto nei hotend non all-metal. È consigliabile utilizzare sempre quelli forniti dal produttore dell'hotend, poiché solitamente incorporano su entrambe le estremità una smussatura o una lavorazione speciale. In questi casi, l'uso di sezioni di tubo PTFE standard tagliate manualmente può causare problemi di intasamento, sia perché il tubo non ha la lunghezza o la forma di ingresso corretta, sia perché il diametro interno non è adatto.

Immagine 7: Design dell'inserto in PTFE di un estrusore per Prusa Mk3s+. Fonte: Prusa Research.

La manutenzione e la regolazione dell'estrusore devono essere sempre accompagnate da una corretta manutenzione dell'hotend, poiché lavorando solidalmente i problemi dell'hotend possono causare problemi anche all'estrusore e viceversa.