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Modellismo & Stampa 3D: Quando le stampanti 3D FDM non raggiungono la precisione dichiarata

Per la nostra serie ESPERIENZE IN 3D, pubblichiamo qui di seguito un articolo scritto da uno dei nostri lettori, Angelo Castiglioni, che utilizza la stampa 3D in ambito modellistico e ha creato il sito Bunkers & Building Also Suitable for Warhammer in cui offre modelli stampati in 3D anche per giochi di strategia da tavolo.

 

Dopo aver esaminato accuratamente molte stampanti 3D in commercio, alcune personalmente (toccate con mano), altre attraverso le immagini dettagliate disponibili su internet, ho notato che i risultati dei test di stampa di precisione sono stati frequentemente molto al di sotto delle aspettative, a dispetto delle specifiche dichiarate dai produttori ed a prescindere dal fatto che le testine di stampa scorressero sugli assi X,Y mediante cuscinetti lineari, bronzine o altri tipi di supporti sintetici.

Data per scontata la corretta impostazione dei parametri di stampa e la qualità del filamento, viene spontaneo domandarsi: “Se la precisione/tolleranza degli spostamenti sul piano orizzontale della testina di stampa è garantita essere di pochi centesimi di millimetro, come mai lo sfasamento degli strati stampati spesso supera abbondantemente questi valori, rivelando ad occhio nudo ed al tatto la tipica scalettatura che compare sugli spigoli verticali degli oggetti stampati, oppure quegli odiosi arrotondamenti che attenuano la nitidezza delle superfici verticali finemente scolpite ?”.

L’attenzione di buona parte dei costruttori si è focalizzata soprattutto sulla gestione software delle accelerazioni dei motori elettrici, precisione meccanica dei singoli componenti, rigidità strutturale del telaio, eccetera…, spesso trascurando nozioni di fisica elementare che, forse proprio per la loro semplicità non sembravano degne di un’analisi accurata.

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Di seguito descrivo 3 errori di costruzione che dal mio punto di vista condizionano pesantemente la qualità di stampa, soprattutto nelle stampanti con assi incrociati sul piano orizzontale (x,y), a prescindere da tutti gli altri aspetti:

Barre di scorrimento della testina troppo sottili in rapporto all’ampiezza del piano di stampa:
Quando le prime stampanti FDM sono comparse sul mercato, i piani si stampa raramente superavano i 15 cm di lato e le testine di stampa erano a singolo estrusore (quindi relativamente leggere), per questo motivo il diametro standard delle barre rettificate adottato per le stampanti 3d era di 8 mm, infatti questo valore essendo inferiore ad un ventesimo della lunghezza complessiva della barra (rapporto 150/8=18,75) garantiva una sufficiente rigidità alle sollecitazioni generate dai repentini cambi di direzione della testina.
Siccome le stampanti oggi in produzione hanno piani di stampa molto più grandi, ne consegue che gli assi di lunghezza superiore ai 16 cm necessitano di diametri proporzionalmente maggiori per garantire la stessa rigidità, infatti stampanti con piani di stampa aventi lati di 24 cm dovrebbero avere barre di almeno 12 mm di diametro (rapporto 240/12=20) quelli da 8 mm non possono garantire la stessa precisione perché avrebbero un rapporto di 1/30.
Qualcuno potrebbe obiettare che l’aumento del diametro comporta anche un notevole aumento del peso, ma considerando che la resistenza alla flessione di una barra di sezione circolare è dovuta esclusivamente alla sua corona più esterna, basta usare assi tubolari invece che tondini pieni, per avere dimensioni maggiori ma con la stessa rigidità ed un peso inferiore.

Baricentro del corpo della testina di stampa troppo distante dagli assi di scorrimento
Nell’intento di conferire una maggiore resistenza meccanica alle testine di stampa, anche per permettere il montaggio di 2 o più estrusori invece di uno singolo, molte ditte hanno costruito delle testine di stampa di alluminio di grandi dimensioni (adatte a supportare lunghi estrusori dotati di alette di raffreddamento e ventole) il cui baricentro si trova troppo distante dagli assi di scorrimento della testina.

Ne consegue che ad ogni repentina inversione del senso di marcia, la testina di stampa, in funzione della propria energia cinetica, generi un “Momento della forza” che ha come braccio di leva la distanza del baricentro della testina dal suo asse di scorrimento e che, tendendo a flettere l’asse stesso, ne amplifica l’attrito e le vibrazioni, diminuendo sensibilmente la precisione di stampa, soprattutto quando viene montata su barre troppo esili.

Questa condizione oltretutto comporta una più rapida usura dei dispositivi anti-attrito che si trovano a contatto con le barre di scorrimento, soprattutto quando sono costituiti da boccole sintetiche o bronzine.

Ugelli posizionati troppo al di sotto degli assi delle barre di scorrimento della testina di stampa
Dal momento che per prevenire eventuali grippaggi provocati dalla dilatazione termica dei metalli, esiste sempre un minimo spazio tra la superficie delle barre di scorrimento e le guide della testina di stampa, le vibrazioni del corpo della testina si manifestano sottoforma di microscopici spostamenti rotatori che dal centro si irradiano verso le estremità, alzando ed abbassando alternatamene i margini più esterni della testina di stampa rispetto all’asse di scorrimento.
Se gli augelli si trovano parecchi centimetri al di sotto delle barre di scorrimento la suddetta vibrazione si traduce in spostamenti indesiderati dell’augello sul piano orizzontale che provocano imprecisione di allineamento tra i vari strati del materiale deposto.
In pratica, se le guide di una testina di stampa larga 5 centimetri, con l’augello posizionato 5 centimetri più in basso rispetto alle barre X,Y, avessero una tolleranza meccanica di 2 centesimi di millimetro rispetto alle superfici delle barre di scorrimento, ad ogni cambio di direzione l’imprecisione generata da una vibrazione equivarrebbe alla tolleranza stessa, cioè fino a 2 centesimi di millimetro. Se invece l’ugello si trovasse 10 cm più in basso (invece di 5), a parità delle altre condizioni, l’imprecisione generata raddoppierebbe in funzione del rapporto tra la larghezza della testina di stampa e la distanza dell’augello di estrusione dagli assi di scorrimento X,Y.

Purtroppo oltre la metà delle stampanti FDM di fascia medio alta attualmente in commercio che giustificano il loro prezzo per la qualità dei loro componenti o delle soluzioni software create, presentano almeno uno degli errori accennati e, come è logico pensare, gli effetti di questi 3 errori di costruzione sono cumulativi tra loro.

Ovviamente la maggior parte dei produttori dichiara la risoluzione delle proprie stampanti basandosi su calcoli empirici derivati dalle tolleranze meccaniche dei componenti di alta qualità che sono stati adottati per la fabbricazione, quasi mai sulla effettiva misurazione micrometrica degli oggetti stampati. Questo spiega perché stampanti della stessa fascia di prezzo, pur essendo costruite con i medesimi componenti hardware e software, pur essendo pubblicizzate con risoluzioni di pochi centesimi di millimetro, all’atto pratico danno risultati di qualità notevolmente differente e spesso tale da non giustificarne il costo.

Angelo Castiglioni

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