La tecnologia della stampa 3D sta facendo passi da gigante. Un momento stiamo discutendo di creare piccoli giocattoli per intrattenere i bambini, e il secondo successivo vediamo la notizia che una stampante 3D ha costruito un edificio in cemento in grado di resistere a un terremoto di magnitudo 8. Con il tempo, anche la “stampa 3D di una stampante 3D” sembra possibile.

Ma lasciando da parte le prospettive, ciò che interessa di più agli hobbisti e ai produttori sono ancora le stampanti 3D desktop: quali tipi esistono, quanto velocemente stampano e quanto costano. Se ti piace andare al fondo delle cose, o hai mai provato a creare una stampante 3D fai-da-te, devi aver riflettuto anche su questa domanda: come si muovono?

XYZ, I3 e CoreXY sono attualmente gli stili più popolari di stampanti 3D desktop. Ecco come si muovono: la macchina ha uno o più assi nelle direzioni X, Y e Z del sistema di coordinate 3D. Un'estremità di ciascun asse è dotata di un motore per fornire potenza. Le cinghie sincrone o le viti conduttrici convertono quindi la rotazione del motore in movimento lineare lungo le direzioni X, Y e Z. Infine, con i sistemi di guide lineari nelle 3 direzioni, la macchina può posizionare l'ugello in qualsiasi punto dello spazio 3D formato dagli assi, estrudere il filamento e creare un oggetto 3D.

Perché i sistemi di guida sono importanti?

I sistemi di guida servono principalmente a 3 scopi durante la stampa:

1. Precisione: realizzare una tolleranza stretta, prevenire oscillazioni e garantire che la testina di stampa o il letto riscaldato installato sulle guide si muova linearmente lungo la direzione predeterminata;
2. Scorrevolezza: riduce l'attrito con cuscinetti o rulli e contribuisce a un movimento più fluido;
3. Affidabilità: strutture guida con eccellente rigidità possono migliorare l'affidabilità della macchina e contribuire a stampe più uniformi nel tempo.

La varietà dei sistemi di guida

In generale, i sistemi di guida utilizzati sulle stampanti 3D includono:

1. Ruote e profili
2. Aste e cuscinetti lineari
3. Guide lineari
4. Guide lineari integrate

Ruote e profili

Tra tutte le guide, la combinazione ruote e profili è probabilmente la più comune ed economica. Solitamente sono presenti da 3 a 4 rulli che corrono lungo la scanalatura a V o a T del profilo per guidare i movimenti.

L'anello esterno delle ruote è comunemente realizzato in POM (poliformaldeide) mentre l'anello interno è costituito da acciaio e cuscinetti a sfera. Il POM ha un'elevata resistenza, una bassa deformazione e un'eccellente resistenza all'abrasione, che lo rendono particolarmente adatto alla realizzazione di ruote per stampanti. Con un uso corretto, i rulli POM possono durare centinaia di ore. Alcuni produttori utilizzano anche il PC (policarbonato) per realizzare ruote, che hanno una resistenza e una durata ancora maggiori, anche se a un prezzo leggermente più alto.

Per garantire un movimento lineare, le ruote devono aderire correttamente ai profili. Troppo allentato e possono verificarsi vibrazioni ad alte velocità. Troppo stretto aumenterà l'usura: i detriti accumulati possono accumularsi tra le ruote e i binari, causando movimenti irregolari o nervosi. Pertanto gli utenti devono regolare la tenuta delle ruote in base al funzionamento della stampante, pulire i detriti e sostituire le ruote quando necessario. Rispetto ad altre guide, la combinazione ruota-profilo richiede una manutenzione più frequente.

Inoltre, la plastica ha una rigidità inferiore rispetto ai metalli. La deformazione delle ruote durante il movimento è difficile da evitare, quindi le stampanti che utilizzano ruote generalmente hanno una precisione inferiore rispetto a quelle con guide in acciaio.

I profili comunemente utilizzati sulle stampanti 3D sono disponibili in due tipi: profili con scanalatura a V e profili con scanalatura a T. Come suggeriscono i nomi, la differenza principale tra loro è la forma della sezione trasversale. Profili diversi si accoppiano con ruote diverse per ottenere buoni effetti di guida.

Poiché i profili sono personalizzabili, economici e con prestazioni sufficienti, la combinazione di ruote e profili è la scelta migliore per molte stampanti 3D fai-da-te.

Vantaggi

• Buone prestazioni di guida, economiche e utili;
• Opzioni abbondanti, ampiamente disponibili;
• Facile da installare, utilizzare e modificare;

Svantaggi

• Precisione inferiore;
• Più incline alle vibrazioni;
• Richiede una manutenzione più frequente.

Aste e cuscinetti lineari

I limiti delle guide a ruote e profilate hanno portato gli hobbisti e i produttori a spostare maggiore attenzione su un’altra combinazione con precisione e stabilità superiori: aste lineari e cuscinetti. Negli ultimi anni le guide ad asta e a cuscinetto sono diventate quasi sinonimo di sistemi di guida per stampanti 3D. Sono necessarie almeno 2 aste e 2 cuscinetti per ciascun asse della stampante. I cuscinetti avvolgono o si aggrappano alle aste, collegandosi ai carrelli montati con un estrusore o un letto riscaldato, per guidare il movimento lineare.

Un'asta lineare, detta anche asta liscia, è semplicemente un'asta cilindrica in acciaio, disponibile in varie dimensioni: le stampanti 3D in genere utilizzano quelle con diametro di 8 mm. Le aste possono essere lavorate con elevata precisione dimensionale con superfici molto lisce. Abbinate ai cuscinetti a sfera, le aste correttamente assemblate possono ottenere movimenti lineari abbastanza buoni.

E sì, ci sono anche degli svantaggi nell'essere fluidi. Se utilizzate come guida, le aste devono essere fissate ad entrambe le estremità con morsetti metallici. Inoltre, i cuscinetti non solo possono muoversi linearmente ma anche ruotare di 360° attorno ai cilindri. Ecco perché devono essere fissati ai cuscinetti di un'altra asta parallela per consentire all'estrusore o al piano riscaldato di muoversi linearmente. Il parallelismo tra due aste può essere impegnativo, soprattutto per gli amanti del fai-da-te.

Pertanto, l'utilizzo delle guide per alberi significa da un lato maggiore precisione e stabilità, ma dall'altro anche maggiore ingombro e peso, oltre a una maggiore difficoltà di assemblaggio.

I cuscinetti utilizzati con le aste sono principalmente cuscinetti con scanalatura a U e cuscinetti lineari realizzati interamente in acciaio. I cuscinetti con scanalatura a U assomigliano a ruote che possono rotolare lungo le aste. I cuscinetti lineari hanno un manicotto cilindrico all'esterno, con diverse file di sfere all'interno che possono scorrere lungo l'albero. Entrambi possono ottenere una guida fluida con il minimo attrito.

Le aste e i cuscinetti durano a lungo e richiedono solo una pulizia occasionale degli accumuli sulle aste e la lubrificazione dei cuscinetti. Se le aste sono racchiuse in un alloggiamento invece di fungere da telaio, smontare l'alloggiamento e lubrificare i cuscinetti è semplice. Tuttavia, sostituire i cuscinetti usurati dopo un uso prolungato può essere leggermente complicato.

Vantaggi

• Eccellenti prestazioni di guida, alta precisione, costo moderato;
• Opzioni abbondanti, ampiamente disponibili;
• Bassa frequenza di manutenzione;

Svantaggi

• Ingombro e peso maggiori quando chiuso;
• Il parallelismo può essere un problema;
• La sostituzione dei cuscinetti può essere complicata.

Guide lineari

La guida lineare, denominata anche guida lineare, è andata di moda negli ultimi anni. La parte del binario in acciaio ha un binario su ciascun lato e i cursori annidati su di esso contengono 2 set di cuscinetti a sfera che possono scorrere lungo i binari. Oltre alle stampanti 3D industriali, sempre più produttori di desktop utilizzano anche guide lineari nelle loro linee di prodotti di fascia alta.

Sebbene entrambe siano realizzate in acciaio, quando si tratta del lavoro vero e proprio, le guide lineari sono meno suscettibili alla flessione e alle vibrazioni rispetto alle aste. Ciò è principalmente attribuito al loro metodo di montaggio unico. Le aste sono fissate solo su entrambe le estremità, mentre le guide lineari presentano fori di montaggio a intervalli regolari sulla superficie, consentendo loro di essere fissate saldamente all'alloggiamento o ad altre strutture di supporto.

Ciò garantisce da un lato un movimento lineare stabile e migliora la qualità di stampa, dall'altro aumenta il limite di velocità prevenendo scuotimenti eccessivi alle alte velocità. Questo è uno dei motivi per cui J1 può ottenere una stampa ad alta velocità.

Durante l'assemblaggio, le guide lineari possono guidare un singolo asse senza accoppiamento, risparmiando spazio e peso per rendere la macchina più leggera e compatta. Inoltre, non è necessario preoccuparsi del parallelismo ferroviario.

Sembra tutto fantastico, ma qual è il problema? Il prezzo. Calcoli approssimativi mostrano che mentre i cursori per guide lineari hanno prezzi simili ai cuscinetti per aste, le guide stesse costano circa 2,5 – 4 volte quello di una coppia di aste di lunghezza equivalente. In confronto, le canne sono economiche e abbastanza buone. Valutando il costo aggiuntivo rispetto al miglioramento delle prestazioni, la maggior parte degli amanti del fai-da-te opterebbe comunque per aste e cuscinetti.

Per quanto riguarda la manutenzione, le guide lineari sono simili alle prime e richiedono una regolare lubrificazione dei cuscinetti. Anche i binari esposti necessitano di una pulizia occasionale.

Vantaggi

• Altissima precisione;
• Supporta la stampa ad alta velocità;
• Ingombro ridotto, comodo da usare;

Svantaggi

• Non possono fungere da strutture di supporto, devono essere installate su profili, ecc.;
• Costoso.

Guide lineari integrate

Invece di utilizzare direttamente le guide di cui sopra, alcuni produttori, allo scopo di migliorare le capacità tecniche o soddisfare prodotti specifici, stanno anche esplorando soluzioni migliori.

I punti di forza delle guide lineari risiedono nell'elevata rigidità delle guide in acciaio e nel movimento preciso e fluido consentito dai cuscinetti a sfera. Questi vantaggi sono preservati nelle guide lineari integrate.

Quando si realizzano i moduli lineari, FUYU incorpora due nastri di acciaio nelle pareti interne dell'alloggiamento in lega di alluminio, quindi il CNC macina l'acciaio con precisione nelle rotaie con una precisione di lavorazione a livello di micron. Inoltre, con le guide integrate più larghe, la rigidità viene ulteriormente migliorata senza aumentare il peso, adattandosi meglio alle operazioni CNC ad alta potenza: dopo tutto, le normali stampanti 3D non richiedono una rigidità così estrema.

Rispetto al montaggio diretto delle guide lineari sulla superficie degli estrusi, l'inserimento delle guide in acciaio all'interno dei moduli lineari previene l'accumulo di polvere sulle guide, riducendo la frequenza di manutenzione. Inoltre, rende i moduli più leggeri e compatti, in modo che una macchina costosa non finisca per sembrare il progetto di un appassionato di fai da te. Tuttavia, l’integrazione delle guide lineari pone notevoli sfide di produzione per il produttore, senza alcun vantaggio in termini di costi rispetto alle normali guide lineari.

Vantaggi

• Come le guide lineari: altissima precisione, supporta la stampa ad alta velocità, ingombro ridotto;
• Rigidità della rotaia ulteriormente migliorata;
• Minore frequenza di manutenzione con le rotaie chiuse;

Svantaggi

• Costoso;
• Non adatto al fai da te.