La tecnologia di stampa 3D sta facendo passi da gigante. Un attimo prima stiamo discutendo di come realizzare piccoli giocattoli per intrattenere i bambini, e un attimo dopo leggiamo notizie che una stampante 3D ha costruito un edificio in cemento armato in grado di resistere a un terremoto di magnitudo 8. Col tempo, anche "stampare in 3D una stampante 3D" sembra possibile.

Ma tralasciando le prospettive, ciò che interessa di più agli hobbisti e ai maker sono ancora le stampanti 3D desktop: quali tipi esistono, quanto sono veloci e quanto costano. Se vi piace andare a fondo delle cose, o avete mai provato a realizzare una stampante 3D fai da te, vi sarete sicuramente posti anche questa domanda: come si muovono?

XYZ, I3 e CoreXY sono attualmente i modelli più diffusi 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 che fornisce potenza. Cinghie sincrone o viti madri convertono quindi la rotazione del motore in movimento lineare lungo le direzioni X, Y e Z. Infine, grazie ai 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 tolleranze strette, 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: le strutture di guida con un'eccellente rigidità possono migliorare l'affidabilità della macchina e contribuire a ottenere stampe più uniformi nel tempo.

La varietà dei sistemi di guida

In generale, i sistemi di guida utilizzati nelle 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 di ruote e profili è probabilmente la più comune ed economica. In genere, sono presenti da 3 a 4 rulli che scorrono lungo la scanalatura a V o a T del profilo per guidare i movimenti.

L'anello esterno delle ruote è solitamente realizzato in POM (poliformaldeide), mentre quello interno è in acciaio e cuscinetti a sfera. Il POM offre elevata resistenza, bassa deformazione ed eccellente resistenza all'abrasione, rendendolo particolarmente adatto alla produzione di ruote per stampanti. Con un uso corretto, i rulli in POM possono durare centinaia di ore. Alcuni produttori utilizzano anche il PC (policarbonato) per realizzare ruote, che offrono una resistenza ancora maggiore e una durata maggiore, sebbene a un prezzo leggermente superiore.

Per garantire un movimento lineare, le rotelle devono aderire correttamente ai profili. Se troppo allentate, possono verificarsi vibrazioni ad alta velocità. Se troppo strette, aumentano l'usura: i detriti accumulati possono accumularsi tra le rotelle e i binari, causando un movimento irregolare o irregolare. Pertanto, gli utenti devono regolare la tensione delle rotelle in base al funzionamento della stampante, pulire i detriti e sostituirle quando necessario. Rispetto ad altre guide, la combinazione di rotelle e profili richiede una manutenzione più frequente.

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

I profili comunemente utilizzati nelle stampanti 3D sono disponibili in due tipologie: 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 abbinano a ruote diverse per ottenere buoni effetti di guida.

Poiché i profili sono personalizzabili, poco costosi 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, economico e utile;
• Opzioni abbondanti, ampiamente disponibili;
• Facile da installare, utilizzare e modificare;

Svantaggi

• Precisione inferiore;
• Più soggetto a vibrazioni;
• Richiede una manutenzione più frequente.

barre lineari e cuscinetti

I limiti delle guide a rotelle e a profilo hanno portato gli appassionati del fai da te e i produttori a spostare maggiormente l'attenzione su un'altra combinazione con precisione e stabilità superiori: barre lineari e cuscinetti. Negli ultimi anni, le guide a barre e cuscinetti sono diventate quasi sinonimo di sistemi di guida per stampanti 3D. Sono necessari almeno 2 barre e 2 cuscinetti per ogni asse della stampante. I cuscinetti avvolgono o si agganciano alle barre, collegandosi a carrelli montati su un estrusore o un letto riscaldato, per guidare il movimento lineare.

Una barra lineare, detta anche barra liscia, è semplicemente una barra cilindrica in acciaio, disponibile in varie dimensioni: le stampanti 3D in genere utilizzano barre con diametro di 8 mm. Le barre possono essere lavorate con elevata precisione dimensionale e superfici molto lisce. Abbinate a cuscinetti a sfera, le barre correttamente assemblate possono ottenere movimenti lineari discreti.

E sì, l'essere lisci presenta anche degli svantaggi. Quando vengono utilizzati come guida, i tiranti devono essere fissati a 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 a cuscinetti su un'altra barra parallela per consentire all'estrusore o al piano riscaldato di muoversi linearmente. Il parallelismo tra due barre può essere impegnativo, soprattutto per gli amanti del fai da te.

Quindi, l'utilizzo di guide per alberi comporta da un lato maggiore precisione e stabilità, ma dall'altro anche un ingombro e un peso maggiori, oltre a una maggiore difficoltà di montaggio.

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 una bussola cilindrica all'esterno, con diverse file di sfere all'interno che possono ruotare lungo l'albero. Entrambi garantiscono una guida fluida con un attrito minimo.

Bielle e cuscinetti sono di lunga durata e richiedono solo una pulizia occasionale per rimuovere i depositi sulle bielle e una lubrificazione dei cuscinetti. Se le bielle 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, elevata precisione, costo moderato;
• Opzioni abbondanti, ampiamente disponibili;
• Bassa frequenza di manutenzione;

Svantaggi

• Ingombro e peso maggiori quando chiuso;
• Il parallelismo può essere un problema;
• Sostituire i cuscinetti può essere complicato.

Guide lineari

Le guide lineari, note anche come guide lineari, sono state di tendenza negli ultimi anni. La guida in acciaio presenta un binario su ciascun lato e i cursori alloggiati al suo interno contengono 2 set di cuscinetti a sfera che possono scorrere lungo i binari. Oltre alle stampanti 3D industriali, sempre più produttori di macchine desktop utilizzano le guide lineari anche nelle loro linee di prodotti di fascia alta.

Sebbene entrambi siano realizzati in acciaio, in termini di funzionamento effettivo, le guide lineari sono meno soggette a flessione e vibrazioni rispetto alle barre. Ciò è dovuto principalmente al loro esclusivo metodo di montaggio. Le barre sono fissate solo a entrambe le estremità, mentre le guide lineari presentano fori di montaggio a intervalli regolari sulla superficie, che consentono un fissaggio sicuro all'alloggiamento o ad altre strutture di supporto.

Questo garantisce un movimento lineare stabile e migliora la qualità di stampa da un lato, e aumenta il limite di velocità prevenendo vibrazioni eccessive ad alta velocità dall'altro. Questo è uno dei motivi per cui J1 può raggiungere velocità di stampa elevate.

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

Tutto sembra 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 di più di una coppia di aste di lunghezza equivalente. In confronto, le aste sono economiche e di buona qualità. Sommando il costo aggiuntivo al miglioramento delle prestazioni, la maggior parte degli appassionati del fai da te opterebbe comunque per aste e cuscinetti.

Per quanto riguarda la manutenzione, le guide lineari sono simili alle precedenti e richiedono una lubrificazione regolare dei cuscinetti. Anche le guide esposte 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 principali delle guide lineari risiedono nell'elevata rigidità delle guide in acciaio e nel movimento preciso e fluido garantito dai cuscinetti a sfere. Questi vantaggi sono mantenuti anche nelle guide lineari integrate.

Durante la realizzazione dei moduli lineari, FUYU integra due strisce di acciaio nelle pareti interne dell'alloggiamento in lega di alluminio, quindi le rettifica a controllo numerico (CNC) trasformandole in guide con precisione micrometrica. Inoltre, grazie alle guide integrate più larghe, la rigidità è ulteriormente migliorata senza aumentare il peso, il che le rende più adatte alle operazioni CNC ad alta potenza: dopotutto, le stampanti 3D tradizionali non richiedono una rigidità così elevata.

Rispetto al montaggio diretto delle guide lineari sulla superficie dei profilati, l'integrazione delle guide in acciaio nei moduli lineari previene l'accumulo di polvere sulle guide, riducendo la frequenza di manutenzione. Inoltre, rende i moduli più leggeri e compatti, evitando che una macchina costosa finisca per sembrare un progetto fai da te. Tuttavia, l'integrazione delle guide lineari pone notevoli sfide produttive per il produttore, senza alcun vantaggio in termini di costi rispetto alle guide lineari tradizionali.

Vantaggi

• Uguali alle guide lineari: altissima precisione, supporta la stampa ad alta velocità, ingombro ridotto;
• Ulteriore miglioramento della rigidità delle rotaie;
• Frequenza di manutenzione inferiore con rotaie chiuse;

Svantaggi

• Costoso;
• Non adatto al fai da te.