La tecnologia di stampa 3D sta avanzando a passi da gigante. Un attimo prima parliamo di realizzare piccoli giocattoli per intrattenere i bambini, e un attimo dopo apprendiamo la notizia che una stampante 3D ha costruito un edificio in cemento in grado di resistere a un terremoto di magnitudo 8. Col tempo, sembra possibile anche "stampare in 3D una stampante 3D".

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

Le stampanti 3D desktop XYZ, I3 e CoreXY sono attualmente le più diffuse. Il loro funzionamento è il seguente: la macchina è dotata di uno o più assi nelle direzioni X, Y e Z del sistema di coordinate 3D. Un'estremità di ciascun asse è equipaggiata con un motore per l'alimentazione. Cinghie sincrone o viti senza fine 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?

Il sistema di guida serve principalmente a 3 scopi durante la stampa:

1. Precisione: Realizza tolleranze ristrette, previeni le oscillazioni e assicurati che la testina di stampa o il piano riscaldato installati sulle guide si muovano linearmente lungo la direzione predeterminata;
2. Fluidità: 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 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. Binari lineari
4. Guide lineari incorporate

Ruote e profili

Tra tutte le guide, la combinazione di ruote e profili è probabilmente la più comune ed economica. In genere, da 3 a 4 rulli scorrono lungo la scanalatura a V o a T del profilo per guidare i movimenti.

L'anello esterno delle ruote è generalmente realizzato in POM (poliformaldeide), mentre l'anello interno è costituito da acciaio e cuscinetti a sfera. Il POM possiede elevata resistenza, bassa deformazione ed eccellente resistenza all'abrasione, caratteristiche che lo rendono particolarmente adatto alla produzione di ruote per stampanti. Con un utilizzo corretto, i rulli in POM possono durare centinaia di ore. Alcuni produttori utilizzano anche il PC (policarbonato) per realizzare le ruote, che offre una resistenza ancora maggiore e una durata superiore, sebbene a un prezzo leggermente più elevato.

Per garantire un movimento lineare, le ruote devono aderire correttamente ai profili. Un serraggio insufficiente può causare vibrazioni ad alte velocità. Un serraggio eccessivo, invece, aumenta l'usura: i detriti accumulati possono incastrarsi tra le ruote e le guide, provocando movimenti irregolari o tremolanti. Pertanto, gli utenti devono regolare il serraggio delle ruote in base al funzionamento della stampante, pulire i detriti e sostituire le ruote quando necessario. Rispetto ad altri sistemi di guida, il sistema 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 le ruote 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 a V e profili a T. Come suggeriscono i nomi, la principale differenza tra i due risiede nella forma della sezione trasversale. Profili diversi si abbinano a ruote diverse per ottenere un buon effetto di guida.

Poiché i profili sono personalizzabili, economici e offrono prestazioni sufficienti, la combinazione di ruote e profili rappresenta la scelta migliore per molti progetti fai-da-te di stampanti 3D.

Dettagli

• Buone prestazioni di guida, economico e utile;
• Ampia scelta di opzioni, facilmente reperibili;
• Facile da installare, utilizzare e modificare;

Svantaggi

• Minore precisione;
• Più soggetto a vibrazioni;
• Richiede una manutenzione più frequente.

Aste e cuscinetti lineari

I limiti delle guide a ruota e a profilo hanno spinto gli appassionati del fai-da-te e i produttori a concentrare la loro attenzione su un'altra combinazione che offre precisione e stabilità superiori: le guide lineari con cuscinetti. Negli ultimi anni, le guide con aste e cuscinetti sono diventate quasi sinonimo di sistemi di guida per stampanti 3D. Per ogni asse della stampante sono necessarie almeno 2 aste e 2 cuscinetti. I cuscinetti avvolgono o aderiscono alle aste, collegandosi ai carrelli su cui è montato l'estrusore o il piano 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 utilizzano in genere barre con diametro di 8 mm. Le barre possono essere lavorate con elevata precisione dimensionale e presentare superfici molto lisce. Abbinate a cuscinetti a sfera, le barre assemblate correttamente possono ottenere movimenti lineari piuttosto precisi.

Sì, la fluidità presenta anche degli svantaggi. Quando vengono utilizzate come guida, le aste devono essere fissate a entrambe le estremità con morsetti metallici. Inoltre, i cuscinetti non solo possono muoversi linearmente, ma anche ruotare di 360° attorno ai cilindri. Per questo motivo, devono essere fissati a cuscinetti su un'altra asta parallela per consentire all'estrusore o al piano riscaldato di muoversi linearmente. Mantenere il parallelismo tra due aste può essere complicato, soprattutto per chi si dedica al fai-da-te.

Pertanto, l'utilizzo di guide ad albero comporta da un lato maggiore precisione e stabilità, ma dall'altro anche un ingombro e un peso maggiori, oltre a una maggiore difficoltà di assemblaggio.

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

Le bielle e i cuscinetti sono di lunga durata e richiedono solo una pulizia occasionale per rimuovere eventuali residui accumulati sulle bielle e per lubrificare i cuscinetti. Se le bielle sono racchiuse in un alloggiamento anziché fungere da telaio, smontare l'alloggiamento e lubrificare i cuscinetti è semplice. Tuttavia, la sostituzione dei cuscinetti usurati dopo un uso prolungato può risultare leggermente più complessa.

Dettagli

• Eccellenti prestazioni di guida, elevata precisione, costo moderato;
• Ampia scelta di opzioni, facilmente reperibili;
• Bassa frequenza di manutenzione;

Svantaggi

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

Binari lineari

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

Sebbene entrambi siano realizzati in acciaio, nell'utilizzo pratico le guide lineari risultano meno soggette a flessioni e vibrazioni rispetto alle barre. Ciò è dovuto principalmente al loro particolare metodo di montaggio. Le barre sono fissate solo alle estremità, mentre le guide lineari presentano fori di montaggio a intervalli regolari sulla superficie, che consentono un fissaggio saldo all'alloggiamento o ad altre strutture di supporto.

Ciò garantisce un movimento lineare stabile e migliora la qualità di stampa da un lato, e aumenta il limite di velocità impedendo vibrazioni eccessive alle alte velocità dall'altro. Questo è uno dei motivi per cui J1 è in grado di raggiungere velocità di stampa elevate.

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

Sembra tutto fantastico, ma dov'è il trucco? Il prezzo. Calcoli approssimativi mostrano che, mentre le guide lineari hanno prezzi simili ai cuscinetti per le 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 sufficientemente valide. Valutando il costo aggiuntivo rispetto ai vantaggi in termini di 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. Le guide esposte necessitano inoltre di una pulizia occasionale.

Dettagli

• Precisione elevatissima;
• Supporta la stampa ad alta velocità;
• Ingombro ridotto, pratico da usare;

Svantaggi

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

Guide lineari incorporate

Anziché utilizzare direttamente le guide di cui sopra, alcuni produttori, al fine di migliorare le proprie capacità tecniche o di soddisfare le esigenze di prodotti specifici, stanno esplorando soluzioni migliori.

I principali punti di forza delle guide lineari risiedono nell'elevata rigidità delle guide in acciaio e nel movimento preciso e fluido reso possibile dai cuscinetti a sfera. Questi vantaggi vengono mantenuti anche nelle guide lineari integrate.

Nella realizzazione dei moduli lineari, FUYU incorpora due strisce di acciaio nelle pareti interne dell'alloggiamento in lega di alluminio, per poi rettificare con precisione CNC l'acciaio trasformandolo in guide con una precisione di lavorazione a livello micrometrico. Inoltre, grazie alle guide incorporate più larghe, la rigidità viene ulteriormente migliorata senza aumentare il peso, risultando più adatta alle operazioni CNC ad alta potenza: dopotutto, le normali stampanti 3D non richiedono una rigidità così estrema.

Rispetto al montaggio diretto delle guide lineari sulla superficie dei profilati, l'incorporamento delle guide in acciaio all'interno dei moduli lineari impedisce l'accumulo di polvere sulle guide stesse, riducendo la frequenza di manutenzione. Inoltre, rende i moduli più leggeri e compatti, evitando che una macchina costosa sembri un progetto amatoriale. Tuttavia, l'incorporamento delle guide lineari comporta notevoli difficoltà produttive per il produttore, senza offrire alcun vantaggio in termini di costi rispetto alle guide lineari tradizionali.

Dettagli

• Come le guide lineari: altissima precisione, supporta la stampa ad alta velocità, ingombro ridotto;
• La rigidità delle rotaie è stata ulteriormente migliorata;
• Minore frequenza di manutenzione grazie alle rotaie racchiuse;

Svantaggi

• Costoso;
• Non adatto al fai da te.