Come viene costruita una stampante 3D industriale e quali funzioni svolgono le sue parti - alberi, cinghie dentate e telai - perform

La stampa 3D ha rivoluzionato la produzione industriale e la costruzione di prototipi. Questa tecnologia produce oggetti strato dopo strato a partire da un modello digitale. È costituita da questi componenti principali: Oltre a un telaio, una testina di stampa, un letto di stampa, un’unità di controllo, alberi, cinghie dentate e motori, una tipica stampante 3D richiede generalmente una serie di accessori. Ma come funziona esattamente una stampante 3D industriale? Questo articolo evidenzia la struttura e la funzione dei componenti più importanti e nomina brevemente alcune aree di applicazione.

Una stampante 3D crea oggetti tridimensionali applicando il materiale strato per strato in base a un modello digitale. Questo viene chiamato anche processo di fabbricazione additiva, poiché il materiale viene aggiunto in modo incrementale al pezzo in lavorazione non finito.

Il processo inizia con un file di progettazione digitale, spesso fornito in formato STL (STL = Stereo Lithography). Questo viene caricato in uno speciale software dove il modello 3D viene convertito in un file di controllo comprensibile per la stampante 3D. Questo file viene convertito nel cosiddetto codice G (il codice G è un linguaggio macchina per la programmazione di macchine CNC). Il modello dati viene suddiviso da un software slicer in strati di codice G o sottili strati orizzontali. Questo processo è chiamato sezionamento.

La stampante legge questo file e stampa successivamente gli strati applicando e solidificando il materiale, spesso plastica, resina o polvere metallica, strato per strato fino a creare l’intero oggetto.

Il processo esatto varia a seconda della tecnologia di stampa, ad esempio se il materiale viene fuso mediante riscaldamento (FDM) o temprato mediante esposizione alla luce (SLA). Attualmente sono disponibili le seguenti tecnologie di stampa:

• Stereolitografia (SLA): Un sottile strato di plastica sintetica viene versato in un vassoio. Un laser UV espone quindi le aree da trattare. Per questa tecnologia viene utilizzato un involucro per stampante 3D.
• Stereolitografia mascherata (MSLA): Il processo di stampa MSLA illumina selettivamente la plastica sintetica dal basso con un display LCD. Il display LCD forma una maschera per ogni strato di stampa e quindi blocca la luce UV nelle posizioni specificate. Invece di un raggio laser che scansiona i livelli, le stampanti MSLA utilizzano una sorgente luminosa ultravioletta ad alte prestazioni.
• Sinterizzazione laser selettiva (SLS): Vari materiali sotto forma di polvere vengono distribuiti sulla piastra di stampa e fusi per mezzo di laser. Infine, il prodotto finito deve essere liberato dalla polvere circostante.
• Modellazione a deposizione fusa (FDM): Il processo di fusione dello strato porta il materiale sulla piastra di stampa con un ugello riscaldato, dove viene quindi solidificato.
• Produzione di oggetti luminati: Il materiale viene costruito strato per strato, incollato l’uno sull’altro e successivamente modellato con un utensile da taglio (laser o coltello).
• Litografia assiale computerizzata (CAL): Il processo di stampa CAL proietta la luce in una plastica liquida sensibile alla luce, che si solidifica rapidamente. Questo metodo consente di fabbricare gli oggetti nel minor tempo possibile.

Struttura di una stampante 3D

Le stampanti 3D industriali hanno alcuni componenti di base che vengono utilizzati in base alla tecnologia di stampa selezionata.

Telai per stampanti 3D

Il telaio è la struttura di montaggio di base per tutti i componenti della stampante 3D elettronica e strutturale e costituisce anche la base per una stampa di alta qualità. Offre stabilità e struttura alla stampante. Più rigido è il telaio, migliori saranno i risultati di stampa. Nelle stampanti industriali, i telai sono spesso realizzati in leghe metalliche robuste per ridurre al minimo le vibrazioni e garantire un’elevata precisione di stampa. MISUMI offre un’ampia gamma di componenti di alta qualità, come profili di progettazione in alluminio, accessori per guide lineari o placche angolari.

Assi nelle stampanti 3D

In uno spazio tridimensionale fisso, la stampante 3D industriale deve essere in grado di raggiungere ogni punto per garantire la stampa di tutte le forme possibili. Per questo sono disponibili i seguenti assi:

• Asse X: Descrive il percorso orizzontalmente da sinistra a destra
• Asse Y: Descrive il percorso orizzontalmente dalla parte anteriore a quella posteriore
• Asse Z: Descrive il percorso verticalmente dall’alto verso il basso

La testina di stampa si sposta lungo l’asse X e l’asse Y, per esempio per mezzo di cinghie dentate e motori passo-passo.

Il movimento verticale è realizzato da un motore passo-passo. Il movimento rotatorio viene trasferito da una cinghia dentata a un mandrino filettato o a un cacciavite. La corsa dell’asse Z determina lo spessore dello strato di materiale applicato.

La precisione dei singoli componenti di trasferimento è decisiva per la qualità e l’accuratezza dimensionale dell’oggetto da stampare.

Testina di stampa (estrusore) delle stampanti 3D (FDM)

L’estrusore convoglia il filamento (materiale stampato) dalla fonte di materiale grezzo, per esempio un rullo di filamenti, in un blocco di riscaldamento con riscaldatore e monitoraggio della temperatura. Quest’area è chiamata anche hot-end. Il filamento liquefatto viene convogliato attraverso questo canale all’ugello (ugello) e viene applicato alla piastra di stampa.

Esistono diversi tipi di trasporto dei filamenti attraverso l’estrusore. Ecco alcuni dei tipi più comuni:

• Trasmissione diretta (estrusore trasmissione diretta): In questo metodo, un motore tira direttamente il filamento nell’estrusore, dove viene successivamente trasportato nel blocco di riscaldamento. Il motore si trova nelle immediate vicinanze dell’ugello, il che porta a un’applicazione più precisa del materiale. Questo metodo viene spesso utilizzato nelle stampanti 3D desktop.
• Estrusore Bowden: A differenza dell’azionamento diretto, un estrusore Bowden non ha il motore direttamente sull’estrusore. Il filamento viene convogliato all’estrusore attraverso un tubo flessibile (tubo di Bowden). Ciò riduce il peso dell’estrusore, che può avere un effetto positivo sulla qualità di stampa. Tuttavia, l’accuratezza del convogliamento di filamenti può essere leggermente compromessa con questo metodo.

Entrambe le varianti possono essere dotate di diverse testine di stampa, in modo da poter lavorare materiali e colori diversi. Se la stampante 3D utilizza una polvere invece di un filamento, gli estrusori di solito non vengono utilizzati; i rotoli vengono utilizzati invece per applicare il materiale al letto di stampa.

Stampa del letto (piastra di costruzione) nelle stampanti 3D

L’oggetto è costruito strato per strato sul letto di stampa. Può essere riscaldato per garantire una migliore adesione del materiale, per evitare la deformazione del materiale e per ottenere un migliore trattamento superficiale. Il materiale del letto di stampa influenza anche l’adesione. Le piastre di vetro, ceramica o alluminio fuso sono particolarmente adatte qui. È anche possibile facilitare la rimozione del prodotto finale per mezzo di piastre rimovibili.

Unità di controllo nelle stampanti 3D

L’unità di controllo controlla l’intero processo di stampa. Può anche essere utilizzato per calibrare la stampante 3D. Il processo di calibrazione è di fondamentale importanza per evitare errori di stampa. Un letto di stampa irregolare o ugelli regolati in modo errato hanno un’influenza significativa sulla qualità del prodotto finale.

L’unità di controllo deve interpretare le informazioni del modello 3D digitale da un file STL o da un altro formato di file. A tal fine, l’unità di controllo utilizza il software di segmentazione per dividere il modello 3D in una sequenza di strati orizzontali (slice). Tra l’altro, da questi vengono generate informazioni sull’altezza dello strato, sul diametro dell’apertura dell’ugello (dimensione dell’ugello), sui parametri di stampa, sull’estrusione del materiale di stampa, sulle temperature, sulle traiettorie utensile della testina di stampa e sul codice G risultante.

L’unità di controllo controlla i convertitori di frequenza della stampante 3D per spostare con precisione la testina di stampa e il letto di stampa. Converte i movimenti definiti nel codice G, tenendo conto di velocità, accelerazione e decelerazione.

L’unità di controllo controlla l’estrusore che riscalda il materiale di stampa, come il filamento, e lo applica uniformemente alla piastra di costruzione per garantire che il materiale sia distribuito uniformemente. La temperatura nella stampante 3D, nell’estrusore e negli elementi riscaldanti viene monitorata e controllata.

Naturalmente, l’unità di controllo monitora il processo di stampa per rilevare eventuali errori e irregolarità e reagisce di conseguenza a qualsiasi problema, come l’inceppamento o il surriscaldamento del materiale.

Un’interfaccia grafica utente (GUI) funge da interfaccia per l’avvio del processo di stampa, per regolare le impostazioni, per controllare la stampante e per ricevere messaggi di stato e interagire di conseguenza. Ciò può essere fatto con un display o un touchscreen.

L’unità di controllo può comunicare con dispositivi esterni tramite interfacce per ricevere lavori di stampa e scambiare dati.

Alberi nelle stampanti 3D

Gli alberi sono utilizzati come elemento di trasmissione e come elementi guida per consentire il movimento di componenti, materiale, testine di stampa e altri componenti importanti.

Quando gli alberi vengono utilizzati come elemento di trasmissione, un movimento viene trasmesso dalla sorgente di trasmissione al lato di uscita. Ciò viene fatto in combinazione, ad esempio, con motore, pulegge per cinghie trapezoidali, pulegge a cinghia dentata, nastri, catene, connettori, ingranaggi o altri elementi.

Alcune stampanti 3D utilizzano azionamenti a ricircolo di sfere invece delle guide per viti convenzionali. Le viti a ricircolo di sfere sono più precise e hanno meno attrito rispetto alle guide per viti convenzionali. Ciò consente una precisione di stampa ancora maggiore.

Come elementi guida, gli alberi consentono il movimento preciso della testina di stampa o del letto di stampa in direzioni diverse. Solitamente sono cilindrici e realizzati con materiali robusti per garantire precisione e durata. L’albero è solitamente liscio e ha un’elevata precisione superficiale per consentire un movimento a basso attrito. Per guidare l’albero e consentire il movimento, cuscinetti lineari speciali o guide lineari sono montati lungo l’albero.

Cinghie dentate nelle stampanti 3D

Le cinghie dentate convertono il movimento rotatorio dei motori in movimento lineare delle parti mobili della stampante. Ad esempio, le testine di stampa vengono spostate lungo l’asse X e l’asse Y. Svolgono un ruolo decisivo nella velocità e nella precisione del processo di stampa. Una vestibilità salda e una qualità impeccabile sono fondamentali. In caso contrario, potrebbero verificarsi riverberi che distorcono il prodotto finale. Le cinghie dentate sono solitamente realizzate in materiali elastomerici con rinforzi dentali inseriti al fine di consentire una trasmissione precisa della forza.

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Motori nelle stampanti 3D

I motori svolgono un ruolo chiave nello spostare e posizionare la testina di stampa o il letto di stampa. Esistono diversi tipi di motori utilizzati nelle stampanti 3D, ciascuno dei quali svolge compiti specifici. Ecco alcuni dei motori più comuni delle stampanti 3D:

• Motori passo-passo: che spostano la testina di stampa e il letto di stampa in passi precisi lungo i vari assi.
• Servomotori: Offrono alta velocità e precisione e vengono utilizzati quando è necessario un controllo preciso.
• Motori a corrente continua: Vengono utilizzati, ad esempio, per azionare i rulli.
• Motori dell’estrusore: Sono responsabili dell’estrusione del materiale di stampa.

La stampa 3D industriale utilizza le seguenti categorie di materiali: filamenti, resine e polvere. Il filamento è un filo lungo e stretto costituito da varie materie plastiche, ad es. PLA o nylon. Viene arrotolato su bobine ed è utilizzato principalmente nel processo di stampa FDM.

Al fine di ridurre al minimo la visibilità dei singoli strati quando si utilizzano materiali a filamento, i parametri possono essere regolati nelle impostazioni del software di sezionamento. Può essere necessaria una successiva finitura superficiale, ad esempio mediante rettifica, riempimento, rivestimento, verniciatura o mediante vari metodi di saldatura.

I metodi di stampa a polvere consentono la produzione di geometrie complesse e parti funzionali. Polveri di metallo, plastica o ceramica, per esempio, possono essere usate come materiale.

Il processo di stampa con resine utilizza plastiche liquide, che vengono indurite sotto l’influenza dei raggi UV o laser per creare gli strati di stampa.

Sono disponibili vari materiali resinosi che offrono una varietà di proprietà, come durezza, flessibilità, resistenza alla temperatura e trasparenza. Questo materiale è molto adatto se l’oggetto di stampa richiede precisione e dettagli accurati.

Possibili utilizzi delle stampanti 3D

In pochissimo tempo, la stampa 3D ha conquistato molte aree della nostra vita, tra cui l’ingegneria meccanica, la costruzione di macchine personalizzate e la costruzione di prototipi. La rapida rotazione con cui i componenti possono essere fabbricati è particolarmente interessante per molte aziende industriali. Non solo lo spazio di archiviazione può essere ridotto a lungo termine, ma anche le circostanze mutevoli e le applicazioni speciali possono essere affrontate in modo proattivo.

L’uso di stampanti 3D può in particolare accelerare lo sviluppo di prodotti con la prototipazione rapida.

La capacità di creare geometrie complesse consente di adattare rapidamente design e forme agli attuali concetti di ricerca e sviluppo.

Ciò consente di identificare e risolvere gli errori e i problemi di progettazione prima dell’inizio della produzione di massa.

In alcuni casi, il prototipo stesso può fungere da modello per la produzione di massa, specialmente per la produzione di piccoli lotti o prodotti personalizzati.