Molti sono i miti, e ben poche le certezze sull’utilità o meno del doppio estrusore nelle stampanti 3D. A che serve, quando serve, come si usa, come si calibra, quali sono le alternative. Questo – ed altro – spiegato in questo articolo.
A che serve un doppio estrusore
La risposta è già nella domanda: ad una doppia estrusione. E sfatiamo subito un mito. Raramente, ma qualcuno me lo chiede: “allora, si possono stampare due oggetti contemporaneamente?”. Generalmente no. Nella maggior parte dei casi gli estrusori sono collocati ad una distanza fissa (breve, circa 25 mm) l’uno dall’altro. Si potrebbero quindi, con qualche equilibrismo nello slicing, stampare al massimo due piccolissimi oggetti contemporaneamente. Si possono invece stampare diverse porzioni di uno o più oggetti. Ovvero, costruire oggetti con due colori, o con due materiali differenti. E dal momento che due colori sono alla fine poco più che uno, nella maggior parte dei casi il secondo estrusore viene impiegato per stampare proprio con un secondo, differente materiale rispetto al primo. Ad esempio, un materiale solubile da usare per i supporti, o un materiale flessibile mentre il primo estrusore stampa una porzione del modello rigida. Interessante. Si possono quindi costruire intricati modelli, che prevedono sostegni in aree recesse e poco raggiungibili, e anziché rimuovere meccanicamente sostegni, questi si possono sciogliere, riducendo i tempi di post produzione. Altrettanto interessante il secondo impiego citato: si può stampare un modello costituito da una parte rigida, e magari da un rivestimento morbido, flessibile o elastico.
Il doppio estrusore Raise3D: la regolazione dell’altezza viene effettuata manualmente, allentando la vite di blocco.
In via subordinata, i due estrusori possono ad esempio venir equipaggiati con ugelli di diverso diametro. In questo caso, in generale non si utilizzano simultaneamente, ma in alternativa: l’ugello più piccolo può essere usato per stampe di modelli molto dettagliati, e quello più grande per velocizzare la stampa di oggetti di grandi dimensioni.
In ultimo, ma proprio in ultimo, il secondo estrusore può venire interpretato come un’unità di backup: se si guasta il primo, il secondo può correre in aiuto per completare un lavoro.
Implicazioni del doppio estrusore
“Allora questo secondo estrusore sarebbe meglio averlo”, ci si può chiedere… Come per tutte le cose, c’è sempre un rovescio della medaglia. Anzi, a dire il vero più di uno. In primo luogo, una stampante con due (o più) estrusori è più costosa. Generalmente, la qualità di stampa è inferiore a quella di una corrispondente stampante monoestrusore, a causa delle maggiori masse mobili. In secondo luogo, l’impiego del secondo estrusore (generalmente) aumenta considerevolmente i tempi di stampa (questo argomento verrà approfondito in seguito) e presuppone più o meno complicate tarature.
L’altezza degli ugelli nel doppio estrusore CreatBot può essere regolata con una vite micrometrica.
La taratura di una stampante con doppio estrusore
Non bastava la necessità di dover tarare il piano di lavoro. Ci si mette anche il doppio estrusore. Vediamo perché e come va tarato. Facendo prima di tutto una doverosa distinzione. Una macchina con il doppio estrusore non è detto che debba usarli entrambi nel corso di una stampa. Può capitare infatti che il modello da realizzare sia costituito da un solo materiale, anzi questo è piuttosto frequente. In questo caso, il secondo estrusore non soltanto sarebbe inutilizzato, ma potrebbe costituire un impaccio. Se i due ugelli sono perfettamente allineati in Z, ma il primo estrusore per una imperfetta regolazione dei parametri si trova in una condizione di sovraestrusione, il secondo estrusore finisce per graffiare il materiale già deposto, o in casi estremi può persino provocare il distacco della stampa. Conviene quindi che in queste circostanze il secondo estrusore venga meccanicamente “sollevato” di alcuni decimi rispetto al primo, in modo che non interferisca. Quando invece il secondo estrusore viene utilizzato nel corso di una stampa, dovrà obbligatoriamente trovarsi alla stessa esatta altezza del primo. Se è più basso, ne danneggerà il lavoro. Se è più alto, il materiale che deposita potrebbe non aderire a quello depositato dal suo gemello. E quando di nuovo quest’ultimo viene chiamato in causa, potrebbe scoprire che lo strato appena depositato (dall’altro) è più alto del previsto, con immaginabili problemi. Quindi – a seconda che in una certa stampa venga usato un solo estrusore o entrambi – questi dovranno essere tarati. Nel primo caso, l’estrusore inattivo andrà sollevato. Nel secondo, regolato esattamente alla stessa altezza dell’estrusore primario. I metodi di taratura possono variare da macchina a macchina. Nel caso più semplice (ma anche più complicato da tarare), è sufficiente allentare una vite di blocco per poter regolare manualmente l’altezza dell’estrusore da tarare, e serrarla nuovamente a taratura completata. Operazione semplice – in quanto tutto si risolve allentando o serrando un bullone – ma allo stesso tempo complicata, in quanto una regolazione di pochi centesimi manuale è quasi utopica. Un esempio di macchine dotate di questo tipo di regolazione sono le Raise3D serie N. Alcuni costruttori (es. CreatBot) utilizzano metodi un po’ più sofisticati. Esiste sempre un dado di blocco, ma la regolazione dell’altezza può essere effettuata con un meccanismo a vite, che consente minimi movimenti controllati. Sta di fatto che – in un caso e nell’altro – le nostre stampe non potranno prescindere da una accurata taratura di entrambi gli estrusori.
Oozing
Non è una parolaccia, ma quasi. Questo fenomeno, che se non suonasse spiacevole tradurrei come “colatura”, per il fatto che ricorda da vicino le conseguenze di un fastidioso raffreddore, affligge inesorabilmente le stampe con doppio estrusore. Durante queste stampe, che si tratti di diversi colori o diversi materiali poco importa, i due estrusori operano in alternativa. Il primo stampa una parte (talvolta, anche diversi strati). Viene poi chiamato in causa il secondo estrusore, che interviene stampando gli elementi di sua competenza. Lo scambio di ruolo attivo-inattivo può avvenire frequentemente (es. lo stesso strato di un piccolo oggetto con zone diverse stampate dal primo e secondo estrusore), o più raramente, es. un estrusore stampa di seguito diversi layer, mentre l’altro attende il suo turno.
In ogni caso, dal momento che raggiungere la temperatura adeguata richiede tempo, entrambi gli estrusori vengono mantenuti alla temperatura di esercizio, anche quando sono temporaneamente inattivi. Durante questo periodo, colano materiale, per gravità, come un rubinetto non perfettamente chiuso.
Questo (indesiderato) materiale può essere colato nel vuoto, può finire sul materiale in corso di deposizione da parte dell’estrusore attivo, o può restare attaccato all’ugello che “perde”, a lungo andare sporcando sia quest’ultimo, sia il blocchetto di riscaldamento. Una stampa in queste condizioni risulterebbe un’accozzaglia, con i due colori (o materiali) in qualche modo mescolati tra loro, inquinati a vicenda.
Wipe tower e wipe wall Gli slicer che supportano la doppia estrusione consentono di mettere in atto delle contromisure per contenere gli effetti del fenomeno di oozing. Consentono infatti di costruire, oltre al modello vero e proprio, delle strutture ausiliarie di “pulizia” dei residui prodotti dall’estrusore temporaneamente inattivo. Gli accorgimenti adottabili sono sostanzialmente due: una torre, costruita con strati deposti alternativamente dall’uno o dall’altro estrusore, oppure una muraglia, una sorta di sarcofago che circonda l’intero modello a breve distanza. Lo scopo, in entrambi i casi, è quello si “spurgare” l’estrusore che si accinge a divenire attivo e ricaricarlo opportunamente di materiale prima che inizi il suo lavoro. Lo stratagemma “funzionicchia” più o meno bene, a seconda dei materiali e dei parametri di ritrazione impostati. È illusorio tuttavia pensare che il problema venga totalmente risolto, salvo rarissimi casi. E si paga comunque un pegno: quello di consumare più materiale, per costruire strutture che verranno poi eliminate (non moltissimo), e impiegare più tempo (anche molto più tempo) rispetto alla stessa stampa effettuata con un singolo materiale ed un solo estrusore.
Wipe wall in una stampa con doppio estrusore: si presenta come un involucro (che viene poi scartato), e protegge la stampa vera e propria dal materiale prodotto dall’estrusore inattivo.
Alternative
A questo punto, viene inevitabilmente da pensare: “allora questo doppio estrusore è molto meglio non averlo…”. Considerazione condividibile. A meno che non sia indispensabile. Ovvero, gli eventuali supporti non sono rimovibili meccanicamente (in aree inaccessibili), oppure è necessario stampare contemporaneamente due materiali (es. rigido/elastico). In queste circostanze, nonostante comportino complicazioni, il doppio estrusore è irrinunciabile. Ma c’è qualche buona notizia. I costruttori hanno iniziato a pensare a come semplificare la vita a chi è costretto ad usare più di un materiale contemporaneamente. In primo luogo, facendo in modo che la stampante si incarichi automaticamente di “sollevare” l’estrusore inattivo, evitando la necessità di continue, complicate tarature. Questo approccio (lifting) risolve il problema del contatto con l’estrusore inattivo con il materiale appena deposto da quello attivo. In sostanza, durante ciascun ciclo di stampa, solo uno dei due estrusori (quello attivo appunto) risulta regolato all’altezza giusta; l’altro viene “tolto di mezzo”, sollevandolo di alcuni decimi sino a quando sarà il suo turno. È un passo avanti, sebbene non definitivo. Questa soluzione, recentemente adottata ad esempio nelle Raise3D N2 Pro non risolve infatti il problema dell’oozing, trattato in precedenza. Per risolvere il quale bisogna infatti letteralmente “chiudere il rubinetto”. Questa seconda efficace soluzione, già adottata sulle stampanti industriali 3DGence F340, ed ora per la prima volta disponibile in un modello desktop, la DOUBLE, prevede che oltre al sollevamento dell’estrusore inattivo, questi venga anche temporaneamente “sigillato” da una lamina semovente, che non permette al materiale di colare. Gli automatismi di sollevamento e chiusura si svolgono in un intervallo molto breve, inferiore al secondo. Durante la stampa dell’estrusore attivo, quello in attesa non “perde” materiale, a vantaggio della precisione e robustezza della stampa.
Nella 3DGence DOUBLE, l’estrusore inattivo viene sollevato automaticamente, e “sigillato” con una linguetta semovente. Le stampe con due materiali risultano molto precise.
E se ho un solo estrusore, posso stampare un oggetto con più materiali?
Teoricamente no, a meno di non prevedere delle pause e provvedere a periodici cambi (manuali) di filamento. Soluzione non soltanto poco praticabile, ma che nella migliore delle ipotesi consentirebbe di stampare interi layer con diversi materiali (o colori). Soprattutto quando si parla di supporti, in generale nello stesso layer sono invece presenti sia il materiale di costruzione, sia quello di supporto. Per cui, questa non è la strada giusta. Ma ce n’è un’altra decisamente fantasiosa, percorsa da Mosaic nello sviluppo di un furbo dispositivo, Palette +, che consente anche con un singolo estrusore di produrre modelli costituiti da un massimo di quattro diversi materiali. Il meccanismo è decisamente ingegnoso: utlizza quattro motori stepper che trascinano i filamenti in input verso un’unica “uscita”. Il dispositivo periodicamente taglia e congiunge a caldo i vari segmenti, producendo un solo filamento in output di diversi colori e materiali. La lunghezza dei segmenti è calcolata in modo che ciascuna “sezione” della stampa venga effettuata con il filamento giusto. Dopo una breve fase di calibrazione, Mosaic Palette + “apprende” le caratteristiche della stampante target, quali il reale consumo di filamento e la distanza tra il dispositivo e l’estrusore. Queste informazioni, unitamente alla presenza di un accurato encoder che misura la quantità di filamento prodotto, consentono al sistema di “presentare” all’estrusore la sezione di filamento necessaria per l’operazione in corso. Il procedimento è molto preciso; le parti di filamento nelle quali avviene la transizione da un materiale all’altro vengono scartate, deponendo un blocco “martire”. In questo modo, nella stampa non si avvertono transizioni di colore o materiale. Il sistema Mosaic presenta vantaggi e svantaggi rispetto all’uso di un doppio estrusore “classico”.
Vantaggi:
Consente ad una stampante mono estrusore di effettuare stampe con un massimo di quattro materiali (o colori) diversi:
Utilizzando un solo estrusore, non è necessaria la calibrazione delle altezze-spiazzamenti tipica dei sistemi a doppio estrusore “fisso”. Le stampe risultano molto precise.
L’integrazione di Mosaic Palette + può risultare meno costosa dell’acquisto di una stampante a doppio estrusore.
Può utilizzare sino a quattro materiali – filamenti diversi.
Svantaggi:
I materiali utilizzati debbono poter lavorare alla stessa temperatura di estrusione, e debbono essere “chimicamente” compatibili per poter venire saldati tra loro.
Il materiale utilizzato per lo spurgo della zona di transizione tra un filamento e il successivo è “abbondante”, e comporta consumi superiori.
I tempi di stampa sono più lunghi rispetto alla stampa con un filamento unico.
