Come funziona una stampante 3D? Parti, pezzi e componenti

Come funziona una stampante 3D? Quali sono i pezzi di una stampante 3D? Ecco come è fatta internamente e come è fatta esternamente e alcuni suggerimenti per capire se il prezzo è giusto.

Questa guida, tradotta da un articolo di matterhackers.com, ci accompagnerà attraverso ciascuna delle parti principali di una stampante 3D, rispondendo alla domanda: “Come funzionano le stampanti 3D?”.

Ci concentreremo su componenti meccanici ed elettrici dei più comuni tipi di stampanti 3D desktop (da tavolo).

Ne esistono due tipologie: quelle che funzionano attraverso la fusione del materiale (fused filament fabrication – FFF) e quelle che funzionano su modellazione del materiale fuso (fused deposition modeling – FDM). Noi ci concentreremo sulle FFF.

Come funziona una stampante 3D – Parti meccaniche

Piano di stampa

Il piano di stampa è la superficie su cui vengono stampati gli oggetti. Di solito è costituito da un ripiano di vetro, un elemento riscaldante e un’ulteriore superficie che aiuta il raffreddamento del materiale.

Riscaldato / Non riscaldato

Alcuni piatti di stampa sono riscaldati, per evitare che l’oggetto si deformi durante la stampa. A causa della contrazione termica, la plastica si riduce leggermente quando si raffredda. Questo potrebbe provocare il sollevamento dei bordi dell’oggetto e lo staccamento dal piano di stampa. I piani riscaldati mantengono caldo il fondo dell’oggetto, per evitare questo inconveniente.

Alcune stampanti non hanno il piatto riscaldato. Per questo motivo, con questo genere di stampanti, è preferibile utilizzare materiali differenti: principalmente PLA (materiale meno soggetto alla deformazione) e PET.

In genere, anche nelle stampanti senza piatto riscaldato, si utilizza un sistema per evitare che gli oggetti si stacchino dal piano in fase di stampa. Il metodo più semplice è quello di spruzzare il piatto con lacca spray, che consente il fissaggio del materiale e della base dell’oggetto sulla superficie di stampa.

Filamento

Il filamento è il materiale plastico che viene utilizzato dalla stampante 3D. In genere si tratta di bobine di filamento, in due diverse dimensioni: 1,75 mm e 3 mm.

Estrusore

L’estrusore è quella parte delle stampanti 3D che potremmo definire come il nucleo della stampante. Nell’estrusore il filamento viene sciolto, modellato e spinto sul piatto.

Potremmo definire un estrusore esattamente come una pistola di colla a caldo, ma si tratta di una parte abbastanza piccola della stampante. È la parte con più tecnologia di tutta la 3D printer.

L’estrusore delle stampanti 3D da tavolo è costituito da due parti: un pezzo caldo (vale a dire che si riscalda) e un pezzo freddo. La parte fredda è quella in cui un motore preleva il filamento e lo spinge. La parte calda è dove il filamento viene sciolto e spinto.

Estrusori Direct Drive ed estrusori Bowden

Nelle stampanti ad azionamento diretto, l’estremità calda e l’estremità fredda sono collegate tra loro, una sopra l’altra. Il filamento scende verso il basso attraverso quella fredda, verso l’estremità calda.

Negli estrusori Bowden, invece, l’estremità calda e l’estremità fredda sono separati. L’estremità fredda è fissa e avvitata sul telaio della stampante. Il filamento viene spinto attraverso un tubo lungo (chiamato un tubo Bowden) fino all’estremità calda. Ciò significa che la stampante può muoversi più liberamente perché il pezzo in movimento pesa di meno.

Hobbed Gear

Questa pezzo ha il compito di agganciare il filamento e spingerlo verso il basso attraverso l’estremità calda.

Dispositivo di aggancio (Idler Gear)

L’aggancio è una ruota a molla che spinge il filamento contro la ruota dentata. Nella maggior parte delle stampanti è possibile regolare la tensione di questo pezzo in modo che non stringa troppo o troppo poco il filamento.

Hot end – tutto in metallo o in PEEK (Polietere etere chetone)

Senza parti isolanti in plastica, tutte le estremità calde del pezzo possono raggiungere temperature molto elevate e stampare utilizzando una vasta gamma di materiali. Tuttavia, è necessario in questo caso prevedere un tipo di raffreddamento attivo.

Hot end – Dissipatore di calore / Ventola dell’hot end

Questo pezzo della stampante 3D assicura che il calore non raggiunga la plastica sciogliendola prima di raggiungere l’ugello. Questo fenomeno infatti potrebbe provocare inceppamenti, specialmente con il PLA.

La ventola e il dissipatore dovrebbero entrare in funzione ogni volta che l’hot end si riscalda.

Cartuccia di riscaldamento

La cartuccia di riscaldamento (heater cartridge) riscalda la plastica, come dice il suo nome. È semplicemente una resistenza ad alta potenza. Quasi tutte le stampanti moderne utilizzano riscaldatori a cartuccia, ma molte stampanti più vecchie utilizzavano bobine di filo di nichel (come in un tostapane).

Per sostituire questo pezzo è molto importante sapere se l’hot end funziona a 12v o a 24 v.

Termistore / termocoppia / RTD

Questi sono tutti i diversi tipi di sensori per determinare la temperatura dell’hot end della stampante 3D. Sono essenzialmente termometri elettronici. I termistori sono il tipo più comune di sensore, ma alcune stampanti utilizzeranno termocoppie per la stampa ad alta temperatura.

Ugello (Nozzle)

L’ugello è un pezzo con un piccolo foro che consente al filamento fuso di uscire. Gli ugelli sono intercambiabili e sono disponibili in varie dimensioni; 0,4 mm è la dimensione normale per la maggior parte delle stampanti 3D, mentre è possibile utilizzare un ugello più piccolo per dettagli più precisi o un ugello più grande per stampare più velocemente.

Il problema più frequente con questo pezzo della stamapante 3D è che l’ugelli si intasi, a causa del filamento che si solidifica all’interno. Sarebbe bene, quindi cercare di mantenere il foro libero e pulito, rimuovendo il materiale ancora fuso al termine di ogni stampa.

Ventola di raffreddamento dei livelli (Layer cooling fan)

Questa ventola raffredda la plastica subito dopo che è stata depositata attraverso l’ugello sul piatto e aiuta l’oggetto a mantenere la sua forma.

Lo slicer accende e spegne la ventola in diverse circostanze a seconda del materiale che si sta stampando. Questa ventola non va confusa con la ventola del dissipatore di calore, che invece raffredda l’hot end stesso e non l’oggetto stampato.

Come funziona una stampante 3D: controllo del movimento – Assi X, Y, Z

Delta vs. Cartesiana

Le stampanti cartesiane spostano uno o due motori lungo ciascuno degli assi X, Y e Z e il loro nome deriva proprio dal sistema di coordinate cartesiane che seguono. Di solito hanno un’area di costruzione rettangolare e le stampanti stesse tendono ad avere una forma cubica.

Le stampanti delta hanno invece tre bracci che si riuniscono al centro per sospendere l’estrusore sopra l’area di costruzione dell’oggetto. Le stampanti 3D delta utilizzano anch’esse un sistema di coordinate cartesiane per muoversi, ma invece di spostare un motore per asse alla volta, tutti e tre i bracci si muovono a diverse velocità o in diversi tempi per spostare con precisione l’ugello attraverso una sorta di triangolazione.

Alberi filettati / viti di derivazione

Questi sono di solito utilizzati sull’asse Z della stampante. Sono i pezzi della stampante 3D che ruotano, costringendo i dadi a muoversi su e giù. Le stampanti più economiche utilizzeranno semplici tondini in acciaio filettati, che sono sostanzialmente bulloni molto lunghi. Le stampanti di qualità superiore presentano viti in acciaio cromato, progettate per ridurre al minimo il gioco.

Vite di derivazione – Cinghie

Le cinghie spostano le viti. I motori X e Y hanno ruote dentate che guidano le cinghie. La maggior parte delle stampanti ha anche un regolatore per la tensione delle cinghie.

Motori passo-passo

A differenza dei motori DC regolari, che ruotano continuamente quando sono alimentati, i motori passo-passo ruotano con una velocità regolabile. Questo fornisce un controllo preciso sulla loro posizione. La maggior parte delle stampanti utilizza motori NEMA 17 a 200 gradi per giro.

Telaio

Il telaio è la struttura che tiene tutti i pezzi della stampante 3D insieme. Le prime stampanti avevano telai realizzati in compensato tramite taglio laser. Le stampanti di oggi hanno invece una struttura in metallo con pezzi in alluminio e in plastica, spesso stampanti con un’altra stampante 3D. Più rigido e pesante è il telaio, naturalmente, più sarà preciso il movimento della stampante.

Per sicurezza in fase di stampa, essendo presenti parti che si riscaldano anche oltre i 200°C e parti in movimento, alcune stampanti, specie quelle utilizzate per scopi didattici, presentano gabbie e chiusure in plastica, che isolano l’area di stampa in fase di funzionamento della macchina.

In base all’uso per il quale la stampante è acquistata è bene chiedere al produttore la possibilità di inserire anche questi apparati di sicurezza.

Come funziona una stampante 3D – Componenti elettriche della stampante 3D

Alimentazione elettrica

Le stampanti 3D utilizzano in genere elettricità a 120V AC, cioè il normale voltaggio casalingo, quindi si alimentano con una regolare presa domestica, in corrente continua a bassa tensione.

In genere utilizzano gli stessi alimentatori utilizzati nei computer desktop, ma è sempre bene assicurarsi di avere il giusto alimentatore per la propria stampante anche a seconda della tensione riportata dal costruttore (12V, 5V, 3.3V).

Scheda madre (Motherboard)

La scheda madre è il cervello della stampante. Prende i comandi dati al computer (sotto forma di G-Code) e orchestra la loro esecuzione. La scheda madre contiene un micro-controllore (essenzialmente un piccolo computer autonomo) e tutti i circuiti necessari per far funzionare i motori, leggere i sensori e comunicare con il computer o leggere la scheda SD a seconda che il file da stampare sia caricato direttamente da computer a tramite il supporto di una scheda.

Stepper Driver

Questi chip sono responsabili del funzionamento dei motori passo-passo. Lanciano le bobine del motore in sequenza, facendolo muovere a velocità crescente. Molte schede-madri sono dotate dei driver passo-passo, ma alcune hanno anche moduli che possono essere scollegati.

Regolando questi driver è possibile regolare la potenza erogata ai motori, attraverso un graduale incremento. Spesso, quando in fase di montaggio uno dei motori della stampante 3D non funziona, il problema è da ricercarsi nella regolazione di questi driver. Gli stepper driver sono sempre accompagnati da un dissipatore di calore.

Interfaccia utente

Alcune stampanti dispongono di uno schermo LCD per poter essere controllate direttamente anche senza alcun collegamento al computer, possono essere sia semplici schermi in bianco e nero che touchscreen.

Slot per schede SD

Alcune stampanti sono predisposte con uno slot per schede SD, da cui caricare i file G-Code, per poter utilizzare la stampante liberamente anche senza un computer collegato.

dispongono inoltre di uno slot per schede SD da cui possono caricare file G-Code. Ciò consente loro di eseguire indipendentemente senza un computer.

Fine corsa (End Stop)

I cosiddetti sensori di fine corsa, servono a stabilire la posizione della testina sull’asse verticale: sono infatti dei piccoli interruttori che vengono spinti (e chiusi) ogni volta che un asse si muove fino alla sua posizione limite in alto.

In questo modo la stampante è in grado di individuare il proprio punto di partenza prima della stampa. La maggior parte delle stampanti utilizza interruttori meccanici (uno per ogni asse), ma ve ne sono anche con sensori ottici, più precisi e autonomi, ma anche più costosi.

Come funziona una stampante 3D – Livellamento del piatto

Molte stampanti hanno una sorta di sistema per assicurarsi automaticamente che il piatto di stampa sia a livello dell’ugello e sia perfettamente tarato e dritto.

Alcune, però, devono essere calibrate a mano. Nel caso delle stampanti cartesiane, in genere, attraverso una serie di viti che stringono le molle poste ai quattro angoli del piatto. Nel caso delle stampanti delta, generalmente, attraverso le viti poste sopra i sensori fine corsa, che vanno strette o allentate a seconda della necessità.

La calibrazione del piatto a mano è effettuata in genere attraverso l’ausilio di un foglio di carta, con cui controllare che la testina si trovi nella posizione corretta: non troppo in basso (nel caso in cui strisci sul foglio di carta, impedendone il movimento) e non troppo in alto (lasciando scivolare il foglio senza il minimo attrito). La giusta distanza dal piatto è quella che permette al foglio di scorrere sotto l’ugello, ma strisciando sotto questo con un leggero attrito.

Per il corretto livellamento è sempre consigliabile consultare le istruzioni della propria stampante 3D.