Come si producono tubi cavi in 3D con aria compressa
Un estrusore nato per la stampa multimateriale
L’ingegnere e maker Jan Roetz, che sviluppa i propri progetti con il marchio Roetz 4.0, ha sperimentato un sistema di estrusione capace di produrre direttamente tubi in materiale termoplastico con una cavità interna continua. Il principio parte da un progetto precedente dedicato alla coestrusione di più materiali, ma introduce una modifica sostanziale: al posto di utilizzare un secondo materiale per realizzare il nucleo interno, il sistema sfrutta l’aria.
Il punto di partenza è il Roetz-End, un hotend di coestrusione sviluppato da Jan Roetz e pubblicato come progetto open source. L’architettura è stata pensata per gestire più flussi di materiale all’interno dello stesso gruppo di fusione, permettendo di controllarne la disposizione durante l’estrusione.
Un’applicazione possibile di un sistema di questo tipo consiste, per esempio, nella produzione di una struttura simile a quella di un cavo elettrico: un filamento conduttivo potrebbe formare il nucleo, mentre un materiale elettricamente isolante potrebbe costituire il rivestimento esterno.
Per gli esperimenti sui tubi, però, Jan Roetz ha adottato una soluzione differente. Il materiale plastico forma soltanto la parete esterna, mentre il volume centrale viene occupato dall’aria.
Il risultato non è quindi un normale cordone pieno di materiale, come quello depositato da una stampante FFF, ma una sorta di piccolo tubo estruso in modo continuo.
Una bocchetta anulare crea il canale interno
Il componente fondamentale del sistema è la geometria dell’ugello. In un normale hotend per stampa 3D il materiale fuso attraversa un foro centrale e viene depositato sotto forma di filamento più o meno schiacciato sullo strato precedente.
Nell’estrusore utilizzato da Roetz 4.0 la situazione cambia. La plastica deve uscire attraverso una sezione anulare, lasciando libero un passaggio centrale.
Attraverso questo passaggio viene introdotta aria compressa. Il polimero fuso forma quindi una parete attorno al flusso d’aria e, una volta raffreddato, mantiene la cavità centrale.
Il processo ricorda sotto alcuni aspetti le tecniche industriali utilizzate per produrre tubi plastici o manufatti cavi, anche se l’obiettivo di Roetz 4.0 è adattare il concetto a un sistema compatto derivato dalla stampa 3D.
Controllare la geometria del tubo è però molto più complesso che estrudere un normale cordone pieno. Lo spessore della parete dipende contemporaneamente dalla quantità di plastica estrusa, dalla velocità di avanzamento, dalla geometria dell’ugello, dalla temperatura del materiale e dalla quantità di aria introdotta nel centro.
Una variazione anche piccola di uno di questi parametri può quindi modificare il diametro del tubo.
I primi esperimenti con il PLA
Jan Roetz ha effettuato i primi test utilizzando PLA, uno dei polimeri più diffusi nella stampa 3D a filamento.
Il principio ha dimostrato di funzionare, ma sono emersi diversi problemi. Il diametro del tubo non rimaneva costante lungo tutta l’estrusione e in alcuni punti si formavano rigonfiamenti simili a bolle.
Il problema deriva dalla relazione tra pressione dell’aria e resistenza della parete di plastica ancora calda.
Quando una zona della parete diventa leggermente più sottile rispetto alle altre, offre una minore resistenza alla pressione interna. L’aria tende quindi a espandere proprio quella zona. La parete si assottiglia ulteriormente, diventando ancora meno resistente.
Si crea così un fenomeno autoalimentato: maggiore espansione significa parete più sottile, e una parete più sottile permette un’espansione ancora maggiore. Se il processo prosegue, il tubo può gonfiarsi fino alla formazione di una bolla e alla successiva rottura.
Utilizzare soltanto un regolatore di pressione non è quindi sufficiente per ottenere automaticamente un diametro stabile.
L’aria raffredda anche l’interno dell’estrusore
Un secondo problema riguarda il comportamento termico del sistema.
L’aria che attraversa il centro dell’estrusore sottrae calore ai componenti attraverso i quali passa. Questo effetto è particolarmente importante perché il materiale deve rimanere sufficientemente caldo e fluido fino al momento in cui raggiunge l’uscita dell’ugello.
Nel prototipo di Roetz 4.0 alcuni elementi dell’estrusore sono realizzati in acciaio inossidabile. La conducibilità termica relativamente ridotta dell’acciaio rispetto a materiali come rame e alluminio rende più difficile trasferire rapidamente calore nelle zone raffreddate dal flusso d’aria.
Durante i test, il materiale poteva quindi iniziare a solidificarsi prima di raggiungere completamente l’uscita.
Il risultato era un flusso meno regolare e, nei casi più critici, un’ostruzione parziale del percorso del polimero.
La progettazione di un estrusore di questo tipo richiede dunque di considerare separatamente il circuito termico della plastica e quello pneumatico.
Dal controllo della pressione al controllo del volume
Per migliorare la stabilità del processo, Roetz 4.0 ha modificato il modo in cui viene fornita l’aria.
Invece di mantenere semplicemente una determinata pressione all’interno del tubo, Jan Roetz ha cercato di controllare la quantità di aria introdotta durante ogni fase dell’estrusione.
Per farlo ha realizzato una pompa peristaltica.
Una pompa di questo tipo comprime progressivamente un tubo flessibile mediante rulli o elementi rotanti. Ad ogni rotazione viene spostata una quantità definita di fluido. Il principio viene utilizzato anche in numerose apparecchiature industriali, di laboratorio e medicali perché consente di dosare quantità relativamente precise senza mettere il fluido direttamente a contatto con il meccanismo della pompa.
Nel caso dell’esperimento di Roetz 4.0 il fluido è semplicemente aria.
Controllando lo spostamento della pompa è possibile conoscere meglio il volume di aria immesso nel tubo, riducendo la dipendenza dalla sola pressione istantanea.
Il comportamento dell’estrusione è risultato più prevedibile e il diametro dei tubi più uniforme.
Il passaggio dal PLA al TPU
Un’altra modifica importante ha riguardato il materiale.
Dopo le prove con PLA, Jan Roetz ha sperimentato il TPU, un poliuretano termoplastico elastico utilizzato nella stampa 3D per realizzare componenti flessibili, guarnizioni, protezioni, elementi ammortizzanti e parti deformabili.
Il TPU presenta caratteristiche particolarmente interessanti per la produzione di un tubo. Rispetto al PLA tollera infatti meglio deformazioni e flessioni e può adattarsi all’espansione generata dall’aria interna senza rompersi immediatamente.
Anche l’adesione del materiale durante il processo si è dimostrata più adatta agli esperimenti.
I tubi prodotti con TPU possono deformarsi quando vengono pressurizzati e tendono ad aumentare leggermente di diametro.
Rimane però un problema importante: la tenuta pneumatica.
Le prove di Roetz 4.0 hanno mostrato ancora piccole perdite d’aria. Per trasformare il principio in un metodo affidabile per produrre tubazioni pneumatiche utilizzabili sarebbe quindi necessario migliorare ulteriormente la continuità delle pareti, il controllo della temperatura e la regolarità dell’estrusione.
Un processo simile viene studiato anche alla TU Darmstadt
L’idea di utilizzare aria all’interno di un materiale estruso non riguarda soltanto gli esperimenti del mondo maker.
La Technische Universität Darmstadt, attraverso la Digital Design Unit e altri gruppi dell’ateneo, sta studiando una tecnica definita Blow Extrusion 3D Printing, abbreviata in BX.
In questo processo un ugello coassiale permette di introdurre aria al centro del materiale termoplastico durante l’estrusione. Regolando il flusso d’aria è possibile modificare il diametro della sezione cava.
Il gruppo tedesco ha sperimentato sia sistemi basati su Fused Filament Fabrication, quindi alimentati con filamento, sia configurazioni Fused Granular Fabrication, nelle quali il materiale viene alimentato sotto forma di pellet.
Nel sistema sviluppato dalla TU Darmstadt, il flusso d’aria viene sincronizzato con gli estrusori e con il movimento del sistema di deposizione. Questo permette di considerare il diametro del cordone cavo come un vero parametro di fabbricazione.
Le sperimentazioni riportate dall’università comprendono sezioni estruse con diametri variabili indicativamente tra 8 e 14 millimetri.
Nei test sono stati impiegati anche materiali PETG del produttore extrudr, sistemi di misura tridimensionale Keyence della serie VR-5200 e, in alcune configurazioni di fabbricazione robotizzata, robot industriali UR10 prodotti da Universal Robots. Questi nomi identificano materiali e apparecchiature utilizzati nelle attività sperimentali e non implicano necessariamente una partnership commerciale con il progetto.
Fino all’85% di materiale in meno nelle prove universitarie
Uno degli aspetti più interessanti dell’estrusione cava riguarda il consumo di materiale.
Secondo i risultati pubblicati dalla TU Darmstadt per il progetto Blow Extrusion, la produzione di cordoni cavi ha consentito nei prototipi una riduzione del materiale del 65% rispetto a sezioni piene in determinate configurazioni, arrivando fino all’85% quando il cordone viene ulteriormente espanso mediante aria.
Si tratta però di risultati relativi allo specifico processo sperimentale della TU Darmstadt e non devono essere trasferiti automaticamente all’estrusore di Roetz 4.0, che utilizza un’architettura, una scala e obiettivi differenti.
Il principio generale rimane comunque interessante: una struttura tubolare può utilizzare la geometria della propria sezione per ottenere un certo volume esterno utilizzando meno polimero rispetto a un elemento completamente pieno.
In una futura applicazione di stampa tridimensionale su grande scala questo potrebbe tradursi in un minore consumo di materia prima e in componenti più leggeri.
Dai tubi alle strutture stampate direttamente nello spazio
La ricerca della TU Darmstadt va oltre la semplice produzione di tubi.
Controllando durante la stampa il rapporto tra flusso di materiale, movimento dell’ugello e quantità d’aria è possibile variare la sezione del cordone lungo il percorso.
La parete non deve quindi avere necessariamente lo stesso diametro dall’inizio alla fine.
Il gruppo universitario ha utilizzato il processo per studiare elementi architettonici, pareti, colonne e altre strutture di grandi dimensioni. In questo contesto la cavità non rappresenta soltanto uno spazio vuoto ma diventa parte della progettazione meccanica del componente.
Il cordone estruso può essere considerato come un elemento strutturale la cui geometria viene modificata durante la produzione.
Possibili applicazioni nella robotica pneumatica
La capacità di produrre direttamente cavità interne può essere interessante anche nella soft robotics, settore nel quale vengono utilizzate strutture flessibili deformate mediante aria compressa.
Molti attuatori pneumatici morbidi contengono camere o reti di canali che, una volta pressurizzati, generano una deformazione controllata.
Nella stampa 3D tradizionale, creare canali pneumatici affidabili può essere complicato perché occorre gestire ponti, supporti, pareti sottili e tenuta all’aria.
Un sistema capace di generare direttamente un cordone tubolare potrebbe offrire un percorso alternativo per alcune geometrie, anche se sarebbero necessari sistemi di controllo molto più precisi rispetto agli attuali prototipi.
Non è quindi sufficiente produrre un tubo: occorre poter controllare lo spessore della parete, la sezione interna, le curve, le giunzioni e soprattutto la tenuta pneumatica.
Il collegamento con la stampante Minuteman
L’estrusore utilizzato da Jan Roetz deriva dall’esperienza maturata con Minuteman, la stampante costruita dallo stesso Roetz 4.0 per studiare i limiti di velocità della stampa FFF.
Minuteman utilizza un’impostazione diversa dalle comuni stampanti desktop. L’obiettivo del progetto è spostare grandi quantità di materiale riducendo alcuni dei limiti derivanti dalla massa in movimento e dalla capacità di fusione dell’hotend.
Nella macchina sono stati utilizzati anche estrusori prodotti da Bondtech, azienda specializzata in sistemi di alimentazione del filamento. La presenza di componenti Bondtech non significa che l’azienda partecipi allo sviluppo del sistema per i tubi: si tratta del marchio dei componenti impiegati nell’architettura della macchina Minuteman.
L’esperienza accumulata su flussi volumetrici elevati e hotend multi-ingresso ha però fornito a Jan Roetz una base tecnica utile per sviluppare il sistema di coestrusione e le successive prove con aria.
Il ruolo di PCBWay nei video di Roetz 4.0
I video nei quali Jan Roetz presenta gli esperimenti dedicati all’estrusione dei tubi indicano PCBWay come sponsor.
PCBWay è un’azienda che offre servizi di produzione tra cui circuiti stampati, lavorazioni CNC e stampa 3D. La sponsorizzazione dei contenuti non equivale però a una partecipazione allo sviluppo tecnico dell’estrusore: il progetto e gli esperimenti mostrati vengono attribuiti a Jan Roetz e a Roetz 4.0.
La distinzione è importante quando si analizzano progetti nati nella comunità maker, dove aziende di produzione possono finanziare un video o fornire servizi senza essere necessariamente co-sviluppatrici della tecnologia presentata.
Perché controllare il volume è probabilmente il punto centrale
Gli esperimenti mostrano che la difficoltà principale non consiste semplicemente nell’introdurre aria nell’ugello.
Il vero problema è controllare contemporaneamente due flussi: quello della plastica fusa e quello dell’aria.
Se aumenta la quantità di materiale mantenendo invariata l’aria, la parete del tubo tende a diventare più spessa. Se aumenta l’aria senza aumentare in modo corrispondente il materiale, il diametro cresce e la parete diventa più sottile.
A questi parametri si aggiunge la velocità con cui il tubo viene estruso o depositato.
Un sistema più evoluto potrebbe quindi utilizzare sensori per misurare in tempo reale il diametro del tubo e correggere automaticamente portata dell’aria e flusso del polimero.
È lo stesso principio generale che sta portando diversi gruppi di ricerca sulla manifattura additiva a studiare sistemi di controllo ad anello chiuso, nei quali la macchina non esegue soltanto parametri impostati in anticipo ma misura ciò che sta effettivamente producendo e corregge il processo.
Da esperimento maker a possibile nuovo strumento di fabbricazione
Al momento il sistema di Roetz 4.0 rimane soprattutto una piattaforma sperimentale.
Le perdite dei tubi in TPU, la sensibilità alle variazioni di pressione, la gestione termica dell’estrusore e la necessità di controllare con precisione la quantità d’aria mostrano che esiste ancora una notevole distanza tra una dimostrazione funzionante e un processo produttivo ripetibile.
L’interesse tecnico dell’esperimento sta però proprio nel modo in cui modifica un elemento fondamentale della stampa FFF.
Normalmente un estrusore decide dove mettere la plastica. In questo caso deve decidere anche dove non metterla, creando e mantenendo uno spazio vuoto all’interno del materiale mentre l’estrusione è ancora in corso.
Il lavoro di Roetz 4.0 e le ricerche condotte dalla TU Darmstadt mostrano due declinazioni differenti dello stesso concetto: utilizzare contemporaneamente materiale termoplastico e aria per controllare non soltanto la superficie esterna di un elemento stampato, ma anche la sua struttura interna.
Se il controllo del processo continuerà a migliorare, la tecnica potrebbe trovare applicazioni nella produzione di tubazioni personalizzate, elementi leggeri, strutture pneumatiche, componenti deformabili e sistemi di stampa di grande formato nei quali ridurre la quantità di materiale è un parametro progettuale importante.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
