Un brevetto europeo per ripensare il ruolo dell’heatbreak
Slice Engineering, azienda statunitense specializzata nello sviluppo di componenti per sistemi di estrusione destinati alla stampa 3D FFF, ha ottenuto una protezione brevettuale europea per un’architettura di hotend nella quale la funzione strutturale viene separata da quella di isolamento termico dell’heatbreak.
Il brevetto EP3625025B1, intitolato “Adaptable high-performance extrusion head for fused filament fabrication systems”, descrive una testa di estrusione progettata per affrontare uno dei compromessi più comuni negli hotend completamente metallici: il componente incaricato di limitare la trasmissione del calore tra zona calda e zona fredda deve, nelle configurazioni tradizionali, contribuire anche a sostenere meccanicamente il blocco riscaldante.
Slice Engineering propone invece di distribuire questi due compiti su elementi differenti.
L’heatbreak può così essere progettato principalmente per ridurre la conduzione termica, mentre un sistema strutturale separato trasferisce i carichi meccanici tra il blocco riscaldante e la parte fredda dell’hotend.
È un principio che Slice Engineering applica già alla famiglia di hotend Mosquito, ma la concessione europea chiarisce in maniera dettagliata quali aspetti dell’architettura siano protetti e quali possibilità progettuali possano derivarne.
Perché l’heatbreak è così importante in una stampante 3D FFF
In una stampante 3D a estrusione di filamento, l’hotend deve creare due condizioni termiche molto differenti a pochi millimetri di distanza.
Nella parte inferiore il materiale deve raggiungere una temperatura sufficiente per ammorbidirsi o fondere e attraversare l’ugello. Nella parte superiore il filamento deve invece rimanere abbastanza rigido da poter essere spinto dall’estrusore.
Tra queste due zone si trova l’heatbreak.
La sua funzione consiste nel limitare il trasferimento di calore dal blocco riscaldante verso la zona fredda. Se troppo calore risale lungo il percorso del filamento, il materiale può iniziare ad ammorbidirsi prima di raggiungere la zona prevista.
Il fenomeno viene indicato come heat creep e può provocare aumento dell’attrito, deformazione del filamento, estrusione irregolare e, nei casi più problematici, l’ostruzione dell’hotend.
Da un punto di vista termico sarebbe quindi vantaggioso utilizzare una sezione metallica estremamente sottile, perché una minore area disponibile alla conduzione riduce la quantità di calore trasferita verso l’alto.
Il problema è che in molti hotend quella stessa parete sottile deve sostenere anche il blocco riscaldante e l’ugello.
Il compromesso degli hotend all-metal tradizionali
La documentazione brevettuale di Slice Engineering parte proprio da questo contrasto.
Negli hotend all-metal convenzionali l’heatbreak è spesso costituito da un componente tubolare in acciaio inossidabile con una sezione centrale assottigliata.
L’acciaio inossidabile viene impiegato perché offre una conduttività termica inferiore rispetto a materiali come rame o alluminio, pur mantenendo caratteristiche meccaniche sufficienti per sostenere il gruppo caldo.
Ridurre lo spessore della parete migliora l’isolamento termico.
Aumentarlo migliora invece la resistenza meccanica.
Il progettista è quindi costretto a trovare un punto di equilibrio tra due requisiti che procedono in direzioni opposte.
Un heatbreak molto sottile può limitare efficacemente la propagazione del calore ma diventa più vulnerabile alle sollecitazioni.
Durante una collisione dell’ugello con il piano, una stampa fallita, una manutenzione eseguita applicando una coppia eccessiva oppure un urto sulla testina, l’heatbreak può deformarsi.
Un elemento più robusto resiste meglio alle sollecitazioni, ma crea un ponte termico maggiore tra blocco caldo e dissipatore.
Slice Engineering sposta i carichi meccanici su una struttura separata
La soluzione descritta da Slice Engineering modifica il percorso attraverso il quale vengono trasmesse le forze.
Il tubo attraversato dal filamento non è più l’unico elemento che collega meccanicamente il blocco riscaldante alla zona fredda.
Il brevetto prevede una struttura denominata “bridge”, composta da distanziali e membri sottoposti a trazione collocati intorno al percorso del filamento.
Questi elementi creano una connessione rigida tra heater e cooler e assorbono almeno una parte dei carichi che, negli hotend tradizionali, vengono trasferiti attraverso l’heatbreak.
In termini progettuali, questo significa che il tubo di alimentazione può essere alleggerito dal compito di sostenere l’intera struttura.
Slice Engineering può quindi ridurne lo spessore concentrandosi sulle proprietà termiche.
È il principio alla base della struttura che l’azienda definisce “roll cage” nei propri hotend Mosquito: il blocco caldo viene sostenuto da un telaio indipendente che protegge l’heatbreak dalle sollecitazioni derivanti da urti e operazioni di manutenzione.
Pareti dell’heatbreak fino a 0,025 millimetri
Il brevetto indica intervalli dimensionali particolarmente interessanti.
Per il tubo metallico attraversato dal filamento vengono descritte pareti comprese indicativamente tra 0,025 e 0,13 millimetri, con alcune configurazioni comprese tra 0,05 e 0,10 millimetri.
Nei prototipi riportati nella documentazione è stato utilizzato anche un tubo in acciaio inossidabile con parete di circa 0,08 millimetri.
Si tratta di spessori molto ridotti se confrontati con quelli necessari quando il tubo deve svolgere una funzione strutturale più importante.
La documentazione brevettuale prende come termine di paragone architetture precedenti nelle quali i tubi metallici potevano avere pareti nell’ordine di 0,2-0,38 millimetri.
La riduzione della sezione disponibile alla conduzione termica permette di limitare il flusso di calore verso la zona superiore.
Il principio non dipende soltanto dal materiale utilizzato: la geometria stessa diventa parte fondamentale del sistema di isolamento.
Acciaio inossidabile e zirconia tra i materiali previsti
Slice Engineering considera diverse soluzioni anche dal punto di vista dei materiali.
Il tubo percorso dal filamento può essere realizzato in acciaio inossidabile o zirconia, mentre per distanziali e componenti strutturali vengono citate configurazioni in acciaio, zirconia e materiali isolanti.
Nella documentazione compaiono anche ceramiche, vetro, mica, silicati di calcio e tecnopolimeri tra i materiali potenzialmente utilizzabili in determinate parti della struttura.
L’obiettivo consiste nel combinare resistenza meccanica e bassa conduzione termica.
Le forze vengono inoltre distribuite in modo da sfruttare principalmente sollecitazioni di trazione e compressione sui componenti del ponte strutturale, evitando per quanto possibile di affidare la rigidità a elementi sottili soggetti a flessione.
Questo consente di ridurre la sezione complessiva dei componenti che attraversano il divario tra zona calda e zona fredda.
Anche questi elementi, infatti, rappresentano potenziali ponti termici.
Un principio già visibile nel Mosquito Hotend
L’architettura descritta dal brevetto è direttamente collegata alla gamma Mosquito di Slice Engineering.
Nel Mosquito, il dissipatore è collegato al blocco caldo mediante una struttura rigida separata dall’heatbreak.
Secondo Slice Engineering, questa configurazione permette all’heatbreak di utilizzare pareti molto più sottili rispetto a quelle di un componente monolitico tradizionale.
L’azienda utilizza inoltre una costruzione bimetallica nella quale vengono combinati materiali con caratteristiche termiche differenti.
Una lega di rame ad alta conduttività viene collocata nelle zone in cui è utile trasferire rapidamente il calore, mentre un acciaio con conduttività inferiore viene utilizzato dove è necessario limitare la propagazione termica.
Questa distinzione è importante perché un hotend non deve semplicemente “trattenere” il calore.
Deve distribuirlo in maniera controllata.
Nella zona di fusione è utile trasferire energia al filamento con rapidità e uniformità. Nella zona superiore, invece, il trasferimento di energia deve essere ridotto.
La struttura separata facilita anche il cambio dell’ugello
La rigidità meccanica del gruppo ha conseguenze anche sulla manutenzione.
Su diversi hotend convenzionali, quando si sostituisce l’ugello è necessario bloccare il blocco riscaldante con una seconda chiave mentre si applica la coppia sull’ugello.
Questa procedura serve a evitare che la coppia venga trasferita all’heatbreak, rischiando di allentarlo, piegarlo o danneggiarlo.
Con una struttura nella quale il blocco caldo è sostenuto indipendentemente, Slice Engineering può ridurre questa dipendenza dall’heatbreak.
Il Mosquito viene infatti progettato per consentire il cambio dell’ugello utilizzando una sola mano e senza dover contrastare il blocco caldo con una seconda chiave.
L’aspetto può sembrare secondario rispetto alle prestazioni termiche, ma evidenzia bene il significato della separazione delle funzioni: il componente progettato per isolare termicamente non deve essere utilizzato anche come elemento destinato ad assorbire la coppia durante la manutenzione.
Una zona di fusione modificabile senza cambiare la quota dell’ugello
Il brevetto affronta anche un altro compromesso tipico degli hotend FFF: quello tra portata e precisione.
Una zona di fusione più lunga permette al filamento di assorbire una quantità maggiore di energia mentre attraversa l’hotend.
Questo può favorire portate volumetriche elevate, perché il materiale dispone di più superficie e più tempo per raggiungere la temperatura necessaria prima dell’estrusione.
Una zona calda più corta può invece risultare adatta a configurazioni orientate a flussi inferiori, ugelli piccoli e maggiore controllo dell’estrusione.
Esistono già sistemi modulari che permettono di modificare la lunghezza della zona di fusione. Nella documentazione del brevetto vengono citati, come esempi dello stato della tecnica, sistemi sviluppati da aziende come E3D e DisTech Automation.
Il problema evidenziato da Slice Engineering è che cambiando alcuni componenti può cambiare anche la lunghezza complessiva dell’hotend.
Se la posizione verticale della punta dell’ugello cambia, l’utente deve correggere l’offset rispetto al piano di stampa.
Il brevetto propone invece boccole o manicotti di lunghezza differente che estendono la zona termicamente attiva verso l’alto.
In questo modo sarebbe possibile modificare la lunghezza effettiva della zona di fusione mantenendo invariata la posizione finale dell’ugello.
Meno necessità di raffreddamento nella zona fredda
La forte riduzione della conduzione attraverso il tubo del filamento può avere conseguenze anche sul sistema di raffreddamento.
Se una quantità inferiore di energia raggiunge il cold end, diminuisce il calore che deve essere smaltito dal dissipatore e dalla ventola.
Nei prototipi descritti dal brevetto, Slice Engineering indica che l’isolamento ottenuto può consentire di ridurre le dimensioni del sistema di raffreddamento e, in determinate configurazioni sperimentali, persino di limitare la necessità di un dissipatore alettato convenzionale.
Questo non significa che qualsiasi hotend basato sul brevetto possa funzionare senza raffreddamento.
Il risultato dipende dalla geometria, dalla potenza applicata, dalla temperatura di estrusione, dal materiale, dall’ambiente di lavoro e dalla configurazione della macchina.
Il principio progettuale è però chiaro: minore è il calore indesiderato che attraversa l’heatbreak, minore è il lavoro che il sistema di raffreddamento deve svolgere per mantenere stabile la zona fredda.
Hotend più compatti e masse inferiori sulla testina
La riduzione del dissipatore e la possibilità di utilizzare elementi strutturali con sezioni contenute possono contribuire anche alla diminuzione della massa complessiva dell’hotend.
Nelle stampanti con testina mobile questo parametro ha un effetto diretto sulla dinamica della macchina.
Una massa inferiore richiede meno forza per essere accelerata e decelerata.
Questo può facilitare il controllo delle vibrazioni, soprattutto nelle architetture che utilizzano velocità e accelerazioni elevate.
Il Mosquito originale di Slice Engineering viene dichiarato con una massa nell’ordine di 37 grammi nella configurazione di riferimento e dimensioni di circa 27 × 18 × 41 millimetri.
La struttura separata non nasce quindi soltanto con l’obiettivo di ottenere un heatbreak termicamente efficiente. Contribuisce a un approccio nel quale rigidità, dimensioni, massa e gestione termica vengono affrontate come parti dello stesso sistema.
Temperature fino a 500 °C per la famiglia Mosquito
La separazione termica assume una rilevanza maggiore quando aumenta la temperatura di estrusione.
Slice Engineering dichiara per il Mosquito una temperatura operativa massima di 500 °C.
Questa classe di temperatura permette di affrontare non soltanto materiali comuni come PLA, PETG o ABS, ma anche polimeri tecnici che richiedono condizioni termiche più impegnative.
Quando il blocco caldo opera a temperature elevate, controllare la propagazione del calore verso la parte superiore dell’hotend diventa ancora più importante.
L’utilizzo di un heatbreak efficiente consente di mantenere più netto il gradiente tra la zona nella quale il materiale deve fondere e quella nella quale deve restare solido.
Nello stesso tempo, il blocco caldo del Mosquito utilizza una lega di rame con rivestimento superficiale e viene progettato per trasferire rapidamente l’energia nella zona di fusione.
La strategia è quindi opposta nelle due aree: elevata conduzione dove il filamento deve essere riscaldato, bassa conduzione lungo il percorso che porta verso il cold end.
Il brevetto non riguarda soltanto un singolo prodotto
Un elemento importante è che EP3625025 non viene associato da Slice Engineering esclusivamente al primo Mosquito.
Nel portafoglio di proprietà intellettuale dell’azienda il brevetto viene indicato per diversi prodotti, tra cui Mosquito Hotend, Mosquito Magnum, Mosquito Liquid, Mosquito Magnum+, Mosquito Prime, Mosquito Conduct e alcune configurazioni Mako.
La protezione riguarda quindi un principio architetturale che Slice Engineering ha utilizzato come base per più generazioni di sistemi di estrusione.
La famiglia brevettuale comprende anche protezioni negli Stati Uniti e in Cina.
La priorità risale al maggio 2017, mentre la domanda internazionale è stata depositata nel 2018. La versione europea B1 è stata pubblicata il 18 marzo 2026.
L’intervallo temporale mostra come il brevetto europeo arrivi dopo diversi anni di commercializzazione e sviluppo della tecnologia.
Slice Engineering adotta un modello misto tra brevetti e open source
La posizione dell’azienda sulla proprietà intellettuale merita un ulteriore approfondimento.
Slice Engineering non utilizza infatti lo stesso modello per tutti i propri prodotti.
L’azienda definisce il proprio approccio come un modello ibrido: alcune tecnologie vengono protette attraverso brevetti, mentre altre vengono rese disponibili con licenze aperte.
Un esempio è il Copperhead Heat Break, per il quale Slice Engineering rende disponibili configurazioni e documentazione secondo un approccio open source.
Il Mosquito, al contrario, utilizza tecnologie coperte dal portafoglio brevettuale della società.
Questa distinzione permette a Slice Engineering di rivolgersi contemporaneamente al settore maker e a quello industriale mantenendo differenti strategie per la proprietà intellettuale.
Copperhead segue un approccio termico differente
Il confronto con il Copperhead aiuta anche a comprendere che non esiste un’unica soluzione possibile per progettare un heatbreak.
Nel Copperhead, Slice Engineering utilizza una costruzione bimetallica studiata per ridurre il trasferimento di calore lungo il percorso del filamento, ma con una struttura più convenzionale rispetto al telaio indipendente del Mosquito.
L’azienda dichiara per il Copperhead una riduzione della conduzione termica rispetto a heatbreak monolitici standard e una temperatura operativa fino a 450 °C.
Il componente è inoltre disponibile in numerose configurazioni per adattarsi a differenti stampanti.
Il Mosquito porta invece più avanti la separazione tra funzione termica e struttura meccanica.
Sono due strategie che mostrano come le prestazioni di un hotend dipendano non da un singolo materiale o componente, ma dall’interazione tra geometria, conduzione, rigidità, raffreddamento e percorso del filamento.
La portata dell’hotend dipende dall’intero sistema termico
Il brevetto tocca indirettamente anche uno dei temi centrali nelle stampanti 3D ad alta velocità: la portata volumetrica.
Aumentare la velocità dei motori non è sufficiente se l’hotend non riesce a trasferire abbastanza energia al filamento.
Quando il materiale attraversa la zona di fusione troppo velocemente può uscire dall’ugello senza aver raggiunto una temperatura uniforme.
Per aumentare la portata è quindi necessario intervenire sulla lunghezza della zona calda, sulla potenza del riscaldatore, sulla conduttività del blocco, sulla geometria del percorso e sulle caratteristiche dell’ugello.
Slice Engineering dichiara per il Mosquito originale una capacità massima di flusso di circa 35 mm³/s, mentre i modelli successivi della famiglia raggiungono valori superiori attraverso hotend più lunghi e potenti.
In quest’ottica, la possibilità descritta dal brevetto di variare la zona di fusione senza cambiare la posizione dell’ugello assume un significato particolare.
Permetterebbe di progettare un sistema modulare nel quale la configurazione termica può essere adattata al tipo di stampa senza modificare la geometria esterna fondamentale della testina.
Un brevetto che interviene sul problema alla radice
L’aspetto più interessante della soluzione di Slice Engineering è il modo in cui viene affrontato il compromesso dell’heatbreak.
Invece di cercare esclusivamente un materiale che sia nello stesso tempo molto resistente e quasi isolante, il progetto elimina una parte del problema strutturale.
Se l’heatbreak non deve più sostenere da solo il blocco caldo, può essere progettato con una parete più sottile.
Se la struttura meccanica è affidata a elementi separati, questi ultimi possono essere orientati e dimensionati per resistere alle forze in modo più efficiente.
Il risultato è una divisione delle funzioni: ogni componente viene ottimizzato per un compito più specifico.
È un principio comune nella progettazione meccanica, ma applicato a una zona dell’hotend dove pochi decimi di millimetro e pochi watt di trasferimento termico possono modificare il comportamento dell’intero sistema di estrusione.
La concessione europea rafforza quindi il portafoglio di proprietà intellettuale di Slice Engineering attorno a una soluzione già presente nei suoi prodotti commerciali.
Per il settore della stampa 3D FFF, il brevetto offre anche una descrizione tecnica dettagliata di un problema destinato a diventare sempre più importante con l’aumento delle velocità di stampa, delle portate volumetriche e delle temperature richieste dai materiali tecnici.
” Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI) “
