Una domanda di brevetto affronta il problema dell’estrusione che non può essere fermata istantaneamente
CEAD IP B.V. ha pubblicato negli Stati Uniti una domanda di brevetto dedicata a un metodo di generazione dei percorsi utensile per la produzione additiva basata sull’estrusione continua. L’obiettivo è affrontare una situazione nella quale i normali algoritmi di slicing mostrano un limite evidente: la deposizione di materiali viscosi il cui flusso non può essere arrestato e riavviato con la precisione tipica dell’estrusione di un filamento termoplastico.
La domanda statunitense US20260225319A1 è stata pubblicata il 6 agosto 2026 ed è associata alla domanda n. 19/154,361, depositata il 30 gennaio 2024. Gli inventori indicati sono Maarten Jan Logtenberg, Bart Armand Pruijmboom e Jasper Klein Mentink, tutti con sede a Delft, nei Paesi Bassi.
È opportuno distinguere una domanda di brevetto pubblicata da un brevetto già concesso: il documento descrive e rivendica la soluzione sviluppata da CEAD IP B.V., ma la pubblicazione dell’application non equivale alla concessione definitiva di un brevetto statunitense.
Il principio proposto è comunque interessante perché modifica una delle convenzioni più radicate della stampa 3D: invece di considerare ogni layer come un’entità da completare prima di passare al successivo, il software può pianificare contemporaneamente due o più strati e spostare la testina dall’uno all’altro mentre continua a depositare materiale.
Il problema nasce quando il materiale continua a uscire dall’ugello
Nella stampa 3D a filamento, lo slicer può normalmente ordinare all’estrusore di interrompere il flusso, effettuare uno spostamento senza deposizione e ricominciare a estrudere in un’altra posizione.
Il sistema non è perfetto: retrazioni, pressione residua e proprietà del polimero possono produrre stringing o piccole imperfezioni. Tuttavia il principio di funzionamento consente di separare con sufficiente precisione movimenti di stampa e movimenti a vuoto.
La situazione cambia quando vengono lavorati materiali molto viscosi o sistemi nei quali l’estrusione è fisicamente continua.
La domanda di CEAD IP B.V. cita, fra gli esempi, silicone, materiali elastomerici, vetro, resine epossidiche e calcestruzzo.
In questi casi comandare semplicemente uno stop non significa necessariamente che il materiale smetta immediatamente di uscire dall’ugello. Pressione interna, inerzia del sistema di alimentazione, viscosità e comportamento reologico possono mantenere il flusso anche durante il movimento della testa.
Se il percorso generato dallo slicer prevede che la testina attraversi una zona nella quale non dovrebbe essere depositato materiale, l’estrusore può lasciare una traccia indesiderata.
Su un componente questo può tradursi in accumuli, fili, gocce, cordoni fuori posizione e difetti geometrici.
CEAD prova a risolvere via software un problema normalmente affrontato dall’hardware
Una possibile risposta sarebbe progettare sistemi di pompaggio, valvole e ugelli capaci di controllare il materiale con maggiore rapidità.
CEAD IP B.V. segue un’altra direzione: modificare il percorso della testina affinché sia necessario interrompere il flusso il meno possibile.
In sostanza, se il materiale non vuole fermarsi, il software cerca di trovare qualcosa di utile da stampare mentre continua a scorrere.
È questo il concetto centrale della domanda di brevetto.
Il modello tridimensionale viene suddiviso in un numero pari di strati e il calcolo del toolpath può essere eseguito considerando contemporaneamente gruppi più piccoli di layer, con l’esempio principale costituito da coppie di strati.
La testina inizia a depositare sul primo layer seguendo le linee disponibili.
Quando raggiunge un punto nel quale, per continuare sullo stesso piano, dovrebbe effettuare un movimento a vuoto oppure ripassare sopra una linea già depositata, l’algoritmo cerca un nodo corrispondente nello strato adiacente.
La testina cambia quindi quota continuando il percorso sul secondo layer.
Quando incontra una posizione dalla quale è possibile riprendere una linea ancora non stampata sul primo strato, ritorna sul livello inferiore.
La costruzione procede quindi attraverso continui passaggi controllati fra gli strati.
Il layer non viene più trattato come un piano isolato
La differenza rispetto allo slicing convenzionale è importante.
Normalmente la stampa procede secondo una logica sostanzialmente sequenziale:
layer 1, completamento del layer 1, salita;
layer 2, completamento del layer 2, salita;
layer 3 e così via.
Il metodo descritto da CEAD IP B.V. permette invece una sequenza del tipo:
layer 1, passaggio al layer 2, ritorno al layer 1, nuovo passaggio al layer 2, completamento del layer 1, completamento delle porzioni residue del layer 2.
Il movimento verticale o diagonale fra due nodi corrispondenti diventa parte integrante del percorso di deposizione.
Lo slicer non cerca quindi soltanto il percorso più conveniente all’interno di un singolo piano. Deve ragionare su un piccolo volume tridimensionale formato da più layer adiacenti.
Questa impostazione permette di trasformare alcuni movimenti che sarebbero normalmente classificati come travel move in percorsi produttivi nei quali viene effettivamente depositato materiale.
La priorità resta completare prima lo strato inferiore
La strategia descritta nella domanda non abbandona completamente la logica layer-by-layer.
Quando la testina sale temporaneamente sul secondo strato, l’algoritmo cerca di riportarla sul primo appena incontra una posizione dalla quale sia possibile continuare una linea non ancora depositata.
CEAD IP B.V. assegna quindi una priorità al completamento del layer inferiore.
Il secondo strato viene utilizzato temporaneamente come percorso alternativo quando sul primo non esiste una prosecuzione conveniente senza interrompere l’estrusione.
Soltanto dopo avere completato tutte le linee del primo layer vengono terminate quelle rimaste sul secondo.
Questa scelta riduce la necessità di trasformare completamente la stampa in un processo privo di layer e mantiene una struttura di produzione relativamente vicina ai sistemi di slicing tradizionali.
Nodi, linee e grafi diventano il cuore del calcolo
La domanda descrive geometricamente ciascuno strato come un insieme di linee collegate attraverso nodi.
In termini informatici, il problema può essere interpretato come un problema di attraversamento di un grafo.
La testina deve percorrere tutte le linee necessarie alla costruzione senza trovarsi in una posizione dalla quale l’unica possibilità sia effettuare uno spostamento nel vuoto.
Quando sul layer corrente tutte le linee collegate al nodo raggiunto sono già state percorse, l’algoritmo può passare al nodo corrispondente del layer vicino.
Il secondo livello offre così nuovi rami attraverso i quali proseguire il percorso.
Una volta trovata una posizione compatibile con una parte non ancora completata del primo livello, la testina ritorna verso il basso.
Il metodo può teoricamente essere applicato a più di due layer contemporaneamente, anche se la descrizione utilizza soprattutto coppie di strati per illustrare il funzionamento.
L’algoritmo decide anche quale direzione seguire agli incroci
La soluzione di CEAD IP B.V. non si limita a stabilire quando cambiare quota.
La domanda definisce anche regole per scegliere il percorso quando la testina raggiunge un nodo al quale sono collegate più linee.
Quando quattro o più linee convergono sullo stesso nodo, il sistema può scegliere quella che forma l’angolo minore rispetto al segmento appena percorso.
Quando invece sono disponibili tre linee o meno, la strategia può privilegiare il percorso che forma l’angolo maggiore.
Il documento distingue inoltre fra rami aperti e contorni chiusi.
Sul primo layer, in determinate condizioni viene data priorità ai rami. Sul secondo layer, il software può privilegiare i contorni chiusi prima di procedere lungo i rami disponibili.
Queste regole servono a evitare che una scelta localmente conveniente conduca successivamente la testina in una posizione dalla quale non sia possibile proseguire senza interrompere il flusso.
La questione è quindi più complessa della semplice ricerca del percorso geometricamente più corto.
Perché il problema diventa particolarmente evidente nella stampa 3D di grande formato
CEAD B.V. opera principalmente nel Large Format Additive Manufacturing, dove produce sistemi di estrusione industriale basati sia su robot sia su architetture cartesiane.
Tra le piattaforme dell’azienda figurano Flexbot, basato su robot industriali, e Flexcube, basato su una struttura cartesiana. CEAD B.V. sviluppa inoltre estrusori a pellet destinati all’integrazione su sistemi industriali.
Nelle applicazioni LFAM la quantità di materiale depositata è molto superiore a quella delle normali stampanti desktop.
CEAD B.V. utilizza, a seconda dell’estrusore, ugelli con diametri compresi indicativamente fra 2 e 24 millimetri. L’aumento del diametro dell’ugello comporta cordoni molto più larghi e spessi.
Di conseguenza, una piccola imperfezione associata a un punto di arresto e riavvio che su una stampa desktop potrebbe risultare poco evidente può diventare una discontinuità considerevole su un componente di alcuni metri.
CEAD B.V. sottolinea già da tempo l’importanza dei percorsi continui nella stampa LFAM proprio per ridurre la visibilità dei punti di start e stop.
Gli estrusori a pellet di CEAD seguono però una logica diversa dai materiali citati nella domanda
È importante non confondere automaticamente la nuova domanda di brevetto con gli attuali sistemi termoplastici di CEAD B.V.
Le soluzioni LFAM dell’azienda utilizzano principalmente pellet termoplastici che vengono trasportati attraverso un cilindro riscaldato mediante una vite di estrusione.
CEAD B.V. impiega questa architettura anche per materiali caricati con fibre corte di vetro o carbonio.
Per controllare meglio il materiale durante accelerazioni, rallentamenti, partenze e arresti, alcuni sistemi CEAD B.V. possono utilizzare il Dynamic Flow Control.
La domanda US20260225319A1 affronta invece in termini più generali il caso in cui il flusso non possa essere arrestato efficacemente.
Il documento non indica che la tecnologia sia già implementata commercialmente su Flexbot o Flexcube e non annuncia un nuovo prodotto CEAD B.V. basato sul metodo.
Descrive invece una possibile architettura software applicabile a sistemi di produzione additiva nei quali l’estrusione continua rappresenti un vincolo.
Il toolpath diventa una variabile di processo, non soltanto un percorso geometrico
Nella produzione additiva il toolpath viene talvolta considerato semplicemente come il risultato finale dello slicing.
In realtà determina direttamente la sequenza con cui il materiale viene depositato, la durata locale fra due passaggi, la posizione delle giunzioni e, in alcuni processi, anche l’orientamento della struttura interna.
Nell’LFAM questa relazione diventa ancora più importante perché le sezioni depositate sono grandi e i tempi termici più lunghi.
CEAD B.V. utilizza già strategie non planari e sistemi robotici che permettono movimenti differenti da quelli di una tradizionale macchina cartesiana a tre assi.
La domanda di brevetto aggiunge un’altra dimensione al problema: anche senza eliminare formalmente i layer, il software può considerarne più di uno durante la pianificazione.
Si crea così una soluzione intermedia fra il classico slicing bidimensionale, nel quale ogni piano viene trattato separatamente, e una vera deposizione completamente tridimensionale e layerless.
Non è la stessa cosa della stampa multiassiale senza layer
La ricerca sulla produzione additiva sta esplorando anche sistemi nei quali la deposizione non segue piani orizzontali paralleli.
In una macchina robotizzata multiassiale la testina può orientarsi e depositare il materiale lungo superfici curve o direzioni tridimensionali.
Il metodo di CEAD IP B.V. descritto nella domanda US20260225319A1 non deve essere necessariamente interpretato in questo modo.
Gli strati continuano a esistere.
La differenza è che il software è autorizzato ad attraversarli in un ordine meno rigido, creando collegamenti fra livelli adiacenti quando questi permettono di mantenere una deposizione continua.
Questo rende la soluzione potenzialmente applicabile anche senza passare a una completa riprogettazione del processo intorno alla stampa layerless.
Esistono altri approcci ai toolpath continui
La continuità del percorso è un tema studiato da diversi anni nella produzione additiva.
Oak Ridge National Laboratory, per esempio, ha lavorato su strategie che aggiungono collegamenti o “ponti” al percorso di uno stesso strato per consentire alla testina di mantenere una deposizione continua.
Altri gruppi di ricerca hanno sviluppato algoritmi che cercano di ridurre al minimo il numero di interruzioni oppure di trasformare superfici complesse in percorsi il più possibile continui.
L’approccio descritto da CEAD IP B.V. affronta il problema facendo esplicitamente cooperare più layer: quando la continuità non è possibile sul piano corrente, il percorso cerca una prosecuzione utile su quello vicino.
È una differenza concettuale importante perché amplia lo spazio nel quale lo slicer può cercare una soluzione.
Ci sono anche limiti geometrici
Il metodo non può necessariamente garantire un percorso continuo per qualsiasi oggetto.
La possibilità di spostarsi sul layer vicino dipende dalla presenza di geometrie e nodi compatibili.
Un modello composto da regioni completamente separate potrebbe comunque richiedere un’interruzione del flusso oppure una strategia produttiva differente.
Anche il passaggio fra due livelli deve essere fisicamente realizzabile senza provocare collisioni, accumuli eccessivi o geometrie non desiderate.
Entrano inoltre in gioco la stabilità del materiale appena depositato, la velocità della testina e il comportamento del cordone durante una transizione verticale o inclinata.
La domanda di brevetto definisce soprattutto la logica di generazione del percorso. La trasformazione di tale logica in un processo industriale richiede che software, cinematica della macchina e comportamento del materiale siano gestiti in modo coordinato.
Un’indicazione della crescente importanza del software nella produzione additiva industriale
L’aspetto più significativo della proposta di CEAD IP B.V. è forse il modo in cui ridefinisce il rapporto tra software e hardware.
Un problema apparentemente meccanico — il materiale continua a uscire quando dovrebbe fermarsi — viene affrontato modificando la strategia con cui viene costruito il componente.
Invece di pretendere che l’estrusore si comporti come un dispositivo ideale capace di interrompere istantaneamente il flusso, il percorso viene adattato alle caratteristiche reali del materiale e del sistema di deposizione.
È un principio applicabile anche oltre questo specifico brevetto: nella produzione additiva industriale, una parte crescente delle prestazioni dipende dall’integrazione fra macchina, materiale e software di generazione del toolpath.
Per CEAD B.V., che sviluppa sistemi LFAM robotizzati, cartesiani, estrusori e soluzioni ibride con lavorazione CNC, il controllo del percorso rappresenta quindi una componente tecnologica importante quanto la capacità di depositare grandi quantità di materiale.
La domanda US20260225319A1 mostra una possibile direzione: invece di obbligare ogni layer a essere completato prima di iniziare il successivo, consentire allo slicer di guardare anche sopra e sotto il piano corrente e utilizzare lo spazio tridimensionale per mantenere la deposizione il più possibile continua.
” Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI) “
