Un brevetto propone una nuova soluzione contro il ringing delle stampanti 3D CoreXY
Una domanda di brevetto depositata in Cina descrive un sistema per modificare la compensazione delle vibrazioni in funzione della posizione occupata dalla testina all’interno del piano di stampa.
La soluzione è stata attribuita ad Atom Reshape Technology (Shenzhen) Co., Ltd., società che opera con il marchio AtomForm e che sta lavorando allo sviluppo di stampanti 3D destinate al mercato consumer. La domanda è identificata dal numero CN122299938A e porta un titolo traducibile come “Metodo, sistema e stampante per la soppressione dinamica a campo completo delle vibrazioni nelle stampanti 3D”.
Non si tratta di un prodotto già disponibile né della dimostrazione che la tecnologia sia pronta per essere integrata in una stampante commerciale. Una domanda di brevetto descrive un principio tecnico che l’azienda intende proteggere, ma non permette ancora di conoscerne l’efficacia in condizioni reali, i costi di implementazione o l’eventuale data di lancio.
Il progetto è comunque interessante perché affronta uno dei limiti che emergono quando le stampanti 3D CoreXY vengono utilizzate con velocità e accelerazioni elevate: la frequenza di risonanza della macchina potrebbe non essere identica in ogni punto del piano di costruzione.
Che cosa sono ringing e ghosting
Il ringing, indicato anche come ghosting, echoing o rippling, è un difetto visibile sulle superfici stampate. Si presenta come una serie di ondulazioni che seguono spigoli, lettere, fori o cambiamenti improvvisi della geometria.
Quando la testina affronta una curva o cambia rapidamente direzione, le masse in movimento esercitano una forza sulla struttura. Telaio, cinghie, guide, supporti e carrello non sono perfettamente rigidi e continuano a oscillare per un breve periodo. Il materiale viene quindi depositato mentre la testina non si trova esattamente nella posizione prevista, producendo sulla parete del componente una successione di segni sempre meno marcati.
La documentazione di Klipper indica tra le cause più comuni un telaio poco rigido, cinghie troppo lente o elastiche, problemi di allineamento e una massa mobile elevata. Prima di intervenire attraverso il software è quindi necessario verificare che la meccanica della stampante sia montata e regolata correttamente.
Ridurre velocità e accelerazioni può contenere il problema, ma significa rinunciare a una parte delle prestazioni che hanno reso interessanti le stampanti CoreXY. Per questo motivo i produttori hanno introdotto sistemi di compensazione elettronica generalmente riuniti sotto il termine input shaping.
Come funziona l’input shaping tradizionale
L’input shaping modifica i comandi inviati ai motori per evitare che il movimento della testina alimenti la risonanza naturale della struttura.
Il sistema misura il comportamento della macchina, individua le frequenze alle quali le oscillazioni diventano più evidenti e genera una sequenza di comandi correttivi. In termini semplificati, il firmware crea un movimento capace di contrastare l’oscillazione prodotta dal comando principale.
Marlin descrive il principio come l’introduzione di un segnale antivibrazione nei comandi dei motori passo-passo. Il segnale viene calcolato sulla base della frequenza naturale della macchina e viene ritardato rispetto al movimento originale, in modo da ridurre l’ampiezza delle oscillazioni.
La frequenza può essere ricavata stampando una torre di calibrazione oppure usando un accelerometro montato sulla testina. Con il sensore, la macchina esegue una serie di movimenti a frequenze differenti e registra la risposta della struttura. Il firmware seleziona quindi il filtro più adatto e stabilisce i parametri da utilizzare sugli assi X e Y.
Questa soluzione ha contribuito all’aumento delle velocità delle stampanti desktop. Non elimina però le cause meccaniche e comporta un compromesso: una compensazione troppo aggressiva può arrotondare gli angoli o attenuare i dettagli più piccoli. Klipper mette infatti in relazione la scelta del filtro, l’accelerazione massima e il livello di smoothing applicato alla geometria.
Il limite di una sola calibrazione per tutto il piano
Nella configurazione più comune vengono stabiliti una frequenza e un filtro per l’asse X, insieme a una frequenza e un filtro per l’asse Y. I valori vengono poi utilizzati durante l’intera stampa.
Questo approccio considera il comportamento dinamico della macchina come sostanzialmente costante. In realtà, una struttura composta da cinghie, pulegge, guide e carrelli può cambiare risposta mentre la testina si sposta.
In una cinematica CoreXY i due motori sono installati sul telaio e contribuiscono entrambi ai movimenti lungo X e Y. Le cinghie attraversano numerose pulegge e collegano i motori al carrello. La configurazione permette di mantenere fermi i motori, riducendo la massa spostata insieme alla testina, ma crea un sistema dinamico nel quale tensione, elasticità, attrito e rigidezza delle cinghie hanno un ruolo importante.
Quando il carrello si avvicina a un bordo, alcune porzioni libere delle cinghie diventano più lunghe e altre più corte. Cambiano anche la distribuzione delle forze e il modo in cui il carrello trasmette le accelerazioni al telaio.
La documentazione di Klipper riconosce che la frequenza di ringing può dipendere dalla posizione del modello sul piano e dall’altezza Z, fenomeno particolarmente evidente nelle macchine Delta. La stessa documentazione ricorda inoltre che una variazione della massa della testina, della tensione delle cinghie o della rigidità del telaio può modificare le frequenze misurate.
Il principio alla base del brevetto di Atom Reshape è applicare questa osservazione in modo sistematico alle stampanti CoreXY.
Una mappa delle vibrazioni distribuita sul piano di stampa
Invece di utilizzare un solo valore di compensazione per ciascun asse, il sistema proposto divide idealmente l’area di stampa in una serie di punti o celle.
Durante la calibrazione, la testina viene portata nei punti stabiliti e sottoposta a una scansione in frequenza. Un accelerometro registra le oscillazioni e individua le risonanze caratteristiche di ciascuna zona. I risultati vengono inseriti in una matrice di parametri collegata alle coordinate del piano.
Si potrebbe immaginare questa matrice come una carta geografica delle vibrazioni della stampante. Ogni punto non contiene informazioni su altitudine o temperatura, ma sui parametri di compensazione più adatti quando la testina si trova in quella parte del piano.
Durante la stampa il controller ricava la posizione fisica della testina dalla sequenza di comandi destinata ai motori. Il software consulta quindi i valori associati ai punti vicini e calcola, attraverso un’interpolazione, la compensazione da applicare in quella posizione.
In questo modo il filtro non rimarrebbe invariato per l’intero lavoro. Potrebbe cambiare progressivamente mentre la testina attraversa il piano, seguendo le variazioni dinamiche della macchina.
L’idea non consiste quindi nell’aumentare semplicemente la forza della compensazione, ma nel renderla spazialmente variabile.
Impulsi principali e impulsi di compensazione
La domanda di brevetto descrive anche il modo in cui potrebbero essere modificati i comandi inviati ai motori.
Per ogni impulso originale, il controller genererebbe un impulso principale e almeno un impulso subordinato con funzione correttiva. La distanza temporale tra questi segnali verrebbe cambiata in base alla posizione della testina e alla frequenza di risonanza associata a quella zona.
Il principio presenta alcune analogie con l’input shaping ZV descritto da Marlin. In quel caso una parte del comando viene eseguita normalmente, mentre una seconda sequenza viene introdotta con un ritardo corrispondente a una frazione del periodo di oscillazione.
La differenza principale starebbe nella natura dinamica del ritardo. Il parametro non sarebbe scelto una sola volta durante la configurazione, ma verrebbe aggiornato mentre il carrello cambia posizione.
Secondo la descrizione del brevetto, la precisione temporale richiesta per l’inserimento degli impulsi potrebbe arrivare a un microsecondo o meno. Una gestione simile richiederebbe un controller capace di eseguire calcoli, interpolazioni e generazione degli step senza introdurre ritardi irregolari.
Il problema della calibrazione
La costruzione della mappa costituisce anche la parte più complessa della proposta.
Un’attuale calibrazione dell’input shaping può essere completata misurando la risposta degli assi in una posizione prestabilita. Una calibrazione spaziale dovrebbe invece ripetere la misura in più punti.
Una griglia composta da tre punti lungo X e tre lungo Y richiederebbe nove misurazioni. Una griglia da cinque per cinque ne richiederebbe venticinque. Aumentando il numero dei campioni si ottiene una rappresentazione più dettagliata, ma cresce anche il tempo necessario per completare la procedura.
Non sarebbe comunque indispensabile misurare ogni possibile coordinata. Il sistema può utilizzare un numero limitato di campioni e stimare i valori intermedi attraverso l’interpolazione. Il brevetto sembra orientato proprio verso questa soluzione.
Un prodotto commerciale potrebbe anche partire da una mappa preparata in fabbrica e aggiornare soltanto alcuni punti durante l’installazione. Un’altra possibilità sarebbe concentrare le misurazioni nelle zone in cui le differenze risultano più marcate, come gli angoli o i bordi del piano.
La validità della mappa dipenderebbe però dalla costanza della macchina. La sostituzione dell’hotend, l’installazione di una ventola più pesante, una regolazione delle cinghie o una modifica del telaio potrebbero richiedere una nuova calibrazione. Klipper raccomanda già di ripetere le misurazioni quando cambiano massa mobile o rigidità del sistema.
Temperatura, carico e tensione delle cinghie
Atom Reshape estende la proposta oltre la semplice posizione XY.
La domanda include riferimenti alla deriva termica, alla valutazione della tensione delle cinghie e alla calibrazione dinamica del carico. Il sistema potrebbe quindi correggere alcuni parametri tenendo conto del riscaldamento della camera, delle variazioni di comportamento durante una stampa lunga e della risposta misurata nei movimenti senza estrusione.
La temperatura può modificare il comportamento delle cinghie, delle parti plastiche e della struttura. In una stampante chiusa, il passaggio dalla temperatura ambiente a una camera riscaldata crea condizioni differenti rispetto a quelle presenti all’inizio della calibrazione.
Anche la tensione delle cinghie è determinante. Bambu Lab, nelle proprie procedure di manutenzione delle macchine CoreXY, sottolinea che una tensione non corretta può produrre errori dimensionali, fino a trasformare i cerchi in forme ovali. La società descrive inoltre cinghia e gantry come un sistema massa-molla, la cui frequenza naturale dipende dalla rigidezza e dalla massa.
Nel brevetto, la valutazione delle cinghie potrebbe essere effettuata attraverso le variazioni della corrente dei motori e lo sfasamento rilevato dall’accelerometro. Non è però disponibile una dimostrazione indipendente che permetta di stabilire con quale precisione questi dati possano essere trasformati in una misura affidabile della tensione.
Perché potrebbe essere utile sulle stampanti di grandi dimensioni
I vantaggi potenziali aumentano con le dimensioni del piano di stampa.
Su una macchina compatta, le differenze tra il centro e gli angoli potrebbero essere abbastanza contenute da essere gestite con un unico filtro. Su una CoreXY di grande formato, invece, la lunghezza delle cinghie, l’estensione delle guide e le dimensioni del gantry possono rendere più evidente la variazione del comportamento dinamico.
La soluzione potrebbe essere utile anche quando vengono stampati molti oggetti distribuiti sul piano. Un’impostazione ottimizzata per il centro potrebbe non fornire lo stesso risultato sui componenti collocati vicino ai bordi.
Lo stesso vale per un pezzo molto grande, attraversato dalla testina da un’estremità all’altra del volume. Un sistema capace di adattare la compensazione potrebbe mantenere una qualità superficiale più uniforme lungo il componente.
Il concetto di controllo basato sulla posizione non è limitato alla stampa CoreXY. Studi condotti sulle stampanti Delta hanno già mostrato che le dinamiche variabili nel volume di lavoro possono essere compensate utilizzando modelli calcolati in punti campione e aggiornati durante il movimento. In una ricerca basata su B-spline filtrate, la compensazione dipendente dalla posizione ha ridotto le vibrazioni di oltre il 20% rispetto a un modello fisso ricavato in un’unica posizione.
Anche nel campo della meccatronica di precisione vengono studiati controlli capaci di adattarsi a dinamiche flessibili che cambiano con la posizione. Il problema non riguarda quindi soltanto le stampanti 3D, ma numerosi sistemi nei quali una struttura leggera deve muoversi rapidamente mantenendo una buona precisione.
I possibili limiti della soluzione
Una mappa più dettagliata non garantisce automaticamente una stampa migliore.
Il primo limite riguarda la qualità delle misurazioni. Accelerometro, fissaggio del sensore, rumore elettrico, vibrazioni ambientali e ripetibilità dei movimenti possono influire sul risultato.
Il secondo è la capacità di calcolo. Il firmware dovrebbe conoscere la posizione, leggere la matrice, interpolare i parametri e modificare gli impulsi in tempo reale. Tutto questo deve avvenire senza compromettere la regolarità dei comandi inviati ai motori.
Il terzo problema è la stabilità nel tempo. Usura delle cinghie, variazioni di temperatura, manutenzione e modifiche alla testina possono rendere meno accurata una mappa preparata in precedenza.
Un sistema molto sensibile potrebbe richiedere calibrazioni frequenti, trasformando un vantaggio tecnico in una procedura poco pratica per l’utente domestico. Il successo commerciale dipenderebbe quindi dalla capacità di rendere la calibrazione automatica e sufficientemente rapida.
Esiste inoltre il rischio di utilizzare il software per nascondere problemi che dovrebbero essere risolti meccanicamente. Un telaio debole, una puleggia disallineata o una cinghia lenta non diventano componenti corretti grazie all’input shaping. La compensazione può ridurre gli effetti, ma non sostituisce una buona progettazione della macchina.
Chi è Atom Reshape
Atom Reshape opera con il marchio AtomForm ed è una società di Shenzhen concentrata sugli strumenti per la creazione digitale e sulla stampa 3D consumer.
Il sito ufficiale colloca la nascita del progetto nell’ottobre 2023 e presenta un gruppo composto da professionisti dell’hardware intelligente e da persone con esperienza nel settore della stampa 3D. L’azienda indica come CEO Jagger Shang e come CTO Jerry Hu, al quale attribuisce più di dodici anni di esperienza e la partecipazione allo sviluppo di oltre dieci stampanti 3D consumer.
La società è collegata all’ecosistema di Dreame Technology, conosciuta soprattutto per aspirapolvere robot, dispositivi per la casa e sistemi dotati di motori ad alta velocità. Atom Reshape avrebbe adattato al settore della stampa 3D alcune competenze maturate nell’ambito dei motori, della riduzione del rumore, della visione artificiale e degli algoritmi di controllo.
Nel 2025 l’azienda ha ottenuto un finanziamento angel da Zhuichuang Venture Capital destinato allo sviluppo dei prodotti, al rafforzamento del gruppo di lavoro e all’espansione commerciale. La strategia dichiarata prevedeva un orientamento iniziale verso i mercati europei e americani.
Il deposito di una domanda dedicata al controllo delle vibrazioni è quindi coerente con il tentativo dell’azienda di costruire una propria base tecnologica nel segmento delle stampanti 3D consumer ad alta velocità.
Dal brevetto a una stampante commerciale
La proposta di Atom Reshape parte da una considerazione concreta: una stampante non vibra necessariamente allo stesso modo in ogni punto del piano.
L’input shaping tradizionale utilizza parametri capaci di offrire un buon compromesso generale. Il sistema descritto dal brevetto cerca invece di sostituire questo compromesso con una compensazione che si adatta alla posizione della testina, alla temperatura e alle condizioni dinamiche della macchina.
Per trasformare il progetto in una funzione realmente utile saranno però necessari tempi di calibrazione contenuti, sensori affidabili, firmware sufficientemente veloce e un’interfaccia che non richieda competenze specialistiche.
Dovranno inoltre essere pubblicati confronti eseguiti sulla stessa macchina, con e senza compensazione spaziale, valutando non soltanto l’aspetto delle pareti ma anche precisione dimensionale, perdita dei dettagli, rumore, accelerazione massima e stabilità nelle stampe di lunga durata.
Fino a quel momento, CN122299938A rimane una domanda di brevetto che descrive una possibile direzione di sviluppo. Non dimostra ancora che il metodo sia superiore ai sistemi adottati da Klipper, Marlin o dai principali produttori di stampanti CoreXY.
La parte più interessante è comunque il cambiamento di prospettiva: il ringing non viene più trattato come un’unica caratteristica della stampante, ma come un fenomeno che può variare nello spazio e nel tempo. Se questa impostazione verrà implementata con una procedura automatica e affidabile, potrebbe contribuire a migliorare l’uniformità delle stampe realizzate ad alta velocità, soprattutto sulle macchine CoreXY di grandi dimensioni.
