L’Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Dipartimento dell’Energia USA) ha descritto un nuovo sistema di estrusione per stampa 3D che combina più estrusori “piccoli” in un unico flusso ad alta portata, ottenuto tramite blocchi ugello progettati per fondere i flussi senza dover montare un estrusore singolo molto grande e pesante. L’obiettivo dichiarato è ridurre il compromesso tipico dei sistemi a estrusione di grande formato: più portata spesso significa meno controllo alle basse portate, con instabilità di flusso quando si devono realizzare dettagli o geometrie con variazioni di sezione. Il concetto modulare consente di aggiungere o disattivare estrusori a seconda della fase di stampa, cercando di mantenere qualità e ripetibilità.
Architettura “multiplexed”: più estrusori, un’unica uscita
Il cuore del sistema è la logica “multiplexed”: anziché aumentare la taglia di un singolo estrusore (con massa e inerzie che richiedono portali/robot più robusti), ORNL convoglia due flussi di polimero fuso provenienti da estrusori in parallelo dentro un blocco ugello dedicato. In questa impostazione, la portata complessiva cresce “per somma”, ma la testa può restare più gestibile dal punto di vista meccanico. ORNL indica anche l’uso di feedstock a pellet per configurazioni di grande formato e sottolinea la possibilità di scalare ulteriormente il concetto (da raddoppio verso moltiplicazioni successive).
Materiale e costruzione del blocco ugello: perché bronzo di alluminio
Secondo ORNL, i blocchi ugello sono coperti da brevetto (patent-pending) e realizzati in bronzo di alluminio, scelto per combinare resistenza meccanica e buona conducibilità termica, utile a stabilizzare il profilo termico e la viscosità del fuso nella zona di fusione dei flussi. La scelta del materiale del blocco, insieme alla geometria interna, è presentata come un elemento chiave per mantenere stabilità del flusso e coerenza del cordolo estruso quando la portata aumenta.
Geometria interna: ugello a “Y” e riduzione della porosità centrale
ORNL segnala che, oltre a fondere i flussi, la geometria dell’ugello è studiata per ridurre la porosità al centro della bead attraverso una configurazione a “Y”. Nelle estrusioni di grande sezione, difetti interni e discontinuità possono emergere quando i flussi non si uniscono in modo uniforme o quando la sezione cresce più velocemente della capacità di trasferire calore e pressione in modo omogeneo. Il design a Y viene citato come soluzione per migliorare la qualità del cordolo.
Multi-materiale dentro la stessa bead: core-and-sheath e controllo della contaminazione
Un passaggio rilevante è la dimostrazione di estrusione multi-materiale nella stessa bead senza cambi utensile: ORNL descrive un ugello proprietario capace di generare cordoli core-and-sheath (materiale “anima” rivestito da un materiale “guaina”). In questa logica, le proprietà possono essere “impacchettate” nel singolo cordolo: ad esempio una guaina per resistenza superficiale/adesione e un’anima per rigidità, smorzamento o funzioni specifiche. ORNL collega questa capacità anche alla riduzione di problemi come la delaminazione tra strati, citando miglioramenti potenziali nell’adesione interlayer e nella separazione funzionale dei materiali, oltre all’attenzione alla cross-contamination (mescolamento involontario).
Velocità/portata: cosa dice ORNL sui risultati
ORNL parla di raddoppio della portata in modo consistente e di “promessa” di scalare ulteriormente (triplicare, quadruplicare, ecc.) con configurazioni successive. Il punto pratico è che una testa più leggera con estrusori modulari mira a ottenere portate da grande formato senza pagare tutto il costo in precisione quando la stampa entra in fasi più lente o più dettagliate: l’idea è attivare meno estrusori per abbassare la portata mantenendo stabilità e poi riattivarli dove serve throughput.
Contesto industriale: multi-materiale e produttività, approcci diversi
Il tema “più materiali e più produttività” è affrontato con architetture differenti anche nel mercato: ad esempio Bondtech INDX (con Prusa Research) propone un sistema multi-materiale basato su tool/utensili “passivi” e una testa intelligente per puntare a cambi rapidi e contaminazione ridotta nel segmento FFF compatto. Nel grande formato, BigRep VIIO 250 integra doppi estrusori (SMX) per lavorare su materiali ingegneristici e compositi fino a temperature elevate. Il sistema ORNL si colloca in una linea distinta: non è un semplice “doppio estrusore”, ma un accoppiamento modulare di più estrusori che confluiscono in un’unica uscita per sommare portata mantenendo una testa gestibile e abilitare multi-materiale dentro lo stesso cordolo.
Programma e soggetti coinvolti: MDF, SM2ART e finanziamento DOE
ORNL indica che il lavoro è stato svolto presso la Manufacturing Demonstration Facility (MDF) e inquadrato anche nel programma SM2ART con la University of Maine. Nel team sono citati (tra gli altri) Halil Tekinalp come lead, oltre a vari ricercatori ORNL; viene menzionato anche Vipin Kumar come technical lead. Il finanziamento è attribuito al DOE e all’Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office (AMMTO).
