La geometria dell’ugello come collo di bottiglia nella stampa FFF ad alta velocità
Nella stampa 3D FFF/FDM gli sforzi per aumentare la velocità di produzione si sono concentrati negli ultimi anni su motori più potenti, estrusori a spinta elevata e hotend in grado di gestire portate sempre maggiori. Tuttavia, il limite fisico rimane spesso l’ugello: è qui che la perdita di carico del polimero fuso determina quanta forza deve esercitare l’estrusore e, di conseguenza, qual è il massimo throughput realmente raggiungibile in modo affidabile. La letteratura mostra come l’aumento di velocità di stampa faccia crescere rapidamente le perdite di pressione all’interno del nozzle, con un impatto sia sulla qualità delle parti sia sul rischio di under-extrusion e intasamenti.
Lo studio: un framework numerico per ottimizzare la forma dell’ugello FDM
Il lavoro “Numerical Optimization of Nozzle Shapes for Fused Deposition Modeling” è firmato da Steffen Tillmann, Felipe A. González e Stefanie Elgeti, ricercatori della Chair for Computational Analysis of Technical Systems (CATS) della RWTH Aachen University e dell’Institute of Lightweight Design and Structural Biomechanics della TU Wien. L’obiettivo è esplicito: ottimizzare la forma interna dell’ugello per minimizzare la perdita di pressione a parità di portata, senza toccare altri elementi dell’hotend.
Gli autori costruiscono un framework numerico che permette di trattare l’ottimizzazione in due modi:
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una parametrizzazione semplice, basata solo sull’angolo di apertura di un profilo conico;
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una parametrizzazione spline, più flessibile, che consente di modellare curvature complesse lungo il canale interno.
Entrambi gli approcci sono integrati in una pipeline di simulazione e ottimizzazione che calcola la distribuzione di pressione, il campo di velocità e la perdita di carico complessiva lungo il nozzle, usando metodi agli elementi finiti.
Due modelli di materiale: viscoso non newtoniano e viscoelastico
Per descrivere il comportamento del polimero fuso all’interno dell’ugello, il team confronta due famiglie di modelli costitutivi usate di frequente nella simulazione del processo FDM:
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un modello viscoso dipendente dalla temperatura, di tipo generalized Newtonian (fluido non newtoniano a viscosità variabile), che incorpora shear thinning e dipendenza termica della viscosità;
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un modello viscoelastico isoterma, che mantiene la temperatura costante ma tiene conto della memoria elastica del polimero (stress relaxation, storia di deformazione, effetti di allungamento nel condotto).
Nella letteratura FDM vengono riportati Weissenberg number relativamente bassi (Wi ~ 0,02–0,8) per tipiche condizioni di processo, ma la presenza di flusso fortemente allungato nel nozzle rende i modelli viscoelastici adatti a catturare fenomeni come instabilità elastiche o zone di ricircolo a monte della strozzatura. Queste possono aumentare ulteriormente la perdita di pressione e portare materiale parzialmente fuso nella zona di convergenza.
Forme considerate: cono semplice contro profili spline
La geometria indagata nello studio è volutamente limitata al solo canale interno dell’ugello, escludendo heatbreak, zona di fusione nel blocco riscaldante e ingressi da monte: in questo modo si isola il contributo puro della forma interna alla perdita di pressione.
Le due famiglie di forme sono:
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Ugello conico: definito sostanzialmente da un unico parametro chiave, il mezzo angolo di apertura (half-opening angle). Variando questo angolo, si passa da geometrie molto strette (conici “lunghi”) a passaggi più aperti e corti.
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Ugello spline-based: la parete interna è descritta da una curva spline con più gradi di libertà; ciò permette di inserire leggeri allargamenti, tratti quasi cilindrici o transizioni più morbide fra sezione di ingresso e di uscita, sempre con l’obiettivo di ridurre vortici e zone di alta dissipazione.
L’ottimizzazione consiste nel trovare, per una data portata e per ognuno dei due modelli di materiale, il set di parametri geometrici che porta alla minima perdita di carico tra ingresso e uscita dell’ugello.
Risultati: il cono “giusto” vale quasi quanto una forma spline complessa
I risultati numerici sono interessanti perché forniscono indicazioni direttamente utilizzabili dai produttori di hotend e nozzle per FFF/FDM.
Per il modello viscoso (non newtoniano):
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il mezzo angolo di apertura ottimale dipende fortemente dalla portata / feeding rate;
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a portate elevate l’angolo ideale tende a valori intorno ai 30°, dove si ottiene un buon compromesso tra accelerazione del flusso e perdita di carico;
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a portate più basse l’angolo ottimale si sposta verso valori più grandi, perché il flusso è meno “stressato” e può beneficiare di una convergenza più lenta.
Per il modello viscoelastico:
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la dipendenza dell’angolo ottimale dal feeding rate risulta molto più debole;
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si osserva quindi una finestra di angoli accettabili più ampia, in cui la perdita di pressione rimane relativamente bassa anche al variare della portata.
Un altro risultato chiave è che le forme spline non apportano riduzioni di perdita di carico drasticamente superiori rispetto a un cono ben dimensionato: i guadagni extra sono descritti dagli autori come marginali. Per la pratica industriale questo significa che un profilo interno conico, scelto con l’angolo giusto, è già una soluzione molto efficiente, senza necessità di geometrie estreme difficili da produrre o pulire.
Implicazioni per hotend, nozzle e stampanti FFF/FDM ad alta velocità
Lo studio conferma quantitativamente un’idea che chi sviluppa hardware FFF conosce già intuitivamente: la maggior parte della perdita di pressione si concentra nell’ugello, non nella parte più ampia del liquefier. Ottimizzare la forma interna è quindi una leva diretta per:
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aumentare il throughput a parità di forza sul filamento;
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ridurre lo sforzo dell’estrusore per un dato flusso, con meno step persi e meno usura;
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stabilizzare l’estrusione in scenari di alta accelerazione e jerk elevato, tipici delle stampanti di nuova generazione e delle print farm per produzione in serie.
In parallelo, sul fronte industriale si vedono già soluzioni hardware che provano a controllare il flusso con geometrie non convenzionali: ad esempio ugelli multi-canale o biforcati, come il SiC Y-Tip di Fly-AssNozzle, pensato per ridurre punti caldi e occlusioni modificando radicalmente la geometria interna rispetto al classico cono singolo.
Allo stesso tempo, alcune aziende come AON3D lavorano sul software e sul G-code “consapevole della fisica” per comprimere i tempi di stampa FFF senza peggiorare la qualità, ottimizzando accelerazioni, portate e traiettorie in base a modelli del flusso e della meccanica del sistema. Un nozzle progettato secondo criteri come quelli di Tillmann e colleghi si integra perfettamente con queste strategie, perché offre una riserva di margine di pressione che il G-code può sfruttare.
Limiti dello studio e passi successivi possibili
Sia l’articolo di 3Druck.com sia gli autori della pubblicazione sottolineano che il lavoro è puramente numerico: non vengono fornite geometrie di nozzle “finite” pronte da produrre, né viene svolta una validazione sperimentale su hotend reali. Inoltre il modello si concentra sulla sola sezione convergente, lasciando volutamente fuori:
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l’intera zona di fusione del filamento nel blocco riscaldante;
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le condizioni all’ingresso (lubrificazione, contatto parziale o scorrimento sulla parete);
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i dettagli della distribuzione di temperatura lungo l’ugello, che altre ricerche CFD mostrano essere cruciali per evitare intasamenti e difetti.
Altri studi richiamati in letteratura e su stamparein3d.it hanno affrontato il tema dei flussi complessi nella stampa FFF da altre angolazioni:
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l’uso di CFD per simulare il flusso estruso dall’ugello e collegarlo alla forma del cordone e alla precisione dimensionale;
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approcci ispirati alla microfluidica, che sfruttano canali e dispositivi miniaturizzati per studiare problemi come shear thinning, instabilità e formazione di goccioline nei materiali estrusi.
In prospettiva, l’evoluzione naturale del lavoro di RWTH Aachen e TU Wien sarà:
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combinare l’ottimizzazione della forma con modelli termo-fluidi completi (inclusa la zona di fusione);
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studiare l’impatto di materiali diversi (polimeri caricati, compositi abrasivi, materiali ad alta viscosità);
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validare sperimentalmente i nozzle ottimizzati su stampanti ad alta velocità, misurando forza di avanzamento, portata effettiva e qualità delle parti.
