Una domanda di brevetto depositata da Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. descrive una stampante 3D FFF dotata di un sistema meccanico e pneumatico capace di coprire automaticamente l’ugello quando l’estrusore non è in funzione.
La soluzione è progettata per proteggere una delle parti più esposte della testina di stampa da polvere, urti accidentali e residui di materiale. Il documento include anche un secondo elemento tecnico: un ugello rotante provvisto di scanalature interne elicoidali, concepito per accompagnare il polimero fuso verso l’uscita e rendere l’estrusione più uniforme.
La domanda di brevetto, identificata dal numero CN122343546A, è stata pubblicata in Cina il 7 luglio 2026. La pubblicazione non equivale alla disponibilità di un prodotto commerciale e non dimostra che la soluzione sia stata validata su una macchina destinata alla vendita. Il documento permette però di analizzare il modo in cui Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. intende affrontare alcuni problemi ricorrenti della stampa a estrusione di filamento.
Perché proteggere l’ugello di una stampante FFF
Nella stampa 3D FFF, il filamento termoplastico viene spinto all’interno di un hot end, riscaldato fino a raggiungere uno stato viscoso ed estruso attraverso un foro di piccolo diametro. L’ugello si trova nella parte inferiore della testina e rimane normalmente esposto sia durante il funzionamento sia quando la macchina è inattiva.
Questa configurazione semplifica il deposito del materiale, consente di osservare la prima linea estrusa e limita gli ingombri attorno al pezzo. Presenta però alcuni inconvenienti.
Quando la stampante resta inutilizzata, sull’ugello possono depositarsi polvere, fibre e particelle presenti nell’ambiente. In un laboratorio aperto, in una scuola, in un’officina o in un reparto produttivo, la quantità di contaminanti può essere superiore a quella presente in uno spazio controllato.
Un urto contro la testina può inoltre danneggiare l’ugello, il blocco riscaldante, il sensore di temperatura o l’elemento riscaldante. Il rischio cresce quando l’operatore interviene vicino alla macchina per rimuovere un pezzo, pulire il piano o eseguire attività di manutenzione.
Un’altra difficoltà riguarda il materiale che fuoriesce dall’ugello durante il riscaldamento. Una piccola quantità di polimero può colare prima dell’avvio della stampa, raffreddarsi sulla punta e formare un deposito. Se il residuo non viene rimosso, può essere trascinato sulla superficie del piano o incorporato nel primo strato.
Con materiali lavorati a temperature elevate, il polimero rimasto a lungo nella zona calda può degradarsi, annerirsi e aderire alle superfici metalliche. Una protezione potrebbe limitare il contatto dell’ugello inattivo con l’ambiente, ma non eliminerebbe la necessità di pulizia e manutenzione.
Perché una copertura fissa non sarebbe sufficiente
Una protezione permanentemente collocata attorno alla punta dell’ugello interferirebbe con la stampa.
La parte inferiore della testina deve avvicinarsi al piano fino a distanze dell’ordine di pochi decimi di millimetro. Durante il lavoro, l’ugello passa inoltre vicino a pareti, supporti, riempimenti e dettagli già depositati.
Una copertura troppo bassa potrebbe urtare il modello. Una copertura larga potrebbe ridurre l’accessibilità nelle zone strette, limitare la visuale dell’operatore e ostacolare il raffreddamento del materiale. Potrebbe anche trattenere calore attorno al blocco riscaldante, modificando il comportamento termico della testina.
Per evitare questi problemi, il dispositivo deve liberare completamente l’area operativa prima dell’estrusione e richiudersi soltanto quando la stampante è ferma.
La soluzione più diretta sarebbe utilizzare un piccolo servomotore o un attuatore elettrico dedicato. Questo approccio richiederebbe però un motore aggiuntivo, un cablaggio, un’uscita elettronica, sensori di posizione e una gestione specifica da parte del firmware.
Come funziona la protezione retrattile descritta da Suzhou Zhisheng Model Technology
Il progetto di Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. tenta di evitare un attuatore elettrico separato sfruttando il movimento già prodotto dal sistema di alimentazione del filamento.
Quando il motore dell’estrusore gira, una trasmissione composta da cinghia e pulegge preleva una parte del moto rotatorio. Il movimento viene convertito in un’azione alternata che aziona un piccolo pistone.
Il pistone è collegato, tramite un condotto, a una camera deformabile situata vicino alla protezione dell’ugello. Il movimento ripetuto del pistone estrae gradualmente aria dal circuito, riducendo la pressione all’interno della camera.
Contraendosi, la camera tira la piastra protettiva e la allontana dalla traiettoria dell’ugello. In questo modo l’estrusione stessa diventa il comando che apre il riparo.
Il circuito comprende anche valvole incaricate di controllare la direzione e la velocità del flusso d’aria. La loro funzione è mantenere la depressione per un certo intervallo, evitando che la copertura ritorni immediatamente in posizione ogni volta che il motore dell’estrusore si arresta per pochi istanti.
Quando l’alimentazione del filamento rimane ferma abbastanza a lungo, l’aria rientra nel circuito. Una molla di torsione riporta quindi la protezione davanti all’ugello.
Il sistema non richiederebbe un comando elettronico autonomo: la posizione della protezione sarebbe determinata dall’attività dell’estrusore e dal comportamento pneumatico del circuito.
Il ruolo della depressione e delle valvole
La parte più delicata del progetto è la gestione del tempo.
In una stampa FFF il motore dell’estrusore non ruota in modo continuo. Il flusso di materiale viene interrotto durante gli spostamenti a vuoto, le operazioni di retrazione, i cambi di zona e alcune procedure definite dal software di slicing.
La protezione non deve chiudersi durante queste brevi pause, perché potrebbe urtare il pezzo o trovarsi davanti all’ugello quando l’estrusione riprende.
Per questo motivo Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. prevede che la depressione venga rilasciata lentamente. Il circuito pneumatico dovrebbe agire come una memoria meccanica temporanea: anche quando il pistone smette di lavorare, la camera rimane contratta per un determinato periodo.
Il comportamento effettivo dipenderebbe da diversi fattori. Tra questi rientrano il volume della camera, la rigidità del materiale deformabile, la portata delle valvole, la lunghezza del tubo, la forza della molla e la qualità delle guarnizioni.
Piccole perdite d’aria potrebbero modificare il tempo di chiusura. Anche la temperatura potrebbe influenzare l’elasticità della camera e la tenuta dei componenti.
Il brevetto illustra il principio, ma non fornisce dati sufficienti per stabilire la durata precisa della depressione nelle differenti condizioni operative.
Cosa accadrebbe durante le retrazioni del filamento
Le retrazioni costituiscono uno dei principali punti da verificare.
Durante una retrazione, il motore dell’estrusore inverte la rotazione per richiamare una piccola quantità di filamento e diminuire la pressione nell’hot end. Dopo lo spostamento della testina, il motore gira nel verso opposto per ripristinare il materiale.
Poiché il sistema brevettato deriva il proprio movimento dalla trasmissione dell’estrusore, deve essere progettato in modo che entrambe le direzioni di rotazione producano il comportamento pneumatico previsto o che il meccanismo distingua tra alimentazione e retrazione.
Una sequenza composta da molte retrazioni potrebbe generare pulsazioni frequenti nel pistone. Queste pulsazioni potrebbero mantenere la protezione aperta, ma aumenterebbero anche il numero di cicli meccanici sostenuti da cinghia, pulegge, pistone e valvole.
La durata di questi componenti dovrebbe essere verificata con test di funzionamento prolungato. Una stampa complessa può comprendere migliaia di retrazioni, mentre una stampante utilizzata in un ambiente produttivo può lavorare per molte ore ogni giorno.
Il comportamento durante le pause di stampa
Una pausa lunga introduce un problema differente.
Le stampanti FFF possono interrompersi per consentire il cambio del filamento, l’inserimento di un componente, un controllo manuale o la risoluzione di un’anomalia. La testina può rimanere calda mentre l’estrusore è fermo.
Se la protezione si chiudesse durante la pausa, potrebbe entrare in contatto con un ugello a temperatura elevata. Il materiale utilizzato per il riparo dovrebbe quindi resistere al calore irradiato e condotto dalla testina.
La copertura potrebbe anche modificare la circolazione dell’aria attorno all’hot end o raccogliere il materiale che continua a fuoriuscire dalla punta. Alla ripresa della stampa, il residuo potrebbe essere trascinato dal movimento di apertura.
Se invece il circuito venisse regolato per mantenere la protezione aperta per un periodo molto lungo, la funzione di protezione perderebbe efficacia durante le vere fasi di inattività.
Un’applicazione pratica richiederebbe quindi una distinzione affidabile tra arresti brevi, pause controllate e spegnimento della macchina. Ottenere questa distinzione soltanto attraverso valvole, molle e variazioni di pressione potrebbe risultare più difficile rispetto a una gestione elettronica.
Una soluzione priva di motore aggiuntivo, ma non priva di complessità
L’assenza di un attuatore autonomo non rende necessariamente il sistema semplice.
Il progetto aggiunge alla testina una cinghia, pulegge, ingranaggi, un pistone, un tubo, valvole, una camera deformabile, una molla e una piastra mobile. Ogni elemento introduce tolleranze di produzione, attrito, usura e possibili modalità di guasto.
Anche il montaggio richiederebbe attenzione. Il circuito deve essere sufficientemente ermetico, il riparo deve muoversi senza interferenze e la molla deve esercitare una forza adeguata. Un componente montato in modo impreciso potrebbe impedire l’apertura completa della protezione.
La manutenzione rappresenta un ulteriore aspetto. Polvere e frammenti di filamento potrebbero penetrare nelle parti mobili. La camera deformabile potrebbe perdere elasticità, mentre i tubi potrebbero irrigidirsi o scollegarsi.
In un prodotto commerciale, Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. dovrebbe confrontare il costo di questi componenti con quello di un piccolo attuatore elettrico comandato dal firmware.
L’aumento della massa sulla testina
La massa della testina influenza accelerazioni, vibrazioni e qualità superficiale.
Nelle stampanti cartesiane in cui l’intero gruppo estrusore si muove lungo gli assi X e Y, ogni elemento aggiuntivo deve essere accelerato e frenato insieme all’hot end. Una testina più pesante può richiedere velocità e accelerazioni inferiori per evitare oscillazioni.
Il problema è meno rilevante nelle architetture in cui il motore dell’estrusore è fissato al telaio e il filamento viene guidato attraverso un tubo. Il brevetto sembra però descrivere una testina con un insieme articolato di componenti collocati vicino all’ugello.
L’incremento di massa potrebbe incidere sul ringing, noto anche come ghosting, cioè la comparsa di ondulazioni sulle superfici in corrispondenza dei cambi di direzione.
I produttori di stampanti ad alta velocità cercano generalmente di contenere il peso delle parti mobili. Aziende come Prusa Research, Bambu Lab, UltiMaker, Creality, ELEGOO ed E3D lavorano su hot end compatti, sistemi di raffreddamento ottimizzati e percorsi del filamento ridotti. Un dispositivo protettivo deve quindi offrire un beneficio sufficiente a giustificare l’aumento di massa.
Il secondo elemento del brevetto: l’ugello rotante
La domanda di brevetto di Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. non si limita alla copertura retrattile. La stessa trasmissione meccanica viene utilizzata per far ruotare l’ugello.
Secondo il progetto, attorno all’ugello sono disposti ingranaggi che trasferiscono la rotazione proveniente dal sistema di alimentazione. All’interno del condotto sono presenti scanalature elicoidali.
L’idea è che la combinazione tra rotazione e geometria a spirale favorisca il movimento del materiale fuso verso il foro di uscita. Il brevetto attribuisce al sistema la possibilità di rendere l’estrusione più rapida e omogenea.
Il concetto richiama il funzionamento di una vite di estrusione, utilizzata nelle macchine industriali per trasportare, comprimere e miscelare il materiale. In un estrusore tradizionale a vite, però, la geometria, la lunghezza, la temperatura e il rapporto tra diametro e passo vengono progettati come parte di un sistema integrato.
In una normale testina FFF alimentata a filamento, il materiale viene spinto principalmente dal filamento solido che entra nella zona calda. Integrare un movimento rotatorio nella parte terminale del percorso richiede una progettazione diversa da quella degli hot end convenzionali.
Le difficoltà tecniche di un ugello che ruota ad alta temperatura
Un ugello rotante deve mantenere una tenuta efficace mentre contiene polimero fuso sottoposto a pressione.
Negli hot end convenzionali, l’ugello viene serrato contro un heat break o un elemento interno per impedire al materiale di fuoriuscire attraverso le filettature. Il serraggio a caldo viene utilizzato proprio per compensare l’espansione termica e creare un contatto stabile tra le superfici.
Se l’ugello deve ruotare, non può essere bloccato nello stesso modo. Il sistema necessita di una superficie di tenuta, di un supporto meccanico e di un metodo per limitare le perdite senza generare un attrito eccessivo.
Cuscinetti, boccole e guarnizioni dovrebbero lavorare vicino al blocco riscaldante. A seconda del materiale, la temperatura dell’ugello può superare i 200 o i 250 °C e raggiungere valori superiori per tecnopolimeri come policarbonato, nylon o PEEK.
Lubrificanti convenzionali e guarnizioni comuni potrebbero degradarsi in queste condizioni. Sarebbero necessari materiali compatibili con il calore, con il polimero fuso e con i cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento.
Anche la concentricità sarebbe importante. Un ugello che ruota fuori asse modificherebbe la posizione del foro di estrusione e potrebbe produrre variazioni periodiche nella larghezza della linea depositata.
L’effetto delle scanalature elicoidali sul flusso
La geometria interna dell’ugello influenza la pressione necessaria per spingere il materiale, il tempo di permanenza del polimero nella zona calda e la forma del flusso.
Studi dedicati alla produzione additiva per estrusione hanno mostrato che la contrazione interna dell’ugello e le proprietà reologiche del polimero possono modificare in modo significativo la perdita di pressione. PLA, ABS, PETG, nylon e materiali caricati non si comportano nello stesso modo quando vengono riscaldati e sottoposti a taglio.
Le scanalature elicoidali proposte da Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. potrebbero aumentare il mescolamento, ma potrebbero anche creare zone nelle quali il materiale rimane intrappolato.
La permanenza prolungata vicino alle pareti calde può causare degradazione termica, cambiamenti di colore e formazione di residui carbonizzati. Il rischio aumenta durante i cambi di materiale e nelle pause.
Con filamenti caricati con fibre di carbonio, fibre di vetro, particelle metalliche o pigmenti abrasivi, le scanalature e le superfici di tenuta potrebbero inoltre consumarsi. Aziende come E3D, Slice Engineering, Dyze Design e Micro Swiss propongono ugelli in acciaio temprato, carburo di tungsteno, leghe di rame rivestite o materiali compositi proprio per rispondere a differenti requisiti termici e di resistenza all’usura.
Pulizia e cambio del materiale
Un percorso interno più complesso rende più difficile la pulizia dell’hot end.
Nelle testine convenzionali, l’operatore può rimuovere l’ugello, eseguire una procedura di cold pull oppure utilizzare un ago di diametro adeguato. Un ugello dotato di ingranaggi, tenute e scanalature rotanti potrebbe richiedere uno smontaggio più articolato.
Il cambio tra materiali diversi rappresenterebbe un’altra prova importante. I residui presenti nelle scanalature potrebbero contaminare il nuovo filamento. Questo aspetto sarebbe rilevante nella stampa multicolore, nelle applicazioni alimentari sperimentali o nella produzione di componenti nei quali la composizione deve rimanere controllata.
La facilità di sostituzione è diventata un criterio importante nel mercato desktop. E3D ha sviluppato sistemi a cambio rapido come Revo, mentre Prusa Research, Bambu Lab, Creality ed ELEGOO utilizzano gruppi hot end sostituibili o moduli progettati per ridurre i tempi di manutenzione.
Una testina con ugello rotante dovrebbe offrire procedure altrettanto accessibili per essere competitiva.
Il confronto con i sistemi di pulizia già utilizzati
La protezione descritta nel brevetto non è l’unico modo per gestire residui e contaminazione.
Molte stampanti utilizzano una spazzola metallica o polimerica montata sul telaio. Prima della stampa, la testina passa sulla spazzola e rimuove il materiale aderente all’ugello.
Altri sistemi impiegano una zona di spurgo, una torre di pulizia o un piccolo contenitore nel quale viene depositato il polimero estruso durante l’avvio e il cambio di colore.
Le macchine di Bambu Lab utilizzano procedure automatizzate di spurgo e pulizia associate al cambio del filamento. Alcune configurazioni di Prusa Research impiegano superfici di pulizia o movimenti dedicati alla preparazione dell’ugello. Le piattaforme industriali possono integrare stazioni di manutenzione separate dall’area di costruzione.
Queste soluzioni non coprono l’ugello quando la macchina è spenta, ma hanno il vantaggio di non aggiungere un sistema pneumatico articolato alla testina mobile.
Una protezione retrattile potrebbe avere maggiore utilità in ambienti molto polverosi o su macchine che restano ferme per lunghi intervalli. Nella maggior parte delle stampanti desktop, una calza in silicone, una spazzola e una corretta procedura di avvio possono però risolvere una parte consistente dei problemi considerati dal brevetto.
La differenza tra protezione dell’ugello e calza in silicone
Le calze in silicone sono già utilizzate da numerosi produttori, tra cui E3D, Prusa Research, Bambu Lab, Creality, UltiMaker, Slice Engineering e Micro Swiss.
La calza copre il blocco riscaldante lasciando libera la punta dell’ugello. Serve a ridurre la dispersione termica, proteggere il blocco dagli accumuli di plastica e limitare l’adesione del materiale alle superfici laterali.
Non protegge però il foro di uscita dalla polvere e non impedisce un urto diretto sulla punta.
La soluzione di Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. avrebbe quindi una funzione diversa. Potrebbe essere utilizzata insieme a una calza in silicone, purché gli ingombri e le temperature siano compatibili.
Possibili applicazioni in scuole, fab lab e officine
Il dispositivo potrebbe trovare una motivazione più chiara in contesti nei quali le stampanti vengono utilizzate da molti operatori o sono esposte a condizioni ambientali variabili.
In una scuola, la protezione potrebbe ridurre il rischio che uno studente tocchi accidentalmente l’ugello dopo una stampa. Tuttavia, una copertura posta sopra una parte ancora calda dovrebbe essere chiaramente segnalata, perché il riparo stesso potrebbe raggiungere temperature pericolose.
In un fab lab, la macchina può restare inattiva in presenza di polvere generata da lavorazioni CNC, taglio, levigatura o manipolazione di materiali. Una copertura potrebbe mantenere più pulita la zona terminale dell’hot end.
In un’officina industriale, il sistema dovrebbe resistere a particelle, vapori, cicli intensivi e interventi di manutenzione frequenti. La robustezza richiesta sarebbe superiore a quella di un prototipo dimostrativo.
Nelle stampanti racchiuse in una camera chiusa, il beneficio potrebbe essere minore, perché l’involucro protegge già la testina dall’ambiente esterno. La temperatura interna elevata renderebbe inoltre più difficile l’impiego di tubi, membrane e guarnizioni pneumatiche.
La sicurezza non dipende soltanto dalla copertura
Una protezione meccanica non risolve tutti i rischi associati a una testina calda.
La sicurezza richiede controlli termici affidabili, firmware con protezione contro la fuga termica, sensori correttamente installati e componenti elettrici dimensionati in modo adeguato.
Aziende come Prusa Research, Bambu Lab, UltiMaker, Creality ed ELEGOO integrano funzioni di monitoraggio termico nelle proprie macchine. Anche i firmware open source, tra cui Marlin e Klipper, includono controlli destinati a rilevare variazioni anomale della temperatura.
Il riparo descritto da Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. dovrebbe essere progettato in modo da non nascondere perdite di materiale, fumo o danni visibili. Se la protezione intrappolasse polimero degradato vicino alla zona calda, potrebbe rendere più difficile individuare un problema.
Le verifiche necessarie prima di una possibile commercializzazione
Per trasformare il brevetto in un componente industriale sarebbero necessari test su più livelli.
Il primo riguarda l’affidabilità del sistema retrattile. Il meccanismo dovrebbe essere sottoposto a un numero elevato di cicli di apertura e chiusura, verificando usura, perdite pneumatiche e variazioni dei tempi di risposta.
Il secondo riguarda le collisioni. La protezione dovrebbe aprirsi completamente prima che la testina si avvicini al piano o al pezzo. Un sensore di posizione potrebbe aumentare la sicurezza, ma introdurrebbe elettronica e controllo software.
Il terzo riguarda la resistenza termica. Camera, tubo, valvole, molla e piastra dovrebbero funzionare senza deformazioni nelle temperature raggiunte dalla testina e dall’eventuale camera riscaldata.
Il quarto riguarda l’estrusione. L’ugello rotante dovrebbe essere confrontato con un ugello convenzionale misurando portata volumetrica, pressione, uniformità della linea, stabilità dimensionale, consumo energetico e qualità superficiale.
Il quinto riguarda la manutenzione. Il tempo necessario per pulire, smontare e sostituire i componenti deve essere compatibile con l’impiego previsto.
Un brevetto non coincide con un prodotto pronto
La pubblicazione della domanda CN122343546A indica che Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. intende proteggere una specifica architettura tecnica. Non significa che il sistema sia già disponibile, che verrà necessariamente prodotto o che le rivendicazioni saranno concesse senza modifiche.
Le aziende depositano brevetti per tutelare progetti in fase di sviluppo, costruire un portafoglio di proprietà intellettuale, impedire a concorrenti di occupare una determinata area tecnica o conservare opzioni per prodotti futuri.
Alcuni brevetti diventano componenti commerciali. Altri restano documenti tecnici e non raggiungono mai la produzione.
Nel caso della protezione retrattile, il principio di utilizzare il moto dell’estrusore per azionare automaticamente il riparo è interessante dal punto di vista meccanico. L’effettiva utilità dipende però dal rapporto tra il problema risolto e la complessità introdotta.
Il possibile valore delle singole idee contenute nel brevetto
Anche se l’intero sistema risultasse troppo complesso, alcuni suoi elementi potrebbero essere sviluppati separatamente.
La protezione potrebbe essere semplificata eliminando l’ugello rotante. Potrebbe essere azionata da un piccolo servomotore o da un solenoide già controllato dalla scheda della stampante.
Il riparo potrebbe inoltre essere montato sul telaio anziché sulla testina, creando una stazione di parcheggio che copre l’ugello quando la macchina conclude il lavoro.
La componente pneumatica potrebbe essere sostituita da un meccanismo a camma azionato dalla posizione della testina. Portando il carrello in un punto prestabilito, la stampante potrebbe aprire o chiudere il riparo senza aggiungere massa all’insieme mobile.
L’ugello con scanalature elicoidali potrebbe invece essere studiato come componente indipendente, confrontando la geometria interna con quella dei nozzle ad alta portata già sviluppati da aziende come E3D, Bondtech, Slice Engineering e Dyze Design.
Una soluzione ingegnosa che deve dimostrare la propria convenienza
Il brevetto di Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. affronta problemi reali: protezione della punta, contaminazione dell’ugello, residui di polimero e regolarità dell’estrusione.
La proposta evita un motore dedicato, ma lo sostituisce con un sistema composto da numerose parti meccaniche e pneumatiche. A questo si aggiunge un ugello rotante che deve lavorare ad alta temperatura mantenendo tenuta, precisione e facilità di manutenzione.
La valutazione non dipende quindi soltanto dalla capacità del dispositivo di funzionare. Deve essere confrontata con soluzioni più semplici, come spazzole, stazioni di pulizia, calze in silicone, procedure automatiche di spurgo e coperture azionate elettricamente.
La domanda di brevetto offre uno spunto sul possibile sviluppo delle testine FFF, ma non contiene ancora dati sufficienti per stabilire se la protezione retrattile e l’ugello rotante possano aumentare l’affidabilità complessiva di una stampante.
Il passaggio decisivo sarebbe la costruzione di un prototipo sottoposto a test comparativi. Solo misure relative a durata, portata, precisione, manutenzione e frequenza dei guasti permetterebbero di capire se la soluzione di Suzhou Zhisheng Model Technology Co., Ltd. risolve più problemi di quanti ne introduca.
