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I segreti della stampa 3D con il doppio estrusore

Maledetti supporti di stampa

La stampa a filamento multi estrusore è qualcosa che affascina anche lo stampatore 3D più esperto, vuoi perché risolve il fastidioso problema dei supporti che non si staccano dalle stampe utilizzando i filamenti solubili, ma ancor più perché apre le possibilità della stampa con materiali differenti tra loro (tipo flessibili e rigidi nella stessa stampa) e la stampa multicolore. La prima stampante che abbiamo acquistato in Help3D nel 2013 è stata proprio una doppio estrusore, ma alla fine ci siamo trovati il più delle volte ad utilizzarla solo come mono estrusore. Perché ? Molto semplice, le possibilità offerte da software, hardware,firmware e materiali nel 2013 non erano lontanamente paragonabili a quelle che oggi si possono avere in pochi click.

Esempio di stampa con supporto solubile – Ultimaker

Aggiungiamo il fatto che “all’epoca” (sono passati solo 8 anni ! ) una stampante a doppio estrusore costava molto, tanto per dare l’idea la nostra clone Makerbot costruita in legno multistrato tagliato laser è costata più di 1300€ in kit (da montare). Oggi è possibile acquistarle con poco meno di 400€ (le più economiche) e sono disponibili nuove soluzioni che prevedono un singolo hotend e più feeder consentendo anche il color mixing o addirittura stampanti con hotend indipendenti (sistema IDEX), che si alzano e si abbassano, sino ad arrivare a complessi sistemi di “tool change automatici” stile fresa CNC: quando non utilizzato lo strumento va a posizionarsi in una zona di parcheggio e poi ne viene prelevato un altro con caratteristiche diverse, tipo un nozzle in acciaio o un nozzle con diametro differente ecc ecc.

La super stampante targata E3D – Toolchanger

Questo tutorial nasce con il preciso intento di far capire allo stampatore che vuole affrontare questa nuova sfida, quali aspetti deve tenere in considerazione e come deve preparare i files per una corretta stampa multi estrusore. Il prossimo video e un successivo articolo spiegheranno molto più in dettaglio anche i settings da considerare all’interno dello slicer quindi ti consigliamo sicuramente di leggerli tutti con calma.

Più ugelli = Più velocità ?

Sfatiamo subito un mito, lavorare con più ugelli non velocizza la stampa 3D anzi la rallenta ! Ad ogni cambio colore o cambio ugello la stampante solitamente deve attendere che l’ugello in stampa arrivi a temperatura e alle volte potrebbero esserci delle pause. Inoltre i due (o più) ugelli non creano l’oggetto nello stesso tempo ma in maniera alternata, prima lavora un colore/materiale e poi lavora l’altro e così via fino al completamento della stampa. Eccezione fatta solo per il sistema Idex che permette l’utilizzo di due hotend contemporaneamente ma per oggetti identici o specchiati, ma comunque separati (ogni ugello crea il suo oggetto).

Su gentile segnalazione di Emanuele Ciccone è giusto precisare che ci sono comunque stati dei tentativi di stampanti multi estrusore con stampa sincronizzata sullo stesso pezzo. Tutto parte dal progetto ESCHER di Autodesk poi sfociato in un prodotto della Titan Robotics chiamato “Cronus“. Ad oggi sono stampanti veramente poco diffuse nel mondo FDM.

 The Cronus utilizes Autodesk® Netfabb® collaborative multi-head 3D printing technology that intelligently distributes tool paths between multiple print heads working in unison on a single printer.

Quale sistema scegliere

Nota bene non abbiamo scritto quale stampante comprare ma proprio quale sistema di multi estrusione scegliere. Una volta capito quale potrebbe fare al caso tuo poi proseguirai con la ricerca della marca della stampante che si abbina al tuo budget. La prima domanda che devi porti è la seguente : devo stampare con materiali differenti o mi interessano solo le stampe multicolore ?

Singolo Hotend e più estrusori/feeder

Se nelle tue ricerche ti sei imbattuto in un “flusso canalizzatore” tranquillo non sei finito in una scena di “Ritorno al Futuro”. Correva l’anno 2014 quando una coppia di pazzi (in senso assolutamente buono) si sono messi a creare un sistema di caricamento filamento basato su un unico hotend ma con 6 o 8 ingressi di filamento nello stesso hotend. La parte hardware era gestita da Davide di Immagina e Crea e la parte firmware invece dal Mago Kimbra che però ora ha ufficialmente terminato lo sviluppo del suo FW basato su Marlin. All’epoca erano già presenti altri sistemi simili che condividevano lo stesso principio (singolo hotend e più input) ma questo era l’unico che arrivava a 6 differenti colori e che… funzionava ! Per dovere di cronaca anche la “Falla” montava una cosa simile ma si chiamava FUM ed era sempre il 2014.

Il funzionamento è molto semplice, c’è un unico hotend/nozzle montato ma al di sopra di esso arrivano 2 o più filamenti gestiti da altrettanti motori stepper. A sua volta si divide poi in:

  • Ingresso alternato: il filamento che entra e viene estruso non può essere miscelato con il secondo per creare dei gradienti di colore. In sostanza prima lavora un colore e poi viene ritratto per far entrare il secondo e così via alternandosi fino a completare l’oggetto. Essendo l’ugello unico per tutti gli input, è necessario effettuare uno “spurgo” (torre di spurgo) per pulire il colore precedentemente estruso e permettere a quello nuovo di arrivare alla colorazione desiderata. I problemi più evidenti si hanno quando si passa da colori forti tipo il nero e si estrude poi il bianco, per diversi centimetri di estrusione non vedremo il bianco pulito ma una sorta di grigio. Al contrario lo spurgo è molto più veloce e viene sprecato molto meno materiale. Esistono delle funzioni dedicate nello slicer per poter creare queste torri di spurgo e posizionarle nel punto più idoneo sul piano di stampa, ma esiste anche la possibilità tramite custom gcode nelle routine di cambio “tool” di portare l’ugello in una precisa coordinata e farlo spurgare all’interno di un contenitore.
  • Ingresso mixato: condivide il 99% della struttura del precedente ma l’ugello, invece di essere di tipo standard con ingresso unico, presenta una camera di fusione comune. In questo modo i filamenti si potranno anche mescolare in fase di estrusione creando delle gradazioni di colori in quadricromia o esacromia. Per quanto il color mixing sia ufficialmente supportato da firmware come Marlin, resta comunque una pratica abbastanza da smanettoni e poco ripetibile. Questo tipo di hotend è comunque utilizzabile nella modalità “ingresso alternato” e necessita di spurgo tra un colore e l’altro.

Quali sono però i problemi derivanti dall’utilizzo di questi sistemi ?

  • Meglio lavorare con un solo tipo di materiale per volta, mescolare polimeri differenti o comunque lasciare impurità di uno precedente all’interno della camera di estrusione è sempre un punto a sfavore di questo metodo. C’è poi da considerare che tipi di filamento differenti estrudono a temperature differenti: utilizzandoli in modalità alternata si riesce in qualche modo a spurgare il precedente, ma miscelarli non è mai una buona soluzione e porta quasi sicuramente all’occlusione dell’ugello.
  • Quando si lavora in modalità alternata devi fare i conti con la punta del filamento che stai rimuovendo, hai mai fatto caso quando cambi un filamento che la parte terminale è sempre sciolta e molto volte si rigonfia ? Ecco, questo è un grosso problema che crea grattacapi non da poco per chi si avventura la prima volta in questo tipo di multi estrusione. Come facciamo ad essere certi che la parte terminale del filamento sia il più pulita possibile per evitare che si blocchi nel successivo reinserimento ? Ci viene in aiuto Prusa Slicer che ha un controllo dedicato proprio di questi parametri in fase di cambio filamento e anche una sezione specifica del “Ramming”  
Ramming Prusa Slicer
  • Torre di spurgo che spreca materiale e tempo: purtroppo è necessaria e non si può farne a meno dato che si utilizza un singolo ugello. Per evitare contaminazioni è necessario spurgare a sufficienza ma questo richiede tempo di stampa aggiuntivo e materiale di scarto. Se l’oggetto è sufficientemente grande è possibile eseguire parte dello spurgo all’interno dell’oggetto mentre realizza l’infill. Per questo tipo di stampa cerca di evitare la stampa di un singolo oggetto ma organizzati per stamparne più di uno alla volta ed ottimizzare la torre di spurgo che tanto sarà uguale per uno o per 30 oggetti ! 
  • Puoi lavorare solo con un diametro di ugello alla volta, con un estrusore distinto potresti far fare i riempimenti con un nozzle da 0.8 mm (esempio) e i perimetri esterni con un nozzle più fine.

⚠️ Questo tipo di setup prevede stampanti con caricamento di tipo Bowden, quindi abbiamo da un lato il peso ridotto che grava sull’asse dell’hotend ma dall’altro la difficoltà nel trattare materiali flessibili. Se sai già in partenza che dovrai lavorare con questo tipo di filamenti cerca di partire con uno dei sistemi che spiegheremo più avanti.

A conti fatti questo sistema è più indicato per una stampa multicolore che multimateriale. In realtà se si trovano i giusti settaggi (temperature e velocità) è possibile estrudere in maniera alternata diverse tipologie di polimeri senza rischiare contaminazioni. Ti stai chiedendo “ Ma il Prusa MMU2 e il Palette 2 PRO come funzionano allora ? “ non disperare, avremo modo di spiegarti le differenze anche di queste due innovative modalità di caricamento del filamento.

Multi Hotend abbinati a relativi estrusori/feeder

Questa è la situazione più comune e versatile, ad ogni hotend è abbinato un relativo motore di caricamento (feeder) quindi ogni materiale che si deciderà di lavorare avrà il suo ugello dedicato e privo di contaminazioni di altri materiali. Anche per questo sistema di caricamento esistono numerose configurazioni, possono essere di tipo direct drive come le stampanti Raise3D  oppure bowden come le Ultimaker. Curioso delle varie differenze ?

Il sistema IDEX della Raise3D E2
  • (Caso 1) Hotend a dissipatore unico: come puoi notare dalla foto, questo è un doppio hotend con due ingressi distinti e due nozzle separati ma un unico dissipatore. In genere si trova in configurazione bowden poiché la ridotta distanza tra i due ugelli non permette di montare due motori e relativi estrusori l’uno accanto all’altro. Questo tipo di hotend ha uno svantaggio legato alle temperature di lavoro quando si estrudono due polimeri con temperature abbastanza differenti, quella più alta (visto che il dissipatore è in comune) potrebbe influire negativamente sul taglio termico all’interno della gola di quello che lavora a temperature inferiori. Resta comunque una soluzione molto compatta e leggera, però presta molta attenzione alla regolazione delle altezze dei due ugelli. 
  • (Caso 2) Hotend con dissipatore separato: questa è forse la soluzione più quotata proprio perchè permette la massima libertà nella scelta dei polimeri da utilizzare. Può essere abbinata sia con un caricamento bowden sia con un direct drive, in quest’ultimo caso è preferibile utilizzare dei motori di tipo “pancake” più sottili e leggeri abbinati magari ad un gruppo di estrusione con motoriduzione. Le stampanti di fascia professionale utilizzano hotend basculanti o che si alzano/abbassano quando attivati, questo per minimizzare l’influenza del nozzle non attivo sul pezzo in stampa.
Stupenda accoppiata BMG + Mosquito
  • (Caso 3) IDEX – Hotend indipendenti: di recente hanno iniziato a fare capolino queste soluzioni molto versatili che introducono anche la possibilità di poter realizzare più pezzi contemporaneamente sfruttando i due ugelli in modalità “specchiata o duplicazione”, ma il vero vantaggio è che l’ugello non attivo resta parcheggiato in un’area nella quale non può danneggiare o percolare materiale sul pezzo stampato. Essendo l’asse in comune non sarà possibile effettuare due oggetti diversi o parti differenti dell’oggetto nello stesso momento in cui sta lavorando l’altro ugello. Solitamente le configurazioni si limitano ad un massimo di due estrusori per asse completamente indipendenti. 
Sistema IDEX della BCN3D
  • (Caso 4 ) Cambio utensile: questa soluzione è sicuramente la più complicata da realizzare e configurare, ma è anche quella che lascia la piena libertà all’utente di decidere cosa e come stampare il pezzo. Pensa che oltre a montare hotend/feeder completamente diversi l’uno dall’altro (non i nozzle ma tutto il sistema), potrai anche inserire un mandrino per fresare il pezzo o magari un laser per incidere, tutto questo gestito automaticamente attraverso i comandi di cambio utensile. C’è molto lavoro da fare a livello firmware ma anche a livello CAM (slicer) per poter gestire tutte queste configurazioni differenti. 

Una inevitabile conseguenza dall’utilizzo di questi sistemi rispetto al precedente mono ugello, è che l’area di stampa utile diminuirà in funzione della distanza che ci sarà tra i due (o più) nozzle installati. Un sistema IDEX permette una migliore gestione dell’area di stampa ma è anche più complesso da realizzare e richiede uno spazio dedicato per il parking del nozzle in modo tale che non impatti in altri componenti della stampante.

Attento alle calibrazioni

Con la stampa mono ugello ormai sarai diventato un drago nel capire come tarare ogni singolo parametro dello slicer e piegare alla tua volontà la stampante. Non disperare perchè con il doppio (triplo quadruplo ecc ecc) estrusore si aggiunge un nuovo set di parametri da calibrare e testare !

  • Offset XY degli ugelli: escludendo la prima soluzione presentata relativa al singolo nozzle/hotend ma con più filamenti in ingresso, tutte le altre necessitano di una calibrazione di fino per poter capire come allineare tra di loro gli ugelli. Se questa procedura non viene effettuata correttamente, ti ritroverai con stampe disallineate o con colori sfalsati. La procedura è molto semplice e consiste nello stampare una serie di linee verticali e orizzontali con entrambi gli ugelli e poi stabilire quale di queste linee risulta essere perfettamente allineata. In genere si interviene dal secondo ugello in poi in quanto il primo lo terremo come riferimento, basterà inserire le nuove coordinate di offset nello slicer che utilizziamo oppure inserirle nel firmware della stampante. Nota bene: questa calibrazione va rivista ogni volta che si mette mano al nozzle/hotend.
  • Offset Z degli ugelli: i casi in cui è più evidente questa regolazione sono quelli relativi al doppio hotend con dissipatore unico o separato che non si muovono tra di loro. Come ben potrai notare, se monti un ugello leggermente più basso dell’altro ti ritroverai quasi certamente con la stampa rovinata o staccata dal piano perchè questo tocca sul pezzo. Il segreto è tenerli a differenze non superiori a 0.1/0.15 mm ed eventualmente compensare (se lo prevede il firmware della stampante) attraverso uno Z offset distinto per ogni ugello che si monta.  
  • Temperatura di parking e oozing:  quando un hotend viene “disattivato” e inizia a lavorare un altro, è buona norma considerare di abbassare la temperatura per evitare che il materiale rimasto in camera di estrusione continui a percolare per effetto della pressione residua e della forza di gravità. Quando si utilizza un IDEX (indipendente) è molto comodo perchè l’ugello inattivo non resta mai sopra la stampa mentre l’altro sta estrudendo, questo significa minori contaminazioni di materiale o “caccole” di colore non volute sul pezzo. Quando si lavora con sistemi a doppio ugello fisso (casi 1 e 2 escludendo quelli basculanti), oltre ad abbassare la temperatura è necessario spostare temporaneamente l’hotend in una posizione esterna all’oggetto in stampa, in cui possa raffreddarsi ed eventualmente lasciar uscire ancora qualche piccolo residuo di filamento. Spesso si vedono delle spazzoline in rame o lamelle in silicone che aiutano a pulire i residui rimasti attaccati. Una volta arrivato alla temperatura impostata nello slicer (non tutti gestiscono questo parametro), la stampa riprende con l’altro estrusore che precedentemente si era riscaldato. Oltre alla temperatura di parking è possibile impostare anche una retraction per evitare ancor più il fenomeno di oozing ma fai molta attenzione… più ritrai e più rischi di far bloccare il “moncone” di filamento in una zona che poi non verrà riscaldata in tempo creando così un tappo di materiale.

Torre di spurgo e parete di pulizia 

Ti sarai sempre chiesto cosa sono queste opzioni che si vedono in tutti gli slicer. Non le hai mai utilizzate perchè lavorando con un solo ugello/materiale/colore non c’è la necessità di crearle. Ma ricorda che non sempre vanno attivate entrambe, ecco perchè:

Wipe tower in alto a sinistra e Wall (colore bianco) attorno all’oggetto (colore rosso)
  • Torre di spurgo: quando abbiamo parlato dei mono-ugello con diversi filamenti in ingresso, la torre di spurgo era d’obbligo per poter spurgare correttamente il precedente materiale. Ma quando si lavora con hotend dedicati perchè si deve creare questa torre ? Quando l’estrusore non lavora tende a scaricare la camera di estrusione, inoltre il filamento è spesso in posizione ritratta e necessita di essere estruso per un breve tratto prima di iniziare a lavorare sul pezzo. In questo modo eviteremo di creare buchi o tratti inconsistenti di materiale estruso non appena riparte a lavorare sul pezzo. Dalle impostazioni dello slicer è possibile selezionare quanto grande e piena realizzare questa torre, solitamente ti adatti in base al materiale che stai trattando. Presta attenzione anche a posizionarla in un punto strategico del piano in modo tale da limitare i movimenti necessari ed evitare che passi sopra i pezzi in fase di costruzione.
  • Parete di pulizia: come dice il termine, trattasi proprio di una parete che viene costruita attorno al pezzo per ripararlo da eventuali “caccoline” di materiale che restano attaccate al nozzle in fase di riscaldo/raffreddamento. Solitamente la sua costruzione si interrompe quando uno dei due ugelli viene disattivato definitivamente e non ha senso costruirla in tutta l’altezza del pezzo. 

Quindi cosa mi consigli di attivare ? Se hai un caso 1 o 2 sicuramente sono da attivare entrambe, se monti un sistema IDEX (caso 3) oppure cambio utensile (caso 4) basta solamente la torre di spurgo anche se in realtà molto dipende dai filamenti che stai utilizzando. Se sai che stai per utilizzare materiali come Nylon, TPU o TPE che tendono a stringare molto, da abilitare entrambe anche per i casi 3 e 4.

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