Uno studio fondamentale del processo di produzione additivo regolabile parametrico basato sul processo FDM Qia Wan, Youjian Xu e Can Lu

Ugelli a scorrimento e diaframma con pompe ad ingranaggi: un modo migliore per stampare in 3D?

La stampa 3D con modellazione di deposizione fusa (FDM), nota anche come estrusione di materiale, è una tecnica che deposita il materiale riscaldato attraverso un ugello per fabbricare parti e componenti. I rulli nell’estrusore generano una pressione sufficiente a spremere il materiale in un liquefatore, prima che si sciolga in una forma semi-liquida o liquida e viene espulso dall’ugello per solidificare e formare il filamento al contatto con la piattaforma di costruzione o uno strato precedentemente estruso.

Potresti non rendertene conto, ma il tipo di ugello di stampa 3D che usi effettivamente fa una notevole differenza nella qualità della stampa 3D . Un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale dell’Università della Florida ha recentemente pubblicato un articolo che descrive in dettaglio due tipi di ugelli che potrebbero essere migliori per il processo di stampa 3D FDM.

Nel documento, intitolato ” Uno studio fondamentale del processo di produzione additivo regolabile parametrico basato sul processo FDM ” e pubblicato nella serie di pubblicazioni Open di  MATEC Web of Conferences  , i ricercatori spiegano che tradizionalmente si ritiene che una parte importante di una parte stampata in 3D la risoluzione è fornita da una piccola sezione trasversale di ciascun supporto per estrusione di materiale. Tuttavia, i filamenti trasversali più piccoli hanno velocità di estrusione più lente, il che aumenta il tempo di costruzione.

Ci sono molti tentativi per risolvere questo problema, ad esempio applicare lo spessore massimo permissivo di ogni livello o utilizzare un volume di supporto inferiore per scegliere una struttura simile a una shell. Ma i ricercatori osservano che non è stata apportata molta modifica ai parametri di estrusione per controllare la risoluzione durante il processo FDM.

L’abstract dice: “Processo di modellazione di deposizione Fused (Fused deposition modeling), c’è stata una contraddizione tra alta produttività e alta qualità dei prodotti. La risoluzione del prodotto è proporzionale alla portata dell’estrusione di materiale riscaldato, che influisce direttamente sul tempo di costruzione. Per ridurre i tempi di costruzione con una risoluzione accettabile, è stata introdotta l’idea del processo di stampa regolabile dei parametri. L’estrusore controllabile è stato modificato e sono stati progettati due tipi di ugelli a diametro variabile. Questo lavoro realizza diverse risoluzioni basate sulla geometria della parte durante il processo FDM, che può assicurare in modo efficiente la qualità dei prodotti e migliorare la produttività allo stesso tempo. ”
Il diametro dell’ugello di una stampante FDM 3D non solo può influire sulla velocità di estrusione del materiale, ma anche sulla risoluzione di una stampa 3D. Una volta determinata la risoluzione, i relativi parametri di estrusione possono essere calcolati correttamente per determinare la relazione tra i parametri e la geometria della parte.

“In questo documento, il diametro dell’ugello è stato scelto come parametro principale di estrusione variabile”, spiegano i ricercatori. “L’estrusore della stampante è stato modificato per adattarsi al nuovo processo, che ha determinato i parametri di estrusione sotto la determinata risoluzione. È stata derivata la relazione tra la geometria della parte e la risoluzione necessaria e sono stati progettati due tipi di ugelli intercambiabili di diametro per il processo. ”
I flussi di fluido viscoso vengono in genere misurati con pompe ad ingranaggi a cilindrata positiva, quindi i ricercatori ne hanno utilizzato uno nell’estrusore della stampante 3D per il loro studio.

“Si presume che la velocità del movimento dell’ugello sia la stessa della velocità di estrusione del materiale per una risoluzione affidabile”, hanno detto i ricercatori.
Un componente ottico chiamato diaframma a iride ha diverse lame sottili e lisce disposte in modo tale da formare un’apertura circolare. Grazie al diametro regolabile del diaframma, questo diaframma viene spesso utilizzato per limitare la quantità di luce trasmessa a un sensore di imaging negli otturatori della fotocamera. Ciò lo ha reso una buona scelta per un componente che può cambiare il diametro di un ugello della stampante 3D.

“Rispetto al tradizionale ugello di stampa per estrusione, l’ugello a forma di iride può regolare facilmente il diametro e realizzare il diametro variabile durante il processo di stampa”, hanno spiegato i ricercatori nel documento. “Le multi-lame del diaframma a iride possono garantire la forma circolare della sezione dell’ugello. È possibile cambiare il diametro dell’ugello in modo preciso e rapido utilizzando il sistema di controllo elettronico. ”
Geometria dell’ugello di scorrimento.
Tuttavia, anche se una forma dell’iride potrebbe cambiare il diametro di un ugello, potrebbe anche avere degli spazi attorno all’apertura circolare, causare perdite durante l’estrusione del materiale, e l’alta temperatura potrebbe persino ammorbidire le lame e portare a stampe danneggiate. Ecco perché i ricercatori hanno concepito un modello di scroll che avrebbe funzionato “senza impostare gli aerei extra nell’ugello”.

Ispirato dai rotoli di carta, il fondo circolare dell’ugello di scorrimento diventerà più piccolo man mano che la forma viene arrotolata, anche se continuerà ad essere rotonda. Ecco perché un modello di scroll, con il suo facile controllo del diametro, può essere una scelta migliore per un ugello per stampante 3D con un diametro variabile rispetto alla forma del diaframma dell’iride.

I ricercatori hanno concluso: “Finora, il modello teorico per il processo FDM regolabile con parametri è stato costruito. L’estrusore della stampante è stato modificato utilizzando una pompa ad ingranaggi a spostamento positivo per il controllo della portata cambiando la velocità di rotazione in modo che la risoluzione, rappresentata dal diametro del filamento, possa essere regolata dalla portata durante il processo di estrusione con una velocità di estrusione ottimale. Il diametro del filamento desiderato per ogni strato dell’edificio è stato determinato dalla geometria della parte utilizzando il criterio del pendio esterno o il criterio della piccola caratteristica. ”
Alcuni aspetti da chiarire durante gli studi futuri includono le prestazioni meccaniche e la risoluzione delle sezioni interne di una parte e le sfide nella selezione dei materiali.

I coautori del documento sono Qia Wan, Youjian Xu e Can Lu.

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