Progettazione di un doppio estrusore ibrido per la stampa FDM di diversi materiali

Additive manufacturing is a technology where a part is built layer by layer. Fused deposition modeling, which is often called with the acronym FDM, is a particular additive manufacturing technique, whereby each layer is fabricated trough deposition of fused polymeric roads from a heated nozzle. The system is fed by a thermoplastic material filament with a standard diameter, that comes in reels of different dimensions. The last developments of this technology, also due to its increasing spreading, have hugely widen the range of available materials. This work, starting from the premises mentioned above, is focused on the chance of co-printing materials with different physical properties and functionalities, by the use of FDM. If the simultaneous printing of two materials or more is already widespread in the FDM contest, till today, the combined use of different types of materials was limited to the necessity of having a soluble support material to print overhanging geometries and difficult shapes, or, mostly, to the possibility of printing parts with differently colored components. The recent commercialization of thermoplastic elastomeric materials (TPE), in the form of filaments for the FDM process, introduced a new opportunity: to print two materials, of different physical features, hardness in particular, simultaneously. If we keep the TPEs out of the list, the thermoplastic materials available in the FDM till today (ABS, PLA, PS, PET, NYLON) had for sure different physical characteristics (of elastic modulus, yeld strength, impact strength) but only inside a limited range. Thermoplastic elastomers have elastic moduli that can be also two orders of size lower than those of the thermoplastic materials mentioned above, this allows to widen the functionalities of the printed parts. Beside the aesthetic and ergonomic applications, the combination of a stiff thermoplastic material with an elastomeric one, finds many practical applications; the co-injection molding is an example of process that already takes advantages from this possibility. Starting from a low-cost FDM machine, equipped for the printing of just one material (PLA), and from a wide range of coils of different materials to experiment with (including some TPEs), the aim of the thesis work was to design a system to print together an elastomeric material and one of those stiff material (ABS, PS, PET, etc.) already used in FDM. To reach this goal, and to build and install the system on the original machine, it’s been necessary to go through a research and analysis stage: this stage concerned the FDM process and the dynamics that characterize it, also from a rheological point of view; later there was an analysis of the structure, of the electronics, and of the components that characterize a 3D printer, this stage allowed the acquisition of the necessary knowledge to modify the machine; in a further stage, the 3D printing tool-chain was analyzed. In the end, the features of all the materials available for FDM has been described, paying particular attention to the TPEs, and their over-molding compatibility (to do so, researches on co-injection molding were considered). The conclusive part of the thesis concerns the design of the double extruder, and so the new configuration for the printer, with all the hardware and firmware changes needed to install the new system. To finish, there is also a section concerning the calibration of the new system, and a practical application example in the micro abrasive waterjet technology’s field (In particular a part to mount on an AWT machine was designed).

La manifattura additiva è una tecnologia di processo dove le parti sono create per strati depositati in successione. La Fused deposition modeling (letteralmente: modellazione a deposizione fusa), a cui spesso si fa riferimento con l’acronimo FDM, è un tipo particolare di tecnica additiva in cui ogni strato è formato da un “percorso” di materiale polimerico fuso, depositato da un ugello riscaldato. Ciò che alimenta il sistema è un filamento di materiale termoplastico di diametro standard, che viene fornito in bobine di varie dimensioni. Le ultime evoluzioni di questa tecnologia, dovute anche alla sua crescente diffusione, hanno consentito di ampliare considerevolmente la gamma di materiali disponibili. Questo lavoro, partendo dai presupposti sopracitati, è focalizzato sulla possibilità di co-stampare, tramite FDM, materiali con differenti caratteristiche fisiche e funzionali. Se la stampa simultanea di due o più materiali è già ampiamente diffusa nell’ambito di questa tecnologia, fino ad oggi, l’utilizzo combinato di diversi tipi di materiali è stato limitato alla necessità di avere un supporto “a perdere” per la stampa di una parte con sottosquadri e forme complesse, o, al più, alla possibilità di stampare parti con componenti di colorazioni diverse. La recente commercializzazione di materiali termoplastici elastomerici (TPE), sotto forma di filamenti per l’FDM, ha introdotto una nuova possibilità: quella di stampare in combinato due materiali dalle caratteristiche fisiche molto diverse tra loro, nella fattispecie dalla diversa rigidezza. Se escludiamo i TPE infatti, i materiali termoplastici fino ad oggi disponibili nell’FDM (ABS, PLA, PS, PET, NYLON) avevano sì caratteristiche fisiche diverse (di rigidezza, resistenza a trazione, resistenza a impatto) ma sempre all’interno di un “range” piuttosto limitato. Gli elastomeri termoplastici hanno rigidezze che possono essere anche di due ordini di grandezza inferiori a quelle dei materiali termoplastici appena citati, questo permette di ampliare le funzionalità dei pezzi stampati. Oltre alle applicazioni estetiche ed ergonomiche, la combinazione di un materiale termoplastico rigido e uno elastomerico, trova anche numerose applicazioni funzionali; il co-stampaggio a iniezione è un esempio di processo che sfrutta già ampiamente queste possibilità. Avendo come base di partenza una macchina di tipo low-cost per la stampa FDM, equipaggiata per la sola di un unico materiale (il PLA), ed una gamma di bobine di diversi materiali con cui sperimentare (tra cui anche dei TPE), l’obbiettivo del lavoro di tesi è stato quello di progettare un sistema per la stampa combinata di un materiale elastomerico con uno dei materiali rigidi (ABS, PS, PET, etc.) già ampiamente usati nell’FDM. Per giungere a tale obbiettivo, e alla successiva costruzione e installazione del sistema sulla macchina originale, si è passati attraverso una fase analitica e di ricerca: questa fase ha riguardato dapprima il processo di Fused deposition modeling e le dinamiche che lo caratterizzano, anche a livello di reologia dei polimeri; in seguito si è passati ad un’analisi della struttura, dell’elettronica, e delle componenti che caratterizzano una stampante 3D, questa parte ha permesso di acquisire le conoscenze necessarie alla successiva modifica della macchina; la parte successiva ha riguardato la cosiddetta “toolchain”, ovvero alla serie di strumenti che consentono al software della stampante di comunicare con l’hardware. Infine sono stati studiate in modo approfondito le caratteristiche di ogni materiale disponibile per l’FDM, con una particolare focalizzazione sui TPE, e la loro potenziale compatibilità di co-stampaggio (per fare questo si è fatto riferimento a ricerche sul co-stampaggio a iniezione). La parte finale della tesi riguarda invece la progettazione del doppio estrusore, e quindi la nuova configurazione della stampante con tutte le modifiche hardware e firmware per l’installazione del nuovo sistema. Per concludere vi è anche una parte relativa alla calibrazione del nuovo sistema, e un esempio di applicazione pratica nell’ambito della tecnologia di micro abrasive waterjet (in particolare è stato realizzato un pezzo da montare su una macchina che sfrutta tale tecnologia).