Realizzate da voi il filo per la stampa FDM che più vi aggrada, con questa macchina autocostruibile che vi permette altresì di dare nuova vita ad avanzi di PLA, ABS e PET.
Nonostante negli ultimi anni i prezzi si siano decisamente ridotti, i preziosi filamenti che utilizziamo per stampare oggetti tridimensionali continuano a rappresentare un costo non trascurabile. Inoltre, alcune colorazioni particolari, filamenti multicolore o con effetti a chiazze – oltre a essere costosi – risultano spesso difficili da reperire, con il risultato che alcuni progetti finiscono per restare sogni nel cassetto.
Per ovviare a questi due problemi, sarebbe ideale poter produrre in casa i propri filamenti, un’idea tutt’altro che irrealizzabile: da tempo, infatti, compaiono sul web progetti di estrusori fai-da-te per PLA o ABS. Ispirandoci a uno di questi, abbiamo deciso di progettare la nostra macchina per la produzione domestica di filamenti: una macchina capace di “inghiottire” scarti di plastica, palline o pellet di materiali compositi acquistabili in sacchi presso rivenditori specializzati.
La possibilità di utilizzare trucioli, sfere o pellet consente inoltre di colorare la plastica bianca con pigmenti specifici, ottenendo sfumature personalizzate o filamenti “maculati”.
https://youtu.be/D74e3d8wMaw
Abbiamo chiamato questa macchina Filament Extruder. È in grado di produrre filamenti in PLA o ABS, nei diametri standard di 1,75 mm e 3 mm, a partire da pellet o avanzi plastici (opportunamente ridotti in piccoli pezzi, altrimenti non riescono a passare attraverso il meccanismo di alimentazione). Il costo del filamento ottenuto è inferiore a quello dei prodotti commerciali, ma l’aspetto più interessante è la possibilità di personalizzare i colori tramite specifici additivi.
È anche possibile miscelare pezzi di plastica di colori diversi, purché abbiano temperature di fusione simili: in caso contrario, il filamento risultante sarà irregolare per forma e consistenza. L’utilizzo di avanzi triturati rende il processo ancora più conveniente dal punto di vista economico.
Come funziona la FilaExtruder
La nostra macchina è composta sostanzialmente da un “imbuto” caricatore (che poi è la tramoggia) del materiale, da un sistema di alimentazione, da un ugello estrusore riscaldato e da un meccanismo di estrazione, trascinamento e guida del filamento estruso; a ciò si aggiunge un misuratore del diametro, che ci consente di sapere se il diametro del filamento che stiamo estrudendo è ciò che ci aspettavamo ed eventualmente di correggerlo.
Il diametro del filo ottenuto dipende sia dalla temperatura di fusione, sia dalla velocità di trazione del filamento; torneremo in seguito su questo argomento spiegandovi come ottenere quello desiderato.
Nel nostro prototipo, la tramoggia è stata realizzata con lamiera di alluminio spessa 1,5 mm in quattro pezzi poi assemblati con rivetti in alluminio da 3 mm; la “bocca” è lunga 22 cm e larga 5,5, mentre l’altezza dalla sommità del tubo del sistema di alimentazione è 9,5 cm. La parte inferiore, che combacia con l’apertura del tubo, misura 18×55 mm, ossia quanto basta a far confluire il materiale nella cava realizzata nel tubo, la quale affaccia sulla vite senza fine. Le misure riportate sono indicative perché potete variarle entro certi limiti.
Il fissaggio della tramoggia al tubo va realizzato in modo che il fondo aderisca al tubo: nel nostro caso non abbiamo usato staffe, bensì prolungato le facce corte ripiegandole in fondo per farle aderire al tubo e poi per essere avvitate ad esso come un collare. Le foto del prototipo (Fig. 1, per esempio) danno un’idea di cosa abbiamo fatto.
Fig. 1 Particolari della tramoggia in alluminio rivettato.
Il materiale introdotto nella tramoggia viene condotto dalla forma di quest’ultima in un’area molto ristretta (ossia 18×55 mm) che sfocia nella finestrella di carico del sistema di alimentazione, il quale consta di una vite senza fine realizzata con una grossa punta per legno da trapano, messa in movimento da un giunto messo in rotazione da un motore elettrico tramite una riduzione a ingranaggi (Fig. 2).
Per l’esattezza, il meccanismo di alimentazione è composto da un motoriduttore da 12 Vcc con velocità a vuoto di 9 RPM (giri al minuto), una coppia nominale di 140 kgcm e albero d’uscita a 90° da Ø10 mm che abbiamo accoppiato, mediante un giunto Oldham (Ø30 mm – L 42 mm) con fori per perni da 10 e 12 mm, ad una punta elicoidale da legno Ø16 mm opportunamente accorciata per ottenere un codolo da 60 mm di lunghezza e un elicoide da 220 mm.
Fig. 2 Dettaglio del motoriduttore e del giunto Oldham che lo raccorda allo stelo della punta da trapano utilizzata come vite senza fine per alimentare l’estrusore.
La punta da trapano è poi inserita in un comunissimo tubo dell’acqua in ferro zincato da ½” lungo 200 mm in cui è stata praticata un’opportuna fessura rettangolare per affacciarsi sul fondo della tramoggia in lamiera di alluminio, che convoglia lì il pellet da estrudere.
All’estremità del tubo è applicata una prolunga F/M da 40 mm in ottone per impianti idraulici; prima del montaggio, il foro più piccolo della prolunga (dal lato del filetto maschio) è stato tornito internamente con un apposito utensile (il bareno) quanto basta per lisciare la dentatura ed accentuare la svasatura interna. Se trovate una prolunga di quelle con l’interno della parte maschio a sezione esagonale, dovete fare altrettanto, allo scopo di ottenere il massimo diametro interno possibile.
Sul filetto maschio della prolunga (preventivamente rivestito con nastro in PTFE) viene avvitato un tappo da ½” in cui è stato praticato un foro centrale da 3,5 mm di diametro, che estruderà la plastica per dare origine al filamento. All’interno dell’elemento è stata inserita una retina metallica circolare, recuperata da un aeratore rompigetto per rubinetto, distanziata di 1,8 mm dal foro centrale mediante una rondella piana M10. Le fitte maglie permettono di interrompere il moto rotatorio del materiale uscente dall’ugello e migliorano la miscelazione della sostanza fusa con eventuali additivi coloranti.
Trasformare in rettilineo il moto si rende necessario perché la punta elicoidale spinge il materiale ma lo ruota anche e a noi non interessa che esca ruotando, anche perché ciò altererebbe il diametro in quanto rappresenterebbe una sollecitazione in più, oltre a quella determinata dalla trazione a valle dell’estrusore.
Sulla prolunga in ottone è fissato un riscaldatore a collare con potenza di circa 70 W, funzionante a tensione di rete (230 Vca), mentre sul tappo da ½” è stata sistemata la termocoppia tipo K (Chromel Alumel) che consentirà all’apposito controller di rilevare la temperatura raggiunta dall’ugello; il gruppo prolunga/riscaldatore costituisce l’estrusore vero e proprio (Fig. 3) e viene fasciato con della fascia in fibra di vetro che isola il calore, mantenuta in posizione tramite fascette in nylon.
Fig. 3 Estrusore ricoperto dalla guaina isolante.
Due staffe a 90° in acciaio, fissate ad una piastra in alluminio da 4 mm, sostengono il tubo (fissato mediante due dadi flangiati da ½”) e il cuscinetto reggispinta da 15 mm. Quest’ultimo impedisce alla punta elicoidale, che per reazione del materiale compresso nella camera di fusione viene spinta indietro, di indietreggiare durante l’estrusione.
Il motoriduttore, fissato ad una piastra angolare in ferro zincato da 2,5 mm di spessore e gli elementi della macchina sopra descritti, sono fissati su una tavola in MDF da 19 mm mediante viti autofilettanti.
La gestione della temperatura dell’ugello (rilevata tramite la termocoppia) è affidata ad un controller della SESTOS D1S-VR-24 che accetta una tensione di alimentazione AC/DC di 12-24V e dispone di un’apposita uscita per il controllo di un relé allo stato solido (SSR) con cui gestire il funzionamento di un riscaldatore da 70 W a tensione di rete.
Sul pannello sono presenti due display a LED a sette segmenti che consentono la lettura della temperatura letta e di quella impostata e alcuni pulsanti per effettuare le impostazioni dell’unità. Per ora accontentatevi di questo; più avanti in questo stesso articolo vi spiegheremo come impostare il controller.
La velocità di rotazione del motoriduttore viene controllata mediante un apposito modulo per motori in continua a spazzole (siglato SPEEDMOTDC nello schema di cablaggio) completo di potenziometro per la regolazione della velocità di rotazione. L’assorbimento del motore alla massima velocità è di circa 900 mA.
Tramite un interruttore luminoso a pulsante si toglie alimentazione al circuito onde evitare il funzionamento del motoriduttore quando l’ugello non è in temperatura; ciò perché la rotazione dell’elicoide con l’ugello non in temperatura causerebbe danni alla macchina, a causa dell’elevata coppia di torsione del motoriduttore.
Il raffreddamento del motore è garantito da una ventola da 12V, da 40×40 mm, fissata su uno chassis in PLA appositamente progettato e realizzato con una stampante 3D (insieme agli altri file del progetto trovate i relativi file STL). Per abbassare rapidamente la temperatura del filamento estruso, ad evitare che si assottigli troppo, si deformi o si spezzi, si utilizzano due ventole a 12Vcc da 80×80 mm (entrambe orientabili a piacimento); la prima (quella più vicina all’ugello) funziona sempre alla massima velocità, mentre della seconda può essere gestita a piacimento la velocità da 0 a 100% agendo sul relativo potenziometro Ventola 2.
La tensione di alimentazione di questa ventola viene fornita da un modulo DC/DC ad uscita regolabile (si compera già pronto da www.futurashop.it con il codice MODULODCDC) il cui trimmer da c.s. è stato sostituito da un potenziometro lineare da 10 Kohm per consentire una semplice regolazione manuale senza dover ricorrere a un micro cacciavite, che sarebbe alquanto scomodo. L’utilizzo di un DC/DC regolabile ci permette di variare la tensione sulla ventola con la massima efficienza possibile, dato che il converter funziona in PWM.
Entrambe le ventole possono essere spente quando non necessario, agendo sull’apposito interruttore luminoso a pulsante.
L’elettronica di controllo, alimentata da uno switching da 12V cc/4A, trova alloggiamento in un box in PLA realizzato con stampante 3D. Per alimentare le varie unità (ossia il DC/DC), i controller dei motori in cc e il controllore di temperatura, utilizzate una presa jack a pannello; il cordone di rete va collegato in parallelo al cavo dell’alimentatore PSSE48 da cui avrete tagliato la spina e ai fili che vanno al relè allo stato solido che fornisce l’alimentazione al riscaldatore a 230Vca dell’estrusore.
Il cablaggio di tutti gli elementi va condotto seguendo lo schema riportato in queste pagine, ricordando di isolare le giunte tra i fili mediante del termorestringente, in special modo quelle dei fili sottoposti alla tensione di rete.
Fig. 4 Complesso del giunto Oldham smontato (notare il cuscinetto reggispinta) e del tubo per la vite senza fine.
Regolare il diametro del filamento
Il diametro del filamento estruso varia in funzione della velocità con cui viene “tirato” dopo essere uscito dall’ugello; per ottenere un diametro stabile occorre necessariamente che la velocità di estrusione e quella di traino rimangano costanti.
La trazione del filamento avviene tramite un meccanismo “trattore” composto da due rulli in gomma con Ø 25mm, uno montato direttamente sul perno di un motoriduttore a 12 Vcc (cod. RH15812630) con velocità a vuoto (ossia senza carico) di 10 rpm, l’altro, montato su un perno parallelo, libero di ruotare e mantenuto premuto contro il primo tramite una molla a trazione. La velocità di trascinamento può essere regolata agendo sul potenziometro del solito controller per motori cc SPEEDMOTDC collegato al motoriduttore.
Anche la struttura del trattore è interamente in PLA ed è stampata tramite 3D (trovate i relativi file STL sul nostro sito).
Il controllo del diametro del filamento estruso avviene mediante un comparatore opportunamente modificato e montato su un apposito supporto in PLA realizzato con stampante 3D. La sfera di serie, presente sullo stelo dello strumento, è stata sostituita con un cuscinetto da 4x13x4mm che scorrerà direttamente sul filamento, consentendo di misurarne il relativo diametro.
Regolando opportunamente la velocità di estrusione e quella di trazione si può ottenere il diametro desiderato del filamento, nel senso che se vedete l’indicazione scendere sotto il diametro voluto dovete ridurre la velocità di trazione rispetto a quella di avanzamento del sistema di alimentazione, mentre se il diametro tende a salire, occorre tirare di più, quindi incrementare la velocità di rotazione del motoriduttore del sistema di trazione.
La massima deviazione rilevata sul diametro del filamento da 1,75 mm è di 0,1 mm e di 0,25 mm su quello da 3mm; ad ogni modo questa è influenzata da molti fattori quali temperatura di fusione, qualità, forma e regolarità dimensionale del pellet utilizzato, tipo di materiale (ABS/PLA), sbalzi di temperatura ambiente, colorante utilizzato, umidità e velocità di estrusione.
La temperatura di fusione deve essere scelta in funzione del materiale utilizzato, tenendo presente che un valore errato può determinare una riduzione notevole della qualità del filamento estruso. La capacità di produzione rilevata durante le prove per l’ABS da 3 mm di diametro è di 60 cm al minuto, che corrisponde a una produzione oraria di 36 metri. Quindi la massima velocità di avanzamento del filamento, operando con l’ABS, è di 36 metri all’ora.
Il filamento estruso viene guidato nel blocco del comparatore mediante tre pulegge in plastica non termoplastica (si può utilizzare il Delrin) montate ciascuna, tramite cuscinetti da 10×6 mm, su un supporto triangolare con base da avvitare, equidistanziate tra loro (15 cm) il cui scopo è sostenere il filamento ancora non del tutto solidificato e portarlo al comparatore; se non ci fossero, il filamento si inarcherebbe e troverebbe ostacolo nell’entrare nel foro della struttura che ospita il comparatore, oltre ad alterare la lettura dello stesso.
La minima distanza consigliata, operando in un ambiente a una temperatura di 20÷25 °C, tra l’ugello dell’estrusore e la prima puleggia, è 20 cm, ma potrete trovare sperimentalmente quella più adatta. Le tre pulegge, il blocco del comparatore e quello del trascinatore vanno fissati a un’unica piastra, che nel nostro prototipo è una lastra di MDF spessa 1 cm e dotata di piedini in gomma (Fig. 5).
Fig. 5 Il blocco con le pulegge di sostegno del filamento, il comparatore e il trascinatore.
È inoltre consigliabile guidare il filamento per un certo tratto anche dopo l’uscita dal comparatore: il metodo è lo stesso, ossia basato su pulegge analoghe alle precedenti, montate su supporti in plastica che nel nostro caso sono stampati sempre in 3D (e dei quali vi forniamo i file STL per la stampa) con del PLA; tali supporti sono dotati di piedini di gomma per essere appoggiati a terra.
Schema di cablaggio della FilaExtruder
Utilizzare la macchina
Una volta assemblata la meccanica e cablata l’elettronica secondo lo schema di cablaggio visibile in queste pagine, siete pronti per lavorare con la vostra macchina. Prima di collegare l’alimentazione da rete accertatevi che tutti gli interruttori della macchina siano in posizione OFF (quelli a pulsante devono essere nella posizione più arretrata) e che le manopole dei potenziometri del motoriduttore del sistema di alimentazione dell’estrusore e della ventola 2 siano in posizione MIN (ossia ruotate tutte in senso antiorario).
Posizionate le basi, inserite lo spinotto jack del cavo di alimentazione del trascinatore nella presa jack presente sul lato del supporto per il motoriduttore del trascinamento. Fatto ciò, inserite la spina del cordone di alimentazione in una presa della rete elettrica a 220 Vca ed accendete la macchina agendo sull’interruttore luminoso rosso GENERALE: il display rosso del controller mostrerà la temperatura letta in °C (quella reale dell’estrusore) mentre quello verde visualizzerà la temperatura impostata.
Ora impostate la temperatura adatta al materiale da estrudere, cioè:
• 188÷190 °C per il filamento di PLA trasparente Ø 3 mm;
• 194÷195 °C per il filamento in ABS bianco Ø 3 mm;
• 197 °C per il filamento in PLA trasparente Ø 1,75 mm;
• 203÷203,5 °C per il filamento in ABS neutro con pigmenti colorati, Ø 3 mm.
Tali temperature sono indicative e basate sugli esperimenti condotti in laboratorio con i materiali a nostra disposizione, ma possono discostarsi di qualche grado a seconda delle caratteristiche dei materiali che troverete in commercio.
Per impostare la temperatura di esercizio dell’estrusore:
• premete brevemente il pulsante UP o DOWN; il LED in basso a destra lampeggia;
• utilizzate i pulsanti UP o DOWN rispettivamente per aumentare o diminuire la temperatura, ricordando che per velocizzare l’operazione potete tenerli premuti (utilizzare il tasto << per selezionare in sequenza unità, decine, centinaia o decimali);
• quando viene visualizzata la temperatura desiderata, premete due volte il tasto SET per rendere effettiva la nuova impostazione (il display verde mostra la temperatura scelta); il controller agirà di conseguenza per portare la temperatura al valore richiesto (se l’ugello è in fase di riscaldamento il LED OUT è acceso).
Quando l’ugello ha raggiunto la temperatura impostata, premere i due interruttori a pulsante (si illuminano quando sono ad ON); nello specifico, premete ESTRUSORE per abilitare il motore dell’estrusore (il motore non girerà in quanto la relativa manopola ESTRUSIONE si trova al minimo). Premendo il pulsante VENTOLE 1-2 attivate al 100% la ventola 1 (quella più vicina all’ugello) e abilitate la ventola 2, la cui velocità potrà essere variata agendo sul relativo potenziometro Ventola 2.
Adesso dovete aumentare la velocità di estrusione del materiale ruotando di circa ¼ di giro (in senso orario) la manopola ESTRUSIONE. Attendere che dall’ugello fuoriesca un po’ di materiale e che la temperatura di questo si stabilizzi (circa 20 secondi). Nel frattempo accendere il comparatore ed azzerarlo premendo il tasto rosso O.
Verificarne il corretto funzionamento alzando il relativo perno presente nella parte superiore della cassa. Posizionare la manopola SPEED del trascinatore a circa metà corsa. Rimuovere il materiale fuoriuscito dall’ugello quindi afferrare il capo di quello che verrà successivamente estruso e, con rapidità, farlo passare sulle 3 pulegge bianche poi tra i cuscinetti del comparatore (allontanare i cuscinetti alzando il perno del comparatore) e, per ultimo, tra le ruote gommate del trascinatore.
Regolare la velocità della ventola 2 in modo che il materiale estruso giunga al comparatore parzialmente solidificato (non deve essere né rigido né rammollito e/o appiccicoso).
Regolare la velocità di estrusione (ESTRUSIONE) e di trascinamento (SPEED) in modo che il diametro del materiale estruso, misurato dal comparatore, sia prossimo a quello desiderato (deve essere preso in considerazione il valore medio misurato).
Se necessario ritoccate la velocità della ventola 2. Spaziate all’occorrenza le pulegge di sostegno e guida del filamento estruso.
Per spegnere la macchina, posizionare le manopole ESTRUSIONE e Ventola 2 su MIN, premere i due interruttori a pulsante (il relativo segnalatore luminoso si spegne) e, per ultimo, agire sull’interruttore luminoso GENERALE.
Fig. 6 Il blocco con il comparatore per misurare il diametro del filamento.
Conclusioni
La nostra macchina per estrudere filamenti è un prodotto molto versatile e realizzabile con parti facilmente reperibili in commercio. Seguendo le istruzioni fornite in queste pagine e adattandovi sulla base della sperimentazione, potrete ottenere ottimi risultati e realizzare da voi i filamenti che preferite, anche provando con materiali differenti dall’ABS e dal PLA, sfruttando il fatto che la struttura dell’estrusore e del rispettivo riscaldatore permette di lavorare anche a temperature superiori di quelle da noi consigliate e così pure il controller della SESTOS, che è in grado di regolare la temperatura fino a 1.300 K, ossia 1.026,85 °C: più di quel che ci occorre!
