Stampa 3D ad alta velocità, precisa, anche contro gravità

Concept di stampante 3D sviluppato da GH Enterprise di Faenza (RA), al cui interno occupano un ruolo operativo determinante le guide lineari Hiwin.

Quando un’evoluta elettronica, potenti algoritmi e una meccanica performante trovano il giusto equilibrio, il risultato può essere sorprendente. Come nel caso di GH Enterprise, eccellenza nella progettazione elettronica e nel motion control, che ha beneficiato delle prestazioni e dell’affidabilità delle guide lineari Hiwin, per lo sviluppo di una stampante 3D destinata al settore professionale. Un concept il cui cuore tecnologico è rappresentato da un controller flessibile, impiegabile anche su Cnc, bracci robotici e incisori laser.

Nata nel 2008 come azienda di progettazione elettronica conto terzi, realizzando progetti e prodotti Oem (tra cui telecamere industriali, contagiri automotive, schede elettroniche di controllo posta pneumatica), GH Enterprise di Faenza (RA) vanta oggi know-how, competenze e partnership che le consentono di ricoprire un ruolo di eccellenza internazionale nella progettazione elettronica e nella stampa 3D.

«La svolta decisiva che ha consentito questa crescita – spiega il general manager Alessandro Casadio – si è avuta nel 2015, quando ho deciso di investire risorse non più solo nei prodotti Oem, ma nel mondo della stampa 3D. Per una ragione e una convinzione ben precisa, ovvero che in questo ambito mancasse un prodotto realmente professionale in quanto, fino a quel momento, dominato solo da elettroniche di controllo open-source. Un vantaggio per certi aspetti per makers e hobbisti, ma non adeguato alle sempre più spinte esigenze di altre target di utenze professionali».

Guida lineare a sfere Hiwin serie MGN.

Un’intuizione che ha portato l’azienda alla realizzazione di una nuova ed esclusiva scheda elettronica per il controllo di stampanti 3D (ma non solo) caratterizzata da elevate prestazioni, rese possibili grazie all’impiego di soluzioni STMicroelectronics. Azienda, quest’ultima, di cui oggi la stessa GH Enterprise è partner e, con la quale partecipa attivamente allo sviluppo dei semiconduttori e dei processori del futuro.

«Il passo successivo – aggiunge Casadio – è stato quello di mettere a punto un concept di stampante 3D, dotato della citata scheda, denominata Speedy Board. Un cuore tecnologico che ci ha permesso di ottenere prestazioni non raggiungibili con la normale elettronica che oggi equipa

Alessandro Casadio, general manager di GH Enterprise di Faenza (RA).

ggia la maggior parte delle stampanti presenti sul mercato».

Un concept di stampante 3D al cui interno occupano un ruolo operativo determinante le guide lineari Hiwin. Una delle peculiarità offerte dalla scheda è infatti quella di essere in grado di fornire altissime velocità e accelerazioni. Potenzialità che devono trovare un mezzo adeguatamente performante per essere trasferite dal digitale al pezzo stampato.

Mini dimensioni, maxi prestazioni

«Nei primi prototipi messi a punto lo scorso anno – rileva Casadio – avevamo scelto guide lineari disponibili sul mercato, non Hiwin, impiegate per la movimentazione di una cinematica a delta con la quale si muoveva la testina di stampa. Guide che però non sono state in grado di stare al passo con quanto richiesto dal nostro controller in termini di accelerazioni, velocità e rumorosità desiderate. In altre parole una meccanica non all’altezza delle nostre specifiche».

Fabio Sacchetta, Hiwin Key Account Manager.

Propizio e risolutivo è stato l’incontro tra GH Enterprise e i tecnici Hiwin che ha portato a definire i precisi requisiti da soddisfare e a individuare nella guida lineare a sfere serie MGN, la più indicata per questa tipologia di applicazione. Basate sull’apprezzata tecnologia Hiwin, le guide appartenenti a questa gamma constano di un profilo ad arco gotico delle piste che sostiene il carico in tutte le direzioni, mostrandosi particolarmente rigido e preciso. Grazie alla forma costruttiva compatta e leggera risultano particolarmente così adeguate per essere impiegate in dispositivi di ridotte dimensioni. Stiamo parlando di guide miniaturizzate ma che, al tempo, stesso, offrono tutte le prerogative prestazionali richieste per soddisfare le esigenze più specifiche. Ulteriore valore aggiunto di queste guide per asservire la cinematica delta robot, è stato quello di garantire un’affidabilità costante nel tempo; un’assenza di giochi resa possibile da un’elevata qualità dei componenti base.

Dettaglio guida lineare Hiwin su su concept di stampante 3D sviluppato da GH Enterprise di Faenza (RA).

Precisione di posizionamento senza compromessi

«Elevato livello di qualità – sottolinea Casadio – ripetibile non solo stampando in modo tradizionale, ma anche a gravità contraria, ovvero ribaltando sottosopra la stampante, senza che il filamento collassi. Ciò è reso possibile senza dubbio dall’elettronica e dai potenti algoritmi di controllo da noi sviluppati, ma soprattutto grazie ai pattini delle guide Hiwin che permettono di ottenere assoluta precisione di posizionamento. Senza differenze tra pezzi prodotti con normale gravità o meno. Un cinematismo ottimizzato grazie alla configurazione a delta movimentata dalle tre guide Hiwin di cui la stampante è dotata».

Fondamentale per ottenere una stampa di qualità a gravità contraria è anche il sistema di raffreddamento del filamento appena estruso. A questo proposito la stessa GH Enterprise ha sviluppato un sistema in licenza Creative Commons il quale, contrariamente all’uso comune delle tradizionali ventole, si avvale di piccoli condotti che portano aria da un piccolo compressore situato all’interno della carena della stampante. Con alcuni vantaggi.

«Per esempio – osserva lo stesso Casadio – non essendo posizionato sulla testa di stampa, il sistema toglie peso alla stessa testa, sottraendo massa, agevolando la massima velocità e più elevate accelerazioni di processo».

Guida lineare Hiwin serie EG.

Ma sono anche altre le soluzioni in licenza Creative Commons sempre sviluppate dall’azienda faentina sul concept di questa stampante: un gruppo di continuità e un sistema assistito per livellare il piano su cui il pezzo dev’essere stampato. Il primo permette di svuotare il buffer, di spostare l’ugello dal pezzo di salvarne la posizione e, di fatto, consente di sospendere in sicurezza il processo. Ciò significa, in ambito professionale, avere la garanzia di non perdere ore di stampa di oggetti anche molto complessi e costosi. Il sistema di livellamento assistito, sfruttando un agile touch-screen, facilita invece il posizionamento e, soprattutto, grazie a una recente evoluzione con mappatura del piano stesso (ottenuta grazie anche all’integrazione di un sensore di prossimità), permette di stampare anche su basi irregolari. Anche in questo caso è il controller Speedy Board a gestire alla perfezione le guide lineari Hiwin e i movimenti necessari per la riproduzione corretta, nonostante la non planarità della base.

Tre volte più veloci, con accelerazioni fino a 2g

L’evoluta elettronica del controller Speedy Board, i potenti algoritmi, il firmware (nativamente inserito nel processore da GH Enterprise) e la meccanica performante delle guide Hiwin, permettono alla stampante di processare modelli con filamento fuso estrudibile fino a 350 °C (il controller è comunque in grado di gestire anche stampanti con processi a camera calda). Tuttavia, come per la scelta delle guide Hiwin, la velocità e le capacità di calcolo hanno indotto l’azienda faentina a dover mettere a punto anche una propria mescola.

«Si tratta di Speedy Filament – aggiunge Casadio – materiale che è sostanzialmente una versione di PLA, ma che assicura prestazioni in termini di velocità almeno di tre volte superiore a quello più performante reperibile sul mercato».

Anche i motori stepper sono stati progettati e sviluppati ad hoc

«Il mercato – commenta in proposito Casadio – offre una vasta e consolidata gamma di motori stepper ma che, purtroppo, non sono stati pensati e specificatamente realizzati per applicazioni di stampa 3D. Quelli da noi realizzati, a parità di prezzo, si caratterizzano per garantire in questo ambito la più elevata prestazione operativa. Prestazione, che per il concept sviluppato con un’area di lavoro di diametro 170 x 200 mm, significa accelerazioni oltre i 2 g, ovvero oltre i 20 m/s2. Valore sorprendente se comparato con i 3 m/s2 che possono raggiungere oggi le stampanti 3D professionali più evolute. In termini di velocità, l’elettronica potrebbe spingere gli stepper a un valore teorico di 7,2@ 32ustep. In pratica, a seconda del segmento da stampare, la velocità media si attesta a circa 1 m/s».

Guida lineare Hiwin serie EGH in abbinamento al controller Speedy Board, su una stampante 3D a cinematica cartesiana.

Dalla stampa 3D alla robotica applicata

La flessibilità della scheda Speedy Board, come già sottolineato, permette di controllare e gestire la più vasta gamma di motion control. Oltre al concept di stampante a configurazione delta descritto in queste pagine, sempre in ambito di stampa 3D il controller è stato applicato da GH Enterprise anche con cinematiche cartesiane.

«Anche in questo caso – spiega Casadio – sono state impiegate guide lineari a ricircolo di sfere sempre Hiwin. Nella fattispecie la serie EG, nella versione compatta EGH».

Più in generale il design della serie EG offre basso profilo, alta capacità di carico e rigidità elevata. Questa serie è inoltre caratterizzata da un coefficiente di carico uguale in tutte e quattro le direzioni e da una capacità di autoallineamento che consente di compensare gli eventuali errori d’installazione, permettendo di ottenere livelli di precisione superiori. Grazie all’altezza e alla lunghezza compatte, tale serie si rivela particolarmente adatta per i sistemi di automazione ad alta velocità e le applicazioni che presentano limitazioni di spazio. Tipici requisiti, questi, delle applicazioni di stampa 3D.

«Abbiamo trovato in Hiwin – sottolinea Casadio – un partner qualificato capace di fornirci un supporto attento per soddisfare le nostre esigenze applicative. Oggi rappresentate da questo concept, ma che in futuro potrebbe coinvolgere guide lineari di maggiore taglia. Punto di forza del nostro controller Speedy Board è in fatti la grande flessibilità. Il nostro obiettivo e la road-map intrapresa è infatti quella di sfruttarne appieno le potenzialità, unitamente alle prestazioni offerte dai nuovi processori ST ARM Cortex H7, per servire anche altri segmenti operativi. Questo nuovo processore permetterà di elevare ulteriormente le capacità di calcolo per aggredire comparti di motion control più esigenti e sfidanti come quello dei Cnc, degli incisori laser e dei bracci robotici. Ambito, quest’ultimo dove peraltro Hiwin vanta una profonda esperienza e un’ampia offerta di soluzioni».

Flessibilità e prestazioni ai massimi livelli

Speedy Board, il controller progettato e realizzato da GH Enterprise, è in costante evoluzione grazie alla partnership che l’azienda faentina ha stretto con il colosso dell’elettronica STMicroelectronics. Nella sua più recente versione la scheda utilizza il microcontroller ST ARM Cortex H7, integra un display touch-screen da 3.5” o 7” abilitato come punto di accesso Wi-Fi, e include porta Usb, lettore di schede SD, gruppo di continuità e sistema assistito touch di livellamento piano di stampa. Completamente personalizzabile nell’hardware e nel software, può disporre di un massimo di 18 ingressi digitali, 8 ingressi analogici per sensori, e 10 Mosfet di uscita digitali.

Soluzioni per il movimento, la trasmissione e l’automazione

Oltre ai noti e storici prodotti quali le guide lineari, le viti a ricircolo di sfere, le tavole rotanti e sistemi di assi, Hiwin vanta anche una vasta gamma di robot multiasse, tra cui: robot antropomorfi a 6 assi, robot Scara e delta-robot. Soluzioni che permettono movimentazioni complesse (per carichi da pochi grammi fino a 20 kg) che lavorano dove assi lineari o tavole rotanti non sono sufficienti al soddisfacimento di determinati requisiti operativi.

 

 

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