Piatto riscaldato stampante 3D: come funziona?

Cos’è un piatto riscaldato per la stampa 3D ?

Un piatto, nella stampante 3D, è in gergo la superficie su cui viene appoggiato, anzi, “incollato” l’oggetto che stiamo producendo.

Ogni stampante 3D, sia a tecnologia FDM a filamento, o a liquido con resina, possiede un piatto di stampa.

Nelle stampanti 3D FDM a filamento, a basso costo, per migliorare l’adesione del pezzo in costruzione si utilizza un piatto con superficie riscaldata.

Nelle stampanti 3D professionali, ad alto costo, viene scaldata tutta la camera di stampa. Il piatto è di norma alla temperature della camera riscaldata.

La temperatura del piatto, di solito regolabile, è compresa tra i 30 e 115°C.

Riscaldare il piatto migliora anche il rilascio delle tensioni superficiali che si formano quando, il pezzo in costruzione, si raffredda (questo è valido per le stampanti a tecnologia FDM che sciolgono il filamento prima di farlo aderire al pezzo in stampa).

Come funziona con la stampante 3D?

Per materiali di stampa 3D quali il PLA, il piatto riscaldato migliora la adesione al piatto di stampa. E’ indispensabile quando la superficie di stampa non è bene livellata, rispetto all’ugello dell’estrusore (problema di planarità).

Se usciamo PLA e il piano di stampa è ben livellato, con tolleranze su tutta la superficie inferiori a 0,05mm, il piatto riscaldato non è indispensabile.

Se la temperatura del piatto riscaldato supera i 45°C si rischia che i supporti vicini al piatto si “attaccano troppo” al pezzo in stampa.

Il PLA è un materiale plastico con temperatura di rammollimento che si aggira intorno ai 45°C. Il problema di questo materiale è che deve essere raffreddato per poter ottenere delle finiture “belle”.

Con materiali plastici quali ABS, e altri materiali che hanno una temperatura di rammollimento dai 60 ai 115°C (PETg, Nylon, PA12, PoliPropilene PP, Policarbonato)  il piatto riscaldato diventa indispensabile sia per adesione che per tensioni superficiali. Il ABS ha una percentuale di ritiro che varia dal 2 al 5%.

Quando si stampa materiali plastici come la gomma il piatto riscaldato, di norma, non serve.

L’elemento riscaldante necessità di una certa Potenza elettrica per elevare la sua temperature. Data la Potenza fornita dal costruttore si dovrà utilizzare un circuito elettronico che ne regoli la temperature nel campo compreso tra 30 e  115°C.

Le schede elettroniche di più comune utilizzo (RAMPS) sono predisposte con un circuito elettronico dedicato. Offrono una soluzione semplice e, nella maggior parte degli utilizzi, efficace e a basso costo. Bisogna fare attenzione che i dispositivi di commutazione di Potenza mosfet siano adeguatamente raffreddati e protetti dal corto circuito.

Per gli elementi riscaldanti con alimentazione a 230 Volt ac (la corrente elettrica di casa per intenderci) il circuito elettrico necessita di accortezza, sia per non prendere la scossa, sia per non incendiare l’elemento riscaldante.

piatto riscaldato stampante 3D - schema elettrico con sistema siliconico a 230 Volt corrente alternata
piatto riscaldato stampante 3D – schema elettrico con sistema siliconico a 230 Volt corrente alternata

Com’è fatto un piatto riscaldato ?

La superficie del piatto di stampanti 3D FDM a scioglimento di filamento è, a seconda del produttore, composto da:

  • vetro
  • alluminio coperto con tappetino tecnico che migliora l’adesione
  • piatto elettrico microforato

sotto la superficie di adesione viene collocato un Sistema di riscaldamento elettrico che può essere ottenuto con:

  • piste di rame su circuito stampato PCB
  • piste di rame su base di alluminio
  • resistenza riscaldante siliconica
  • piste di rame inglobate in Kapton
piatto riscaldato stampante 3D - base alluminio - vista alto
piatto riscaldato stampante 3D – circuito stampato con base di alluminio

 

piatto riscaldato stampante 3D - siliconico con termistore - vista alto
piatto riscaldato stampante 3D – resistenza scaldante inglobata in materiale siliconico con termistore

 

piatto riscaldato stampante 3D - piste di rame inglobate in Kapton - vista alto
piatto riscaldato stampante 3D – piste di materiale conduttore inglobate in Kapton – vista alto

A seconda del produttore l’elemento riscaldante viene coibentato per migliorare l’efficienza e diminuire le dispersione di calore. Considerando che il calore va verso l’alto, nel caso delle stampanti 3D la coibentazione non è così indispensabile.

Distribuzione di calore.

Analizzo un piatto riscaldato montato sua una stampante 3D in KIT cinese che è composto da:

  • base di alluminio 200 x 200 x 2 mm, su cui viene incollato un tappetino tecnico
  • elemento scaldante: piste di rame inglobate in Kapton (145 x 145 mm)
  • sonda di misura della temperatura: NTC incollata al centro del piatto con adesivo Kapton
piatto riscaldato stampante 3D - immagine termica e distribuzione del calore
piatto riscaldato stampante 3D – immagine termica e distribuzione del calore

La distribuzione di temperatura non è uniforme, come si vede dalla imagine termografica. Il centro è più caldo rispetto ai bordi.

Un problema riscontrato nei piatti riscaldati tradizionali è questa dis-omogeneità di temperature. Se fai una stampa vicino ai bordi, dove di solito si stacca il pezzo, avresti bisogno di più temperatura.

Se vuoi risparmiare elettricità, perchè il pezzo da stampare è piccolo, non puoi.

I dati tabellari ottenuti sono:

Tensione applicate                       4,4 V          5,8 V          7,4 V

Corrente                                            3,0 A          4,0 A          4,9 A

Potenza applicate                       13,2 W       23,2 W       36,1 W

Temperatura del piatto             39 °C          54 °C          71 °C

 

Quanto scalda una resistenza elettrica?

Per la legge di Joule una resistenza attraversata da una corrente genera calore, cioè si scalda.

Una energia termica applicata nel tempo genera, in una massa, una variazione di temperature.

Una resistenza di 47 Ohm e Potenza nominale di 5 Watt (100%) produce una quantità di calore che possiamo misurare con la sua temperature.

Applico una tensione continua di 7,7 Volt che produce una Potenza di 1,25 Watt (25%). La temperature del suo corpo in ceramica misura  78°C (con temperatura di partenza e ambiente di 21°C).

Applico una tensione continua di 10,8 Volt che produce una Potenza di 2,5 Watt (50%). La temperature del suo corpo in ceramica misura  122°C (con temperatura di partenza e ambiente di 21°C).

piatto riscaldato stampante 3D - esperimento con resistenza ceramica
piatto riscaldato stampante 3D – esperimento con resistenza ceramica

link e video su: piatto riscaldato per stampanti 3D.

Come costruire un piatto riscaldato fai da te per stampanti 3D

come progettare un piatto riscaldato per stampante 3D

immagine termina e distribuzione di calore di un piatto riscaldato

Autore dell'articolo: Lucio Sciamanna