اکسترودر نازل Extruder چیست: قطعه الکترونیک مکانیک پرینتر سه بعدی FDM

اکسترودر از قطعات بسیار مهم و اصلی چاپ سه بعدی FDM: Fused Deposition Modeling یا FFF است. در این مقاله ساختار اکسترودر به طور کامل شرح داده میشود و سپس به مبحث اکسترودر دوگانه یا چند متریاله و روشهای دستیابی به آن میپردازیم. در انتها نیز چند نمونه محصول معرفی میشوند.

اکسترودر چاپگر سه بعدی برای شیوۀ گرم کردن و مایع‌سازی ترموپلاستیک پیش از دپوزیت آن روی بستر ساخت به کار میرود. دو بخش عملکردی اساسی در فرآیند FFF/FDM وجود دارد: هات‌اِند یا انتهای گرم که باعث نرمی و مایع شدن فیلامنت پلاستیکی می شود و درایو اکستروژن (شامل استپر موتور و چرخ دنده) که فیلامنت را به هات‌اند منتقل می کند.

برای ساده کردن بحث باید به این نکته اشاره کنیم که فیلامنت جامد ورودی به هات‌اند مانند یک پیستون عمل میکند و فیلامنت مذاب را به سمت خروجی نازل هدایت می کند؛ یعنی ترموپلاستیکی را که از نازل خارج میشود بصورت مذاب و روان درآمده و در فرایندی لایه به لایه، توسط سیستم حرکتی متشکل از ریل خطی و حامل ها، روی بستر قرار می گیرند تا هندسه ای سه بعدی ساخته شود. اجرای سازندۀ اکسترودر را در ادامه این مطلب بررسی خواهیم کرد، اما برای جلوگیری از سردرگمی به یاد داشته باشید که اکسترودر چیزی همانند تفنگ چسب حرارتی است.

ساختار اکسترودر پرینتر سه بعدی

• نازل:

نازل آخرین قسمت اکسترودر است که پیش از قرارگیری پلاستیک روی بستر ساخت، آن را لمس می کند. پلاستیک مذاب از سوراخی کوچک در انتهای نازل خارج می شود که این سوراخ دارای قطری مشخص است، مثلا از 0.2 میلیمتر تا 1.00 میلیمتر. ترموپلاستیک مذاب اکسترود شده فرم قطر سوراخ را به خود می گیرد و بدین ترتیب می توان با استفاده از نازل هایی با سوراخ های کوچک تر، چاپ هایی با وضوح بالاتر به دست آورد (مبحث ارتفاع لایه یا Layer Height).

هنگام انتخاب نازل، به غیر از قطر سوراخ، باید به ماده سازنده آن نیز توجه کرد. ارزان ترین و مرسومترین نازل ها از فلز برنج ساخته میشوند زیرا این ماده فلزی نرم و کار با آن ساده است. با این حال، مواد نرمی مانند برنج مقاومت کمی در برابر سایش و خوردگی دارند. ترموپلاستیک های ترکیبی حاوی ذرات سخت و تیز مانند فیبرهای کربن، نایلون یا شبه چوب و فلز داخل نازل برنجی را می خورند و باعث افزایش اندازه، سوختگی و بی نظمی سوراخ نازل میشوند. برای چاپ کامپوزیت های پلاستیکی فرسایشی، بهترین کار استفاده از نازل هایی با نوکی از جنس فولاد سخت‌شده یا حتی سنگ های قیمتی است. لطفا مقاله «راهنمای انواع اکسترودر نازل چاپگر سه بعدی» را برای توضیحات بیشتر مطالعه کنید.

• Hot-End یا هات‌اِند:

نازل به هات‌اِند پیچ می شود؛ هات‌اِند بلوکی آلومینیومی است که توسط یک کارتریج سرامیکی حرارتی گرم می شود. هات‌اِندهای مرسوم معمولاً می توانند به دمای 250 درجۀ سانتیگراد یا کمی برسند، بنابراین باید مراقب باشید که هرگز هات‌اند را لمس نکنید، حتی اگر چاپگر سه بعدی در حالت غیرفعال باشد.

هر ترموپلاستیک قابل چاپ دارای محدوده دمای مشخصی است که در آن بهترین ویژگی چاپ را از خود نشان می دهد. اگر هات‌اند دمایی کمتر از ذوب پلاستیک داشته باشد، نمی تواند آن را اکسترود کند. از طرف دیگر، اگر هات‌اند بیش از حد داغ باشد، پلاستیک مذاب می سوزد یا چسبندگی آن چنان کاهش پیدا می کند که به درستی روی بستر قرار نمی گیرد. ترمیستور (دمایاب) که در کنار کارتریج حرارتی قرار دارد، درجه حرارت هات-‌اند را اندازه گیری می کند و به شما اطمینان می دهد که حرارت قطعه در محدوه دمای مورد نظر قرار دارد.

نکته: هنگام خرید چاپگر سه بعدی برای اینکه بتوانید متریال ترموپلاستیکهای جدیدی مثل فیبر کربن یا نایلون … را پرینت کنید باید تمام ساختار بخش هات-اند 0فلزی باشد. برای توضیح بیشتر پیشنهاد میکنیم حتما مقاله «اکسترودر تمام فلزی» را نیز مطالعه کنید.

• Cold-End یا کُلد‌اِند:

کُلد‌اِند یا انتهای سرد بلافاصله پس از هات‌اند قرار می گیرد و به طور معمول دارای پره های خنک کننده و یک فن است. ممکن است وجود کُلداِند با عملکرد اصلی اکسترودر، یعنی گرم کردن فیلامنت، متناقض به نظر برسد. افرادی که در چاپ سه بعدی تازه کار هستند باید بدانند که، اکسترودر نه تنها وظیفۀ خارج کردن فیلامنت را بر عهده دارد، بلکه برای حرکت به سمت بخش های غیرمتصلِ مدل باید فشار فیلامنت را کاهش دهد (اصطلاحا عمل بازکشش یا همان گزینه ریترکشن که در اسلایسر میبینید) را انجام دهد. هر چه اندازۀ فیلامنت مذاب بیشتر باشد، احتمال گرفتگی در درایو اکستروژن بیشتر می شود. کُلداِند فیلامنت مذابِ موجود در بلوک آلومینیومی را محدود می کند.

• درایو اکستروژن:

درایو اکستروژن همان چیزی است که فیلامنت را فشار می دهد و آن را از Hot-End خارج می کند. فیلامنت باید سرد باشد تا چرخ دنده های درایو اکستروژن بتوانند آن را بگیرند. به همین دلیل است که یک Cold-End مناسب در فرایند چاپ اهمیت بسیار زیادی دارد. چرخ دنده هایی که دارای شیارهایی هستند و مسئولیت نگه‌ داشتن فیلامنت را بر عهده دارند، با عنوان چرخ دنده های غلتکی شناخته میشوند. یک موتور استپر درایو اکستروژن را به کار می اندازد و چرخ دنده های غلتکی را می چرخاند. فرایند فشردن فیلامنت از طریق کلد‌اند به درون هات‌اند به نیروی بسیار زیادی نیاز دارد. به همین دلیل، اغلب از موتور استپر چرخ‌دنده‌ای برای درایو اکستروژن استفاده می شود.