» پرینتر3بعدی » اکسترودر نازل Extruder چیست: قطعه الکترونیک مکانیک پرینتر سه بعدی FDM
اکسترودر پرینتر

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.

اکسترودر

ساختار اکسترودر پرینتر سه بعدی

  • نازل:

سر 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:

هات اند نازل

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:

درایور اکسترودر

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.

اکسترودر چیست
  • محل قرارگیری درایو اکستروژن

در برخی از مدل های پرینتر سه بعدی، درایو اکستروژن بالای اکسترودر قرار می گیرد و همراه آن حرکت می کند (موسوم به درایور مستقیم که مرسومترین نوع هستند). در طرحی دیگر، درایو اکستروژن به قاب چفت میشود و توسط لوله‌ ای بلند، معروف به لولۀ Bowden، به اکسترودر متصل می شود (موسوم به درایور Bowden که کمتر مرسوم هستند). مزایا و معایبی برای هر دو محل قرارگیری درایو اکستروژن وجود دارد. در سیستم هایی که از لولۀ Bowden  استفاده می کنند، پرینت‌هِد میتواند با شتاب بیشتری کار کند، زیرا دیگر وزن اضافی درایو اکستروژن را با خود حمل نمیکند. این امر می تواند به طور قابل توجهی سرعت چاپ را افزایش دهد. عیب این سیستم فاصلۀ زیاد بین چرخ دنده های غلتکی و هات‌اند است. هر چه این فاصله بیشتر باشد، اکستروژن فیلامنت دیرتر انجام خواهد شد. این تاخیر در هنگام چاپ فیلامنت های انعطاف پذیر افزایش می یابد، بنابراین بهتر است برای پرینت فیلامنتهای انعطاف پذیر مثل TPU از سیستم Bowden استفاده نکنید. در سیستم اکستروژن مستقیم جوانب مثبت و منفی عوض می شوند. نمی توانید خیلی به سرعت شتاب بدهید یا از شتاب بکاهید، زیرا وزن موتور استپر روی حامل اضافه شده است، اما فرایند اکستروژن و بازکشش با سرعت بیشتر  و روانتری انجام می شود. پیشنهاد میکنیم دستگاهی با سیستم اکستروژن مستقیم خرید کنید چون نگهداری و سرویسکاری آن در ایران راحت تر است. به علاوه، به چاپ با سرعت پرینت کمتر تمایل داشته باشید زیرا کیفیت قطعه همیشه در اولویت قرار دارد.

برخی چاپگرهای سه بعدی FDM با دو نازل همزمان عرضه میشوند که امکان استفاده از متریال دو رنگ یا متریال مکمل را در یک فرآیند چاپ فراهم میکند. پیشنهاد میشود مقاله «پرینترهای سه بعدی اکسترودر دوگانه» را مطالعه کنید.

انواع اکسترودر دوگانه پرینتر سه بعدی

آیا تا به حال به پرینت سه بعدی چند رنگ نیاز پیدا کرده اید؟ یا فکر کرده اید که میشود متریالهایی کاملا متضاد را در کنار هم پرینت کرد مثلا فیلامنت PLA با Flexible ؟ یا شاید از کندن پردردسر ساختارهای نگهدارنده (ساپورت) بعد از چاپ قطعه خسته شده اید و ترجیح می دهید این ساختارها از متریالی ساخته شوند که بعداً به راحتی در آب گرم حل شوند؟ اگر هر یک از این موارد در مورد شما صدق می کند، به خواندن این مقاله ادامه دهید! روش های مختلفی برای دستیابی به چاپ هایی با متریال چندگانه وجود دارد مثلا استفاده از اکسترودرهای چندگانه. برای ساده نگه داشتن بحث، ما روی پرینترهای دارای دو اکسترودر تمرکز می کنیم.

  • اکسترودرهای ثابت: FIXED EXTRUDERS

اکسترودر دوگانه

وقتی دو اکسترودر دارای یک حامل مشترک باشند (یعنی وقتی اکسترودر اول حرکت می کند، دومی نیز به حرکت در می آید)، به این حالت «ثابت» می گویند. اکسترودر دوگانۀ ثابت کمی پیچیده تر از اکسترودر تکی است. شما باید یک موتور استپر اضافه را به درایو اکستروژن و همچنین ترمیستور دوم و المنت حرارتی را به مادربرد متصل کنید. معمولا نیازی به ایجاد تغییر چندانی در مکانیک خطی چاپگر سه بعدی وجود ندارد؛ گرچه باید محور حرکتی در حالت دوگانه بسیار دقیق باشد مثلا از ساختار ریل واگن استفاده شود. با این حال، بسیاری از سازندگان، پرینترهای اکسترودر تکی را به اکستروژن دوگانه ثابت ارتقاء میدهند. مثلا در خارج از ایران پک اکسترودر Chimera ساختۀ E3D یک اکسترودر دوگانۀ ثابت محبوب است که با بسیاری از پرینترها سازگاری دارد. اگر به دنبال چیزی متفاوت می گردید، Karken را در نظر داشته باشید که یک اکسترودر چهارگانۀ ثابت است. با این حال،اکسترودرهای ثابت دارای دو ویژگی غیرقابل تغییر هستند:

  1. تنها یکی از اکسترودرها می تواند در آن واحد چاپ کند.
  2. اکسترودر بلااستفاده می تواند به بخش چاپ شده برخورد کند یا به طور ناخواسته متریالی از آن نشت کند (البته اگر ناشیانه اسمبل شده باشد وگرنه در حالت عادی این مشکل وجود نخواهد داشت).
  • اکسترودرهای دوگانۀ مستقل (IDEX EXTRUDERS)

اکسترودر دوگانه

همانطور که از نام آنها پیداست، اکسترودرهای IDEX یک محرک خطی اضافه برای اکسترودر دوم دارند که معمولاً به موازات میله/ریل خطی اکسترودر اول کار می کند (شکل 2). این پرینترها می توانند با هر دو اکسترودر خود به طور همزمان چاپ کنند یا در حین چاپ با چند متریال میتوان اکسترودر بلااستفاده را به خارج از مسیر منتقل کرد تا از برخورد با قطعه یا نشتی متریال جلوگیری شود. نیاز به حرکت خطی اضافی برای اکسترودر دوم به این معنی است که چاپگرهای IDEX گران تر و پیچیده تر هستند و برای دستیابی به حجم ساخت مشابه با اکسترودر تکی به محفظۀ بسیار بزرگتری نیاز است. اگر از پرینترهای سه بعدی با طراحی IDEX مانند Zidex استفاده می کنید، به خاطر داشته باشید که فقط چند مادربرد قوی می توانند از موتور محرک خطی و سوئیچ محدود کنندۀ اضافی پشتیبانی کنند. مثلا برای ساخت چنین دستگاهی مادربرد Duet Wifi در حالت 32 بیتی پیشنهاد میشود.

موقعیت مبدا (offset افست) اکسترودر

چه چاپگر شما از اکسترودرهای مستقل استفاده کند و چه از اکسترودرهای ثابت، ضروری است که موقعیت هر اکسترودر را نسبت به مختصات فضای کار بدانید. منظور از فضای کار تمام چیزهای داخل و بالای بستر چاپ است. پس از قرار دادن اکسترودرها در موقعیت خانه (home)، بعید است که نازل ها در مختصات (0,0,0) یا مبدا فضای کار قرار بگیرند. در واقع، غیرممکن است که هر دو اکسترودر در چنین موقعیتی باشند. علاوه بر این، طراحی اغلب پرینترها به گونه ای است که ریل ها آنقدر بلند باشند که اکسترودرها به شکلی در موقعیت خانه قرار بگیرند که روی بستر چاپ قرار نداشته باشند. این امر به اکسترودرها اجازه می دهد که با پاکسازی و تمیز کردن نازل برای چاپ آماده شوند. بدیهی است که Firmware یا همان سفت افزار باید بداند که اکسترودرها چقدر از بستر چاپ فاصله دارند. متغیری که این فاصله را توصیف می کند به عنوان افست (offset) شناخته می شود و با پیدا کردن فاصلۀ X و Y هر اکسترودر از مبدا بستر چاپ می توان آن را محاسبه کرد (شکل زیر):

fdm offset

در مواردی مانند چاپگرهای سبک پروسا، که بستر چاپ در آنها متحرک است، محاسبۀ افست بسیار گیج کننده تر خواهد بود، بنابراین برای جابجایی اکسترودرها و بستر چاپ در جهت X و Y وقت بگذارید تا هر نازل را با مبدا بستر چاپ هماهنگ کنید. این اعداد را به فایل پیکربندی سفت افزار پرینتر منتقل کنید. برای انجام این کار، چاپ مدلی که در شکل زیر می بینید توصیه می شود:

فایل سه بعدی

بدین صورت که برای دستیابی به بهترین مقدار افست باید مکعب ها در یک راستا قرار بگیرند و وقتی با انگشتان خود اطراف مدل را لمس می کنید باید این هماهنگی و یکپارچگی را حس کنید.

روش های «دیگر» چاپ با چند متریال

با گفتن این که بهترین راه برای چاپ با متریال چندگانه اکسترودرهای مستقل هستند، پیش دستی کردم. بیایید به عقب برگردیم و نگاهی به دو روش دیگر بیندازیم که چاپ با چند متریال را تسهیل می کنند.

  1. کنترل کنندۀ فیلامنت (Filament Handler)

پروسا

سری Prusa i3 MK2.5S/MK3S دارای یک پک ارتقاء اختیاری است که به این چاپگرِ سه بعدی دارای یک اکسترودر اجازه می دهد با پنج متریال مختلف فرایند چاپ را انجام دهد. چطور چنین چیزی ممکن است؟

خب، یک کنترل کنندۀ فیلامنت خودکار می تواند یک فیلامنت را از بین پنج رول انتخاب و آن را در یک نازل واحد بارگذاری کند. وقتی اولین بار در مورد این روش چاپ چند متریالی شنیدم واقعاً مجذوب شدم، زیرا به دلیل وجود تنها یک اکسترودر، دیگر در مورد افست اکسترودر نگرانی نخواهید داشت.

پک پروسا

با این حال، من نگران پیچیدگی این روش هستم. یک قطعۀ چاپی دارای صدها لایه است و احتمالاً این کنترل کنندۀ فیلامنت در طول یک چاپ واحد باید بارها و بارها فیلامنت های مختلف را بردارد و جایگزین کند. چنین سیستمی چقدر می تواند قوی باشد؟

از روی تجربۀ شخصی می توانم بگویم که اولین نمونۀ این طرح یک شکست کامل بود. دستگاه Prusa i3 MK2 که من با آن کار می کردم دارای ارتقاء چند متریالی بود اما تنها کمتر از ده درصد از چاپ های من بدون مشکل گرفتگی و گیر کردن به پایان رسید! پروسا برای اطمینان بیشتر، به جای تعمیر سیستم قبلی، کل سیستم را دوباره طراحی کرد. شنیده ام که نسخۀ دوم اصلاحاتی اساسی داشته اما همچنان محدودیت هایی ذاتی در این روش وجود دارد:

اولاً، پس از بارگذاری فیلامت جدید همچنان پسمانده‌ های فیلامنت قبلی در هات‌اِند باقی می ماند. برای خلاص شدن از شر این فیلامنت اضافی، پرینتر باید در کنار قطعۀ چاپی یک برج بزرگ دور انداختنی چاپ کند تا هات‌اند تمیز و تخلیه شود. این امر موجب اتلاف زمان و فیلامنت می شود. پروسا گفته است که به جای چاپ این برج دورانداختنی می توان با استفاده از متریال اضافی فرایند پرشوندگی قطعۀ اصلی را انجام داد، اما این ما را به نقد دوم به این سیستم می رساند؛ چون هیچ چاپگر دیگری از کنترل کنندۀ فیلامنت استفاده نمی کند (عمومیت ندارد)، بنابراین انگیزۀ کمی برای برنامه های اسلایسری محبوب مانند Cura و Simplify3D وجود دارد تا این ویژگی پرشوندگی را در خود جای دهند.

  1. دستگاه پیوند دهندۀ فیلامنت (Filament Splicer)

pallet 3d print

روش دیگر برای تبدیل پرینترهای تک اکسترودر به دستگاه های چند متریالی استفاده از رول هایی است که در طول فیلامنت تغییر متریال (یا رنگ) می دهند. چنین رول هایی را می توان با بریدن و چسباندن فیلامنتهای مختلف به یکدیگر تهیه کرد. این فناوری ابتدا توسط شرکت Mosaic به بازار عرضه شد | mosaicmfg.com | . یک دستگاه جداگانه به نام Palette رشته های فیلامنت را می بُرد، ذوب می کند و به یکدیگر پیوند می دهد. این فرایند نسبتاً پیچیده ای است و تماشای فیلم آن از خواندن توضیحات طولانی بهتر است، بنابراین پیشنهاد می کنم حتما ویدیوی مربوط به آنرا در زیر مشاهده کنید.

بهترین نکته در این روش این است که هیچ گونه بارگیری و تخلیه فیلامنت در داخل اکسترودر وجود ندارد (امری که اغلب منبع اصلی خرابی چاپ محسوب میشد). این فرایند به چاپ یک برج پاکسازی در کنار قطعۀ اصلی نیاز دارد (گویا این شرکت در مدلهای جدیدتر دستگاه، چنین مشکلی را برطرف کرده است). در هر حال Palette به نرم افزاری اختصاصی نیاز دارد تا بتواند پیش بینی کند که چه فیلامنت هایی باید به هم متصل شوند تا قطعه با مشخصات مورد نظر پرینت شود.

نکته: کلیه مدلهای palette فقط با فیلامنت قطر 1.75 میلیمتر سازگار هستند. برخی پرینترهای سه بعدی قابل اتصال به این دستگاه عبارتند از:

Raise3D, MakerGear, Ender 3, CR-10, Prusa, Robo, gCreate, Printrbot, SeeMeCNC, Wanhao, TEVO, Anet, RepRap ….

مثالی از قطعات قابل خرید اکسترودر چاپگر سه بعدی:

محصولات زیر را به عنوان نمونه در نظر بگیرید و با جستجو کالای مشابه را از فروشگاههای اینترنتی عرضه کننده قطعات مهندسی یا در بازار شهر خود پیدا کنید.

درایور اکسترودر

درایور اکسترود Bondtech

درایو اکستروژن مجهز به Pancake NEMA 17 با نسبت چرخ دنده های دخلی 3:1 که برای سیستم های Bowden و مستقیم مناسب است

اکسترودر

اکسترودر E3D

اکسترودر تک نازل سازگار با فیلامنت 1.75 میلیمتری با 24 ولت

اکسترودر دو نازله

Chimera

پک اکسترودر دو نازله ثابت یا fixed از شرکت E3D

pallet 3

palette 3

پک سخت افزار پرینت سه بعدی رنگی یا متریال متضاد از شرکت Mosaic : قابلیت پرینت قطعات با متریالهای PETG - ABS - PLA - Flexible - Soluble یا حل شونده - قطر فیلامنت سازگار 1.75 میلیمتر

نازل پرینتر

پک سر نازلهای E3D

نازل های برنجی (0.25، 0.30، 0.50، 0.60 و 0.80 میلیمتر) برای اکسترودرهای E3D V6

استپ موتور

استپ موتور Stepperonline

موتور استپر Pancake NEMA 17- 1A، 18.4 اونس

اکسترودر

اکسترودر چندگانه

پک اکسترودر 4 نازله ثابت یا fixed مدل Kraken از شرکت E3D با ساختار تمام فلزی | توضیحات اکسترودر تمام فلزی |

خب، امیدواریم حالا درک بهتری از ساختار اکسترودر چاپگرهای سه بعدی متریال ترموپلاستیک داشته باشید. لطفا اطلاعات تکمیلی خود درباره این مقاله را در بخش کامنتیگ مطرح کنید.

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

Enter Captcha Here : *

Reload Image