اگر بگوییم اکسترودر یکی از اصلی ترین بخش های یک پرینتر سه بعدی با تکنولوژی اف دی ام (FDM) است، ادعای بیراهی نکرده ایم! از اساسی ترین اصول چاپ سه بعدی در این تکنولوژی یکنواختی دقیق در خروج مواد اولیه از نازل و همچنین کنترل میزان ماده خروجی از نازل و برگشتی به داخل نازل است.

یک اکسترودر خوب قطعاً می تواند طی ساعت ها و حتی روزهای متمادی فرایند پیوسته ی چاپ، این تضمین را برای شما ایجاد کند که فرایند چاپ صحیح و دقیق داشته باشید.

از ویژگی های دیگر یک اکسترودر خوب و قدرتمند، پشتیبانی از انواع مواد اولیه است. با توجه به تنوع گسترده و رشد روز افزون مواد اولیه (فیلامنت) جدید در صنعت چاپ سه بعدی با تکنولوژی اف دی ام، لازم است که اکسترودر شما قابلیت پشتیبانی از همه ی مواد اولیه با جنس ها و خصوصیات مختلف رفتاری را داشته باشد.

در این مقاله سعی می کنیم در ابتدا با بررسی قسمت ها اصلی یک اکسترودر، با اجزای تشکیل دهنده آن آشنا شده و در ادامه به تشریح اکسترودرهای باودِن (Bowden) و دایرکت (Direct) پرداخته و در انتها با جدیدترین نسل اکسترودرها یعنی اکسترودرهای دو چرخ دنده (DualGear) آشنا خواهیم شد.

• تعریف: در این مقاله بارها به کلمه هات اِند (Hot End) اشاره شده است. هات اِند (Hot End) در یک تعریف ساده، به قطعه ی انتهایی خروج مواد اولیه که مواد در آن داغ شده و به صورت مذاب از سر نازل متصل به هات اند خارج می شود، گفته می شود.

اجزای اصلی اکسترودرها

قبل از بیان تفاوت های اکسترودرهای Direct و Bowden بیایید با شباهت های آنها آشنا شویم. همه ی اکسترودها ویژگی های مشترکی دارند.

موتورها :

اکثر پرینترهای سه بعدی اف دی ام رومیزی (Desktop) از استپرموتورهای استاندارد NEMA 17 استفاده می کنند. ولی این به این معنی نیست که این استپرموتورها همه شبیه به هم هستند. استپرموتورها می توانند با ولتاژهای مختلف و یا جریان های مختلفی کار کنند. همچنین تورک (torque) های مختلفی را پشتیبانی می کنند. جزئیات این تفاوت ها موضوع بحث فعلی ما نیستند. ولی این را می دانیم که یک استپر موتور خوب با تنظیمات مناسب می تواند تاثیر زیادی در عملکرد اکسترودر بگذارد.

چرخ دنده هدایت فیلامنت:

قطعه ای لازم داریم که فیلامنت را بین اکسترودر (Extruder) و هات اِند (Hotend) هدایت کند. چرخ دنده همان قطعه ای است که اینکار را انجام می دهد. اکسترودهای مختلف به دلیل طراحی های متفاوت از چرخ دنده های مختلف استفاده می کنند.

چرخ دنده ها می توانند به صورت پولی های با رزوه های خشن و یا پیچ های ماشین کاری شده و دنده کاری شده باشند. در هر دو حالت، پیچ یا پولی بوسیله موتور اکسترودر حرکت داده شده و با اصطکاک بوجود آمده، فیلامنت را به سمت هات اِند هدایت می کنند.

واسطه ی هدایت گر:

واسطه هدایت گر، مکانیزم هدایتی انتقال فیلامنت از اکسترودر به هات اند را فراهم می کند. واسطه هدایت گر بسته به طراحی اکسترودر می تواند، شلنگ از نوع تفلونی PTFE، چرخ دنده ی پلاستیکی ، بلبرینگ و یا چرخ های ضدسایش باشد.

اکسترودرهای دایرکت (Direct):

درصورتی که اکسترودر مستقیماً بر روی هات اند قرار گرفته باشد، به آن دایرکت می گوییم. در این روش معمولاً رول مواد اولیه جایی دورتر قرار می گیرد و اکسترودر با کشیدن فیلامنت، آن را مستقیماً به داخل هات اند هدایت می کند.

اکسترودرهای باودِن (Bowden):

در اکسترودرهای باودِن به جای اینکه اکسترودر مستقیماً روی هات اِند سوار باشد، ارتباط بین هات اِند و اکسترودر بوسیله یک شلنگ برقرار می شود که به آن شلنگ باودِن (Bowden Tube) گفته می شود. جنس این شلنگ اکثراً از جنس تفلون PTFE بوده و فیلامنت مجبور است مسیر این شلنگ را تا رسیدن به هات اِند طی کند.

⇐سوالی که اینجا مطرح می شود این است که کدامیک از این اکسترودرها بهتر هستند؟

اگر یکی از آنها بهتر می بود کار برای انتخاب راحت تر می شد، ولی هر کدام از آنها نقاط ضعف و قوت خود را دارند و بسته به نیاز و کاربرد پرینتر سه بعدی باید از نوع مناسب اکسترودر استفاده شود.

در ادامه به نقاط قوت و ضعف هر کدام از این اکسترودرها می پردازیم:

• نقاط قوت اکسترودرهای دایرکت (Direct Extruders):

یکی از برتری های بارز اکسترودرهای دایرکت، فاصله کم بین اکسترودر و هات انِد است. فاصله کمتر باعث خروج بهتر مواد اولیه از هات اند و همچنین ریترکت (Retract) بهتر مواد اولیه می شود. در این مدل، گشتاور کمتری در موتور برای هدایت فیلامنت به هات اِند نسبت به مدل باودِن نیاز است. خروج بهتر و ریترکشن بهتر به معنی تمیزی بهتر در سطوح خروجی و کمتر بودن تارهای مواد و جوش روی قطعه ها است. و گشتاور مورد نیاز کمتر به معنی این است که می توان از استپرموتور با سایز کوچکتر استفاده کرد.

فاصله ی کمتر به معنی این است که می توان با مواد اولیه فلکسیبل راحت تر کار کرد به شرطی که بعضی از اصول در طراحی اکسترودر رعایت شده باشد.

• نقاط ضعف اکسترودرهای دایرکت (Direct Extruders):

به دلیل این که اکسترودرهای دایرکت مجبور هستند تمام طول حرکت نازل را در فرایند چاپ همراه نازل حرکت کنند، سنگینی مکانیزم اکسترودر و موتور را به مکانیزم حرکتی پرینتر سه بعدی منتقل خواهند کرد. این سنگینی باعث مشکلاتی از قبیل بک لش در سیستم حرکتی و همچنین لرزیدن فریم و مکانیزم خواهد شد که باعث ایجاد تنش هایی در سطح قطعه به خصوص سرعت های بالاتر می شوند. توقف مکانیزم حرکتی در سرعت های بالا به دلیل افزایش جرم روی هات اند سخت تر می شود. تصور کنید در سرعت بالا، یک ماشین با وزن یک تن راحت تر از یک ماشین با وزن 2 تن را می توان متوقف کرد.

در فریمور (Firmware) پرینتر سه بعدی، کنترل تنظیمات گشتاور و سرعت و … قابل انجام هستند ولی فریمور شما نمی تواند وزن روی هات اِند، و یا میزان محکم بودن بدنه و یا میزان سفتی تسمه های شما را حدس بزند. بنابراین تحمیل مشخصه های مکانیکی اینچنینی می تواند مستقیماً بر روی مشخصات چاپ تاثیرگذار باشد.

علاوه بر این، اضافه شدن حجم روی مکانیزم حرکتی، باعث اضافه شدن جریان موتورها و داغ شدن بیشتر درایورها خواهد شد.

* تمام موارد گفته شده به این معنی نیست که در این مدل اکسترودر نمی توانیم با سرعت های بالا پرینت کنیم! تنظیمات صحیح فریمور، اسلایس و مهمتر از همه مکانیزم صحیح، می تواند تا حد زیادی این نقایص را برطرف کند.

• نقاط قوت اکسترودرهای باودِن (Bowden) :

تمام برتری های یک پرینتر سه بعدی با اکسترودر باودِن (Bowden) در جرم کمتر هات اِند (بواسطه قرار نداشتن وزن اکسترودر بر روی هات اِند و سیستم حرکتی) نسبت به پرینترهای سه بعدی با اکسترودر دایرکت (Direct) است. در شرایط برابر، یک پرینتر سه بعدی با اکسترودر باودن، سریع تر ، نرم تر و دقیق تر از یک پرینتر سه بعدی با اکسترودر دایرکت هم تراز خود، قطعه پرینت می کند.

• نقاط ضعف اکسترودرهای باودِن (Bowden):

رایج ترین مشکل پرینترهای سه بعدی باودِن، تارهای فیلامنت باقی مانده روی قطعه و نقطه جوش های فیلامنت در بعضی نقاط روی قطعه است. فاصله بین اکسترودر و هات اِند باعث به وجود آمدن ناهماهنگی فشار در قسمت اکسترودر و خروجی نازل شده و این اخلاف فشار و استرس باعث ایجاد این اشکال خواهد شد.

علاوه بر این بواسطه افزایش اصطکاک فیلامنت و شلنگ به واسطه فاصله ی طولانی تر کار با مواد اولیه انعطاف پذیر (Flexible) در این اکسترودرها مقداری فنی تر خواهد بود.

اجازه بدهید در ادامه کمی بیشتر در مورد فیلامنت های انعطاف پذیر و مشکلات آنها در حین پرینت توضیح بدهیم.

فیلامنت های فلکسیبل (Flexible Filaments):

امروزه فیلامنت های فلکسیبل در جنس های مختلف (TPU ، PLA Flexible و PC و …) در موارد خاص کاربرد دارند. اینکه اکسترودرهای دایرکت می توانند راحت تر با این مواد اولیه کار کنند به معنی این نیست که همه اکسترودرهای دایرکت می توانند با این نوع مواد اولیه کار کنند و یا اکسترودرهای باودِن نمی توانند مواد اولیه فلکسیبل را چاپ کنند!

اینکه یک اکسترودر بتواند با این نوع مواد اولیه کار کند مستقیماً به طراحی آن بر می گردد. برای مثال به تصویر زیر نگاه کنید. سمت چپ، تصویر رفتار یک فیلامنت عادی مثل PLA و سمت راست، رفتار یک فیلامنت فلکسیبل در اکسترودر را نشان می دهد.

همانطور که می بینید به دلیل ضعف در طراحی اکسترودر سمت راستی دچار جمع شدن فیلامنت شده و عملیات پرینت با مشکل مواجه شده است. بصورت پیشفرض اکسترودرهای MK8  (این مدل یک نوع اکسترودر دایرکت است) دچار این ضعف هستند مگر اینکه سازنده تغییراتی در آنها اعمال کرده باشد.

در تصویر زیر می توانید اکسترودر با ساختار صحیح برای کار با مواد فلکسیبل را ببینید.

این ساختار می تواند برای اکسترودرهای دایرکت و یا باودِن مورد استفاده قرار گیرد.

اکسترودرهای دوچرخ دنده (DualGear):

اکسترودرهای دوچرخ دنده (DualGear) از دو عدد چرخ دنده برای هدایت فیلامنت به سمت هات اِند بهره می برند. به این دلیل علاوه بر راحتی در هدایت مواد اولیه فلکسیبل، مواد اولیه دیگر را نیز با قدرت و کاملاً قابل اعتماد به سمت هات اِند هدایت می کند.

بواسطه قدرت بالای این نوع اکسترودرها، در هر دو مدل روش Bowden و Direct قابل استفاده هستند. بواسطه قدرت و سرعت بالا، در این مدل اکسترودرها می توان ضعف های اکسترودرهای دایرکت در قسمت ریترکشن و تارهای فیلامنتی و نقطه جوش های روی قطعه را برطرف نمود.

نتیجه گیری:

اینکه کدام روش (Bowden یا Direct) مناسب است به طراحی شرکت سازنده و کاربرد آن بستگی دارد ولی به صورت کلی به دلیل اینکه در پرینترهای سه بعدی رومیزی بواسطه سبُک بودن وزن، این دستگاه ها نباید لرزه داشته باشند بهترین انتخاب، اکستروردهای نوع باودِن (Bowden) است. حال اگر این اکسترودرها از نوع DualGear باشند می توان از آنها به عنوان بهترین انتخاب ممکن برای پرینترهای سه بعدی رومیزی عنوان کرد.

در پرینترهای سه بعدی با سایز بالا و صنعتی بواسطه سنگینی فریم و بدنه و البته نیاز به چاپ در سرعت بالاتر و اطمینان از رسیدن بی کم و کاست مواد اولیه به نازل بهتر است از اکسترودرهای نوع دایرکت (Direct) استفاده شود.

اگر شما هم در مورد مزایا و معایب این دو توع اکسترودر نظری دارید لطفاً در قسمت دیدگاه با ما و سایر مخاطبین این مقاله در میان بگذارید.