Объяснение прямого экструдера:функции, применение и совместимые материалы

Прямой экструдер — это тип экструдерного механизма 3D-принтера, который напрямую подает нить в узел горячего конца машины FDM® (моделирование наплавлением нити) или FFF (производство наплавленной нити) без необходимости использования дополнительных трубок или боуденовских кабелей. Он обычно используется в настольных 3D-принтерах FDM® с прямым приводом. Экструдер прямого действия состоит из шагового двигателя, привода и натяжного рычага, установленного непосредственно над горячим концом. Когда двигатель вращается, приводная шестерня захватывает нить и толкает ее вниз к горячему концу, где она расплавляется и слой за слоем наносится на рабочую платформу. Прямые экструдеры известны своим точным контролем нити, что позволяет улучшить качество печати, особенно на гибких или мягких материалах. Они подходят для широкого спектра материалов, включая PLA, ABS, PETG и TPU.

В этой статье мы обсудим, что такое прямой экструдер, включая его использование, принцип работы и материалы, подходящие для него.

Что такое прямой экструдер?

Прямой экструдер — это механическое устройство, которое расположено непосредственно над горячим концом принтера и подает в него нить, контролируя скорость подачи и события запуска/остановки, вставляя нить в горячий конец или вытягивая ее для завершения операции печати.

Изображение экструдера и хотэнда

Как работает прямой экструдер?

Прямой экструдер представляет собой моторизованный механизм подачи нити, который расположен непосредственно над горячим концом. Процесс выглядит следующим образом:

1. Основная функция механизма — протолкнуть нить в горячий конец. Это приводит к течению расплавленного строительного материала при его нанесении на рабочий стол или предыдущие слои модели. Скорость потока точно дозируется двигателем экструдера. Нить вталкивается в нагретую зону и выталкивает уже расплавленный полимер из сопла по мере процесса сборки.
2. Вторичным и очень важным действием экструдера является небольшое втягивание нити. Он аккуратно разрывает связь между горячим концом и построенной моделью, когда горячий конец необходимо переместить, чтобы возобновить сборку. Этот аспект имеет решающее значение для качества модели, поскольку чистое разделение в конце периода построения должно быть выполнено без остаточного материала, образующего нить (нитку), прикрепленную к готовой секции, и без подтекания или размазывания во время последующего перемещения.

Для чего нужен прямой экструдер?

Прямые экструдеры приносят в процесс 3D-печати преимущества, которые многие считают значительными. В результате машины обычно либо продаются вместе с экструдером, либо переоборудуются под него, поскольку они обеспечивают максимальную гибкость с точки зрения типов нитей и добавок, качества сборки и затрат на техническое обслуживание.

Какие материалы совместимы с прямым экструдером?

Различные материалы, совместимые с прямыми экструдерами, перечислены и обсуждаются ниже:

1. АБС

ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол) представляет собой широко используемую нить, которая, по сообщениям, оптимально подается путем прямой экструзии в принтерах FDM® (моделирование наплавлением) и FFF (производство наплавленных нитей). Прямые экструдеры просто лучше справляются с АБС-пластиком благодаря точному контролю нити, последовательному запуску/остановке и стабильной экструзии.

ABS демонстрирует отличные свойства текучести, что позволяет его точно наносить и хорошо склеивать при формировании желаемого объекта. ABS предлагает несколько преимуществ в результатах 3D-печати, в том числе высокую прочность, долговечность и термостойкость, что делает его подходящим для функциональных прототипов, деталей со средней нагрузкой и продуктов конечного использования.

Эти материалы можно подвергать последующей обработке путем шлифования, окраски и выравнивания растворителем для достижения наилучшего качества поверхности.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по АБС (акрилонитрил-бутадиен-стиролу).

2. НОАК

PLA (полимолочная кислота) — еще одна широко используемая нить, совместимая с прямой экструзией FDM® и FFF-печатью. Его преимущество состоит в том, что он получен из биологических источников и является биоразлагаемым. Прямые экструдеры хорошо подходят для работы с PLA благодаря более точному контролю нити и единообразному запуску/остановке и экструзии. Этот материал также демонстрирует превосходные свойства текучести, когда параметры находятся под хорошим контролем, что позволяет его точно наносить и хорошо склеивать для формирования желаемого объекта.

PLA известен своими преимуществами:простотой использования, низкой коробляемостью, минимальным запахом при печати и широкой цветовой гаммой. Он обычно используется для прототипирования, любительских проектов, образовательных целей и потребительских товаров благодаря своей биоразлагаемости и экологичности. Он не входит в число высокопрочных материалов, и его лучше всего использовать для подтверждения формы/размера, а не для структурного, функционального или функционального прототипирования.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство «Что такое материал PLA».

3. Нейлон

Нейлон (полиамид) — практичный и полезный в инженерном деле материал. Его можно настроить для эффективной работы при прямой экструзии, если принять во внимание особые требования к его свойствам. Прямые экструдеры с нейлоновой нитью обеспечивают такой же точный контроль нити за счет последовательного запуска/остановки и стабильной экструзии, как и в случае с другими нитями.

Нейлоновая нить плавится при более высоких температурах экструзии, в диапазоне 230–260 °C, для достижения надлежащих характеристик текучести. Это может привести к трудностям при прямой экструзии, поскольку существует больший риск накопления тепла в экструдере, когда охлаждение недостаточно или профиль построения требует медленной экструзии. Эта нить имеет тенденцию поглощать влагу из окружающей среды, что может привести к проблемам с печатью, поскольку вода испаряется в горячем конце и экструдированном материале. Если нить не высушить перед использованием, это приведет к образованию пузырей и плохой адгезии.

Несмотря на эти проблемы, нейлон обладает превосходной механической прочностью, гибкостью и химической стойкостью. Это делает его очень подходящим для функциональных деталей, инженерных прототипов и приложений, требующих устойчивости к нагрузкам, износостойкости и ударопрочности. 

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство «Что такое нейлоновая нить».

4. БЕДРА

HIPS (ударопрочный полистирол) — это нить, которая широко используется в 3D-печати прямой экструзией, снова обеспечивая точный контроль запуска и втягивания нити, а также стабильное качество экструзии.

HIPS демонстрирует хорошие свойства текучести при правильной настройке параметров, что позволяет ему хорошо склеиваться и точно наноситься слой за слоем. Этот материал ценится в моделировании за его высокую ударную вязкость, стабильность размеров и (особенно) простоту последующей обработки. Отличные косметические результаты достигаются путем шлифовки и покраски. Модели легко свариваются растворителем, что делает их пригодными для широкого спектра задач прототипирования и моделирования.

Он обычно используется в качестве вспомогательного материала в более сложных приложениях 3D-печати, в которых после печати его можно растворить с помощью раствора D-лимонена. При этом основной материал остается неповрежденным. Обратите внимание, что это относится не ко всем основным строительным материалам, поэтому требуется осторожность.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по HIPS.

5. ТПУ

ТПУ (термопластичный полиуретан) — это гибкая эластомерная нить, которую можно получить путем прямой экструзионной 3D-печати. Дистанционные экструдеры могут бороться со сжатием материала в линии подачи, особенно с более мягкими сортами этого полимера. 

ТПУ демонстрирует превосходную эластичность и гибкость. Однако в жидком состоянии его можно точно нанести и хорошо склеить, образуя гибкие детали, такие как прокладки, уплотнения, компоненты одежды/брендинга и носимые технологии. Он известен своей долговечностью, стойкостью к истиранию и способностью выдерживать изгиб, растяжение и стирку без деформации. Он обычно используется в приложениях, требующих мягких на ощупь поверхностей, поглощения ударов/вибраций и ударопрочности.

Эффективная настройка принтера, включая выравнивание пути нити и регулировку натяжения экструдера, важна для успешных результатов при прямой настройке экструдера.

6. ПЭТГ

PETG (полиэтилентерефталатгликоль) — это особенно прочная и очень универсальная нить, которая широко используется в прямой экструзионной печати FDM®/FFF. Прямые экструдеры подходят для работы с нитями PETG, хотя в непрямых экструдерах они считаются надежными. Это связано с тем, что нить достаточно жесткая и допускает небольшие неравномерности подачи.

Он обеспечивает почти идеальные свойства текучести, точное нанесение и хорошее склеивание для получения высококачественных отпечатков. Его ценят за высокую ударопрочность, прозрачность и химическую стойкость. Он также обеспечивает низкую усадку, минимальное коробление и значительно облегчает печать по сравнению с другими распространенными материалами, такими как АБС-пластик.

PETG обычно используется всякий раз, когда требуются прочные и визуально привлекательные детали, такие как механические компоненты и функциональные детали, находящиеся под нагрузкой. Продуманная настройка принтера, включая методы приклеивания слоя и настройки температуры, имеет решающее значение для успешной 3D-печати с использованием PETG.

7. АСА

ASA (акрилонитрилстиролакрилат) представляет собой прочную термопластическую нить, имеющую химическое, термическое и механическое сходство с ABS. Кроме того, по сравнению с этим он обеспечивает улучшенную погодоустойчивость и устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Это делает его более подходящим для наружного применения. 

ASA демонстрирует хорошие свойства текучести, такие как низкая вязкость расплава, что позволяет его точно наносить и легко склеивать между и внутри слоев для формирования прочных отпечатков. ASA ценится за свои хорошие косметические свойства и отличные механические свойства, в том числе:высокую ударопрочность и стабильность размеров, хорошую химическую стойкость и термическую стабильность. Это делает его пригодным для необычайно широкого спектра применений, включая:автомобильные детали, вывески и уличные светильники/фитинги. 

Хорошая настройка принтера, в том числе температура стола с подогревом и корпус для обеспечения температурной стабильности (Примечание:FDM® более эффективен, чем FFF с ASA), важны для успешной 3D-печати с ASA.

8. Специальные нити

Специальные нити — это всеобъемлющий термин, который относится к широкому спектру современных материалов и композитов, используемых в 3D-печати. Каждый из них имеет характерные свойства, области применения и проблемы. Прямые экструдеры могут эффективно обрабатывать практически все специальные волокна. Эти специальные нити:

1. Гибкие нити (например, ТПУ, ТПЭ): Эти нити известны своей эластичностью и гибкостью для печати мягких на ощупь предметов, таких как чехлы для телефонов, стельки для обуви и гибкие уплотнения/прокладки. Прямые экструдеры обеспечивают различную степень гибкости лучше, чем решения с удаленной подачей.
2. Высокотемпературные нити (например, PEEK, PEI): Эти нити могут работать при повышенных температурах в сложных инженерных приложениях. Прямые экструдеры с цельнометаллическими горячими концами и подогреваемыми станинами позволяют эффективно обрабатывать высокотемпературные нити. Однако охлаждение экструдера и тепловая изоляция горячего конца значительно снижают риск перегрева или перегрева экструдера.
3. Композитные нити (например, углеродное волокно, металлонаполненный): Они содержат такие добавки, как углеродное волокно, металлические частицы или древесные волокна, для улучшения механических свойств и/или эстетики. Прямые экструдеры позволяют без особых проблем обрабатывать композитные нити.
4. Проводящие нити (например, графен, сажа, серебро): Они содержат проводящие добавки, которые позволяют печатать схемы, датчики и другие электронные компоненты. Прямые экструдеры в целом могут точно доставлять проводящие нити.
5. Нить, меняющие цвет: Эти материалы меняют цвет в зависимости от температуры или воздействия ультрафиолетового излучения, создавая динамичные и визуально яркие печатные объекты. Прямые экструдеры без труда справляются с такими нитями.
6. Растворимые поддерживающие нити (например, ПВА, HIPS): Они служат вторичными материалами для поддержки структур сложных отпечатков и выступов. После печати они растворяются в воде или растворе лимонена, и прямые экструдеры могут точно доставить их к точке сборки.

9. Композитный PLA

Композиты PLA сочетают PLA (полимолочную кислоту) с различными добавками, улучшающими их свойства. Прямые экструдеры могут эффективно работать с композитными нитями PLA, почти так же, как и с обычными нитями PLA.

Некоторые распространенные типы композитных нитей PLA, которые хорошо работают с прямыми экструдерами:

1. Наполненный древесиной PLA, придает внешний вид, напоминающий натуральное дерево, и детали с текстурированной поверхностью и рисунком под дерево. 
2. Наполненный металлом PLA с добавлением бронзового, медного или алюминиевого порошка для получения деталей с металлическим блеском и весом.
3. Углеродное волокно PLA с короткими нитями углеродного волокна, которые улучшают механические свойства функциональных прототипов, механических деталей и инженерных/нагруженных приложений.
4. Светящийся в темноте PLA с фосфоресцирующими добавками, которые поглощают и излучают свет, позволяет им светиться в темноте для декоративных целей.
5. PLA с мраморным наполнителем и мелкоизмельченным мраморным порошком, который придает печатным объектам внешний вид и текстуру, напоминающие мрамор.

Все композитные нити PLA можно экструдировать, как правило, со стандартными настройками печати PLA на 3D-принтерах прямой экструзии. Однако настройки температуры могут потребовать корректировки, а многие добавки повышают риск засорения горячего конца или осаждения и проскальзывания материала в экструдере.

Хотя прямые экструдеры могут надежно подавать широкий спектр волокнистых материалов, некоторые материалы могут подходить не для всего такого оборудования. Для некоторых высокотемпературных нитей, таких как PEEK и PEI, могут потребоваться специальные прямые экструдеры, способные выдерживать чрезвычайно высокие температуры, превышающие типичные. Прямые экструдеры могут, а при агрессивной термической изоляции экструдера уменьшить ползучесть тепла. Нити, содержащие абразивные добавки, такие как углеродное волокно или металлические частицы, могут со временем изнашивать шестерни экструдера. Чрезмерно мягкие или эластичные нити могут вызвать проблемы с подачей или неравномерную экструзию из-за их неспособности эффективно захватывать ведущую шестерню. Это не проблема прямого экструдера, но повышенный риск перегрева в прямых экструдерах может значительно усугубить ситуацию. Нити с необычными свойствами или составом могут быть несовместимы со стандартными прямыми экструдерами, поскольку их особые требования могут потребовать использования специализированных или необычных систем экструзии или внесения изменений в настройку принтера.

Каковы преимущества прямого экструдера?

Прямые экструдеры предлагают ряд преимуществ в большинстве приложений 3D-печати, таких как:

1. Повысьте точность и повторяемость подачи нити, что приведет к более стабильной экструзии, более четкому запуску и остановке и общему улучшению качества печати.
2. Они могут работать с более широким спектром типов нитей, включая гибкие и экзотические материалы, без необходимости дополнительных модификаций. Они требуют только более регулярного технического обслуживания на предмет начального засорения или износа механизма экструдера.
3. Обычно они более компактны, чем экструдеры Боудена, что делает их привлекательными для настольных 3D-принтеров с ограниченным пространством.
4. Это более простое решение с меньшим количеством движущихся/изнашивающихся компонентов и потенциальных точек отказа. Это упрощает настройку, обслуживание и устранение неполадок.
5. Ускорение настройки втягивания, снижение риска натягивания и повышение скорости печати и оперативности.

Каковы недостатки прямого экструдера?

Несмотря на свои преимущества, прямые экструдеры также имеют некоторые ограничения, которые необходимо учитывать, в том числе:

1. Увеличенная движущаяся масса, поскольку непосредственная установка механизма экструдера увеличивает вес движущейся печатающей головки. Это снижает возможность ускорения и замедления, незначительно увеличивая время печати.
2. Близость двигателя к горячему концу может привести к значительному увеличению риска и последствий перегрева, при котором нить накала преждевременно размягчается и может засорить сопло. Это может сильно испортить отпечатки.

Какие приложения для 3D-печати выигрывают от прямых экструдеров?

Прямые экструдеры хорошо подходят практически для всех задач 3D-печати, поскольку в целом они обеспечивают более высокую точность и повторяемость управления экструзией нити.

Является ли прямой экструдер частью 3D-принтера?

Да, прямой экструдер является ключевым компонентом любой машины FDM®/FFF. Прямой экструдер является наиболее важным аспектом 3D-принтера, поскольку он оказывает наибольшее влияние на:

1. Прочность модели за счет контроля подачи материала для обеспечения хорошей адгезии.
2. Эксклюзивность модели, контролируя регулярность и начало-остановку потока строительного материала, чтобы обеспечить единообразное разрешение сборки/толщину слоя и облегчить четкие точки начала и остановки при нанесении материала на модель.
3. Выбор нити, поскольку прямые экструдеры имеют меньше ограничений в отношении типа нити и добавок, чем менее прямые экструдеры типа Боудена.

В чем разница между прямым приводом и боуденом?

Прямой экструдер размещается непосредственно над горячим концом и подает в него материал без каких-либо промежуточных компонентов, за исключением некоторой степени термической изоляции, чтобы уменьшить эффект ползучести тепла, который может разрушить нить внутри механизма экструдера, размягчив ее.

Экструдер Боудена помещает трубку между экструдером и горячим концом в качестве направляющей для подачи сжимаемой нити, выталкиваемой экструдером. Трубка может быть короткой, описываемой как экструдер Боудена с прямым приводом, при этом экструдер расположен на небольшом расстоянии над горячим концом, но физически отделен от него. Это может быть намного длиннее, если разместить экструдер на шасси машины и подключить его к хотэнду через длинную трубку Боудена.

Сводка

В этой статье были представлены прямые экструдеры, объяснены их особенности, а также обсуждены их различные применения и принципы работы. Чтобы узнать больше о прямых экструдерах, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное ценовое предложение без каких-либо обязательств.

Уведомления об авторских правах и товарных знаках

1. FDM® является зарегистрированной торговой маркой Stratasys Inc.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса



Портальные системы в 3D-печати:преимущества, недостатки и ключевые соображения Ползучесть тепла в 3D-печати:что это такое, причины и как это остановить