Directe extruder uitgelegd:functie, toepassingen en compatibele materialen

Een directe extruder is een type 3D-printer-extrudermechanisme dat filament rechtstreeks in de hot-end-assemblage van een FDM®- (fusion deposition modeling) of FFF-machine (fused filament fabrication) voert, zonder dat er extra slangen of bowdenkabels nodig zijn. Het wordt vaak gebruikt in desktop FDM® direct-drive 3D-printers. De directe extruder bestaat uit:een stappenmotor, een aandrijftandwiel en een tussenarm die direct boven het hete uiteinde is gemonteerd. Wanneer de motor draait, grijpt het aandrijftandwiel het filament vast en duwt het naar beneden in het hete uiteinde, waar het wordt gesmolten en laag voor laag op het bouwplatform wordt afgezet. Directe extruders staan ​​bekend om hun nauwkeurige filamentcontrole, wat een betere printkwaliteit mogelijk maakt, vooral bij flexibele of zachte materialen. Ze zijn geschikt voor een breed scala aan filamentmaterialen, waaronder:PLA, ABS, PETG en TPU.

In dit artikel wordt besproken wat een directe extruder is, inclusief het gebruik ervan, hoe deze werkt en welke materialen daarvoor geschikt zijn.

Wat is een directe extruder?

Een directe extruder is een mechanisch apparaat dat zich direct boven het hete uiteinde van de printer bevindt en er filament naartoe voert, waarbij de afgiftesnelheid en start/stop-gebeurtenissen worden geregeld door het filament in het hete uiteinde te duwen of door het terug te trekken om de printbewerking te beëindigen.

Een illustratie van een extruder en hotend

Hoe werkt een directe extruder?

Een directe extruder is een gemotoriseerd toevoermechanisme met filament-push dat direct boven het hete uiteinde zit. Het proces is als volgt:

1. De primaire functie van het mechanisme is om het filament in het hete uiteinde te duwen. Dit resulteert in de stroom van gesmolten bouwmateriaal wanneer het wordt aangebracht op de bouwtafel of eerdere modellagen. Het debiet wordt nauwkeurig gedoseerd door de extrudermotor. Het filament wordt in de verwarmde zone geduwd en voert het reeds gesmolten polymeer uit het mondstuk naarmate de opbouw vordert.
2. De secundaire en zeer kritische actie van de extruder is het enigszins terugtrekken van het filament. Het verbreekt de verbinding tussen het hot-end en het gebouwde model netjes wanneer het hot-end moet worden verplaatst om verder te gaan met bouwen. Dit aspect is van cruciaal belang voor de kwaliteit van het model, omdat de schone scheiding aan het einde van een bouwperiode moet worden uitgevoerd zonder dat restmateriaal een draad (rijgen) vormt die aan het voltooide gedeelte is bevestigd en zonder dat er tijdens de daaropvolgende verplaatsing dribbelen of uitsmeren plaatsvindt.

Wat is het gebruik van een directe extruder?

Directe extruders bieden voordelen voor het 3D-printproces die algemeen als aanzienlijk worden beschouwd. Als gevolg hiervan is het gebruikelijk dat machines worden verkocht met of worden omgebouwd naar een directe extruderopstelling, omdat deze de grootste flexibiliteit biedt op het gebied van:filamenttypen en additieven, bouwkwaliteit en onderhoudslasten.

Wat zijn de verschillende materialen die compatibel zijn met een directe extruder?

De verschillende materialen die compatibel zijn met directe extruders worden hieronder vermeld en besproken:

1. ABS

ABS (acrylonitril-butadieen-styreen) is een veelgebruikt filament, waarvan algemeen wordt vermeld dat het optimaal wordt gevoed door directe extrusie in FDM® (fusion deposition modeling) en FFF (fused filament fabrication) printers. Directe extruders zijn simpelweg beter in het verwerken van ABS dankzij hun nauwkeurige filamentcontrole en consistente start/stop en gestage extrusie.

ABS vertoont uitstekende vloei-eigenschappen, waardoor het nauwkeurig kan worden afgezet en goed kan worden gebonden bij het vormen van het gewenste object. ABS biedt verschillende voordelen bij 3D-printresultaten, waaronder hoge sterkte, duurzaamheid en hittebestendigheid, waardoor het geschikt is voor functionele prototypes, matig belaste onderdelen en eindproducten.

Deze materialen kunnen worden nabewerkt door schuren, schilderen en gladstrijken met oplosmiddelen om de best mogelijke oppervlakteafwerking te verkrijgen.

Raadpleeg onze volledige gids over ABS (acrylonitril-butadieen-styreen) voor meer informatie.

2. PLA

PLA (polymelkzuur) is een ander veelgebruikt filament dat compatibel is met directe extrusie FDM®- en FFF-printen. Het biedt het voordeel dat het van biologische oorsprong is en biologisch afbreekbaar. Directe extruders zijn zeer geschikt voor het verwerken van PLA vanwege de nauwkeurigere filamentcontrole en consistente start/stop en extrusie. Dit materiaal vertoont ook uitstekende vloei-eigenschappen wanneer de parameters goed onder controle zijn, waardoor het nauwkeurig kan worden afgezet en goed kan worden gehecht om het gewenste object te vormen.

PLA staat bekend om zijn:gebruiksgemak, lage kromtrekking, minimale geur tijdens het printen en een breed scala aan kleuren. Het wordt vaak gebruikt voor:prototyping, hobbyprojecten, educatieve doeleinden en consumentenproducten vanwege de biologische afbreekbaarheid en milieuvriendelijkheid. Het behoort niet tot de materialen met een hogere sterkte en kan het beste worden gebruikt voor vorm-/groottebevestiging in plaats van prototypen voor structurele, functionele of veldevaluatie.

Raadpleeg onze volledige gids over Wat is PLA-materiaal voor meer informatie.

3. Nylon

Nylon (polyamide) is een capabel en technisch bruikbaar filamentmateriaal. Het kan zo worden opgezet dat het effectief werkt bij directe extrusie als er specifieke overwegingen worden gemaakt om aan de eigenschappen ervan tegemoet te komen. Directe extruders met nylonfilament leveren dezelfde nauwkeurige filamentcontrole door consistente start/stop en stabiele extrusiemogelijkheden als bij andere filamenten.

Nylonfilament smelt bij hogere extrusietemperaturen, variërend van 230–260 °C, om de juiste vloei-eigenschappen te bereiken. Dit kan resulteren in problemen bij directe extrusie, omdat er een groter risico bestaat op warmteopbouw in de extruder wanneer de koeling onvoldoende is of het bouwprofiel een langzame extrusie vereist. Dit filament heeft de neiging vocht uit de omgeving te absorberen, wat tot printproblemen kan leiden omdat het water verdampt in het hete uiteinde en het geëxtrudeerde materiaal. Als het filament voor gebruik niet opnieuw wordt gedroogd, ontstaan er belletjes en een slechte hechting.

Ondanks deze uitdagingen biedt nylon uitstekende mechanische sterkte, flexibiliteit en chemische weerstand. Dit maakt het zeer geschikt voor functionele onderdelen, technische prototypes en toepassingen die spanningsbestendigheid, slijtvastheid en impacttolerantie vereisen. 

Raadpleeg onze volledige gids over Wat is nylonfilament voor meer informatie.

4. HEUPEN

HIPS (high impact polystyrene) is een filament dat veelvuldig wordt gebruikt bij 3D-printen met directe extrusie, wat wederom een nauwkeurige controle van het starten en terugtrekken van het filament en een consistente extrusiekwaliteit oplevert.

HIPS vertoont goede vloei-eigenschappen wanneer de parameters op de juiste manier worden aangepast, waardoor het laag voor laag goed kan worden gehecht en nauwkeurig kan worden afgezet. Dit materiaal wordt in de modelbouw gewaardeerd om zijn hoge slagvastheid, maatvastheid en (vooral) de gemakkelijke nabewerking. Door schuren en schilderen worden geweldige cosmetische resultaten bereikt. Modellen kunnen eenvoudig met oplosmiddel worden gelast, waardoor ze geschikt zijn voor een breed scala aan prototyping- en modelleringstoepassingen.

Het wordt vaak gebruikt als ondersteuningsmateriaal in complexere 3D-printtoepassingen, waarbij het na het printen kan worden opgelost met behulp van een D-limoneenoplossing. Hierdoor blijft het primaire materiaal onbeschadigd. Houd er rekening mee dat dit niet voor alle primaire bouwmaterialen geldt, dus voorzichtigheid is geboden.

Raadpleeg onze volledige gids over HIPS voor meer informatie.

5. TPU

TPU (thermoplastisch polyurethaan) is een flexibel en elastomeer filament dat profiteert van directe extrusie 3D-printen. Externe extruders kunnen moeite hebben met materiaalcompressie in de toevoerleiding, vooral met zachtere kwaliteiten van dit polymeer. 

TPU vertoont uitstekende elasticiteit en flexibiliteit. In vloeibare toestand kan het echter nauwkeurig worden afgezet en goed worden gehecht om flexibele onderdelen te vormen, zoals:pakkingen, afdichtingen, kleding-/merkcomponenten en draagbare technologie. Het staat bekend om zijn duurzaamheid, slijtvastheid en het vermogen om buigen, strekken en wassen te weerstaan ​​zonder te vervormen. Het wordt vaak gebruikt in toepassingen die zacht aanvoelende oppervlakken, schok-/trillingsabsorptie en slagvastheid vereisen.

Effectieve printerconfiguratie, inclusief uitlijning van het filamentpad en aanpassing van de extruderspanning, is belangrijk voor succesvolle resultaten bij een directe extruderconfiguratie.

6. PETG

PETG (polyethyleentereftalaatglycol) is een bijzonder duurzaam en zeer veelzijdig filament dat op grote schaal wordt gebruikt bij direct extrusie FDM®/FFF-printen. Directe extruders zijn geschikt voor het verwerken van PETG-filament, hoewel het bij indirecte extruders als robuust wordt beschouwd. Dit komt doordat het filament vrij stijf is en kleine onregelmatigheden in de voeding kan opvangen.

Het biedt vrijwel ideale vloei-eigenschappen, nauwkeurige depositie en goede hechting om gedrukte resultaten van hoge kwaliteit te verkrijgen. Het wordt gewaardeerd om zijn hoge slagvastheid, transparantie en chemische bestendigheid. Het biedt ook een lage krimp, minimale kromtrekking en aanzienlijk eenvoudiger printen in vergelijking met andere gangbare materialen zoals ABS.

PETG wordt vaak gebruikt wanneer robuuste en visueel aantrekkelijke onderdelen nodig zijn, zoals belaste mechanische componenten en functionele onderdelen. Een doordachte printerconfiguratie, inclusief bedadhesiemethoden en temperatuurinstellingen, is van cruciaal belang voor succesvol 3D-printen met PETG.

7. ASA

ASA (acrylonitril-styreenacrylaat) is een duurzaam thermoplastisch filament dat chemische, thermische en mechanische overeenkomsten vertoont met ABS. Bovendien levert het in vergelijking verbeterde weersbestendigheid en UV-stabiliteit. Dit maakt hem meer geschikt voor buitentoepassingen. 

ASA vertoont gunstige vloei-eigenschappen, zoals een lage smeltviscositeit, waardoor het nauwkeurig kan worden afgezet en gemakkelijk tussen en binnen de lagen kan worden gebonden om robuuste afdrukken te vormen. ASA wordt gewaardeerd om zijn goede cosmetische eigenschappen en uitstekende mechanische eigenschappen, waaronder:hoge slagvastheid en maatvastheid, goede chemische bestendigheid en thermische stabiliteit. Dit maakt het geschikt voor een ongewoon breed scala aan toepassingen, waaronder:auto-onderdelen, bewegwijzering en buitenarmaturen/beslag. 

Een goede printerconfiguratie, inclusief een verwarmd bedtemperatuur en een behuizing voor temperatuurstabiliteit (Opmerking:FDM® is effectiever dan FFF met ASA), zijn belangrijk voor succesvol 3D-printen met ASA.

8. Speciale filamenten

Speciale filamenten is een verzamelnaam die verwijst naar een breed scala aan geavanceerde materialen en composieten die worden gebruikt bij 3D-printen. Elk heeft karakteristieke eigenschappen, toepassingen en uitdagingen. Directe extruders kunnen vrijwel alle speciale filamenten effectief verwerken. Deze speciale filamenten zijn:

1. Flexibele filamenten (bijv. TPU, TPE): Deze filamenten staan bekend om hun elasticiteit en flexibiliteit voor het printen van zacht aanvoelende items zoals:telefoonhoesjes, inlegzolen voor schoenen en flexibele afdichtingen/pakkingen. Directe extruders kunnen beter omgaan met verschillende mate van flexibiliteit dan oplossingen met externe feeders.
2. Filamenten voor hoge temperaturen (bijvoorbeeld PEEK, PEI): Deze filamenten kunnen dienen bij hogere temperaturen in veeleisende technische toepassingen. Directe extruders met volledig metalen hot-ends en verwarmde bedden kunnen filamenten op hoge temperatuur effectief verwerken. Extruderkoeling en thermische isolatie van het hete uiteinde bieden echter een aanzienlijk lager risico op hittekruip of oververhitting van de extruder.
3. Composietfilamenten (bijvoorbeeld koolstofvezel, met metaal gevuld): Deze bevatten additieven zoals:koolstofvezel, metaaldeeltjes of houtvezels om de mechanische eigenschappen en/of esthetiek te verbeteren. Directe extruders kunnen composietfilamenten met weinig problemen verwerken.
4. Geleidende filamenten (bijvoorbeeld grafeen, roet, zilver): Deze bevatten geleidende additieven die het printen mogelijk maken van:circuits, sensoren en andere elektronische componenten. Directe extruders kunnen in het algemeen geleidende filamenten nauwkeurig leveren.
5. Kleurveranderende filamenten: Deze materialen veranderen van kleur als reactie op temperatuur of blootstelling aan UV-licht, waardoor dynamische en visueel opvallende gedrukte objecten ontstaan. Directe extruders kunnen dergelijke filamenten zonder problemen verwerken.
6. Oplosbare steunfilamenten (bijv. PVA, HIPS): Deze dienen als secundaire materialen ter ondersteuning van structuren voor complexe prints en overhangen. Ze lossen na het printen op in water of limoneenoplossing en directe extruders kunnen ze nauwkeurig op het bouwpunt afleveren.

9. PLA-composiet

PLA-composieten combineren PLA (polymelkzuur) met een verscheidenheid aan additieven die hun eigenschappen verbeteren. Directe extruders kunnen PLA-composietfilamenten effectief verwerken, vrijwel hetzelfde als gewone PLA-filamenten.

Enkele veel voorkomende soorten PLA-composietfilamenten, die allemaal goed werken met directe extruders, zijn:

1. Houtgevuld PLA, voor een natuurlijk houtachtig uiterlijk en onderdelen met een gestructureerd oppervlak en houtnerfpatroon. 
2. Metaal gevuld PLA waaraan brons-, koper- of aluminiumpoeder is toegevoegd, om onderdelen te produceren met een metaalachtige glans en gewicht.
3. Koolstofvezel PLA, met korte koolstofvezelstrengen die de mechanische eigenschappen verbeteren voor functionele prototypes, mechanische onderdelen en technische/belaste toepassingen.
4. Glow-in-the-dark PLA, met fosforescerende additieven die licht absorberen en uitstralen, zorgt ervoor dat ze in het donker oplichten voor decoratieve toepassingen.
5. Marmergevuld PLA, met fijngemalen marmerpoeder, waardoor geprinte objecten een marmerachtig uiterlijk en textuur krijgen.

PLA-composietfilamenten kunnen allemaal worden geëxtrudeerd, meestal met standaard PLA-printinstellingen op directe extrusie 3D-printers. Het is echter mogelijk dat de temperatuurinstellingen moeten worden aangepast en veel additieven vergroten het risico op verstopping van de hot-end of materiaalafzetting en uitglijden in de extruder.

Hoewel directe extruders op betrouwbare wijze een breed spectrum aan filamentmaterialen kunnen aanvoeren, zijn bepaalde materialen mogelijk niet geschikt voor al dergelijke apparatuur. Sommige filamenten voor hoge temperaturen, zoals PEEK en PEI, vereisen mogelijk gespecialiseerde directe extruders die extreem hoge temperaturen kunnen verdragen die verder gaan dan typisch directe extruders kunnen dat, en met agressieve thermische isolatie van de extruder om het kruipen van warmte te verminderen. Filamenten die schurende additieven bevatten, zoals koolstofvezels of metaaldeeltjes, kunnen de tandwielen van de extruder na verloop van tijd verslijten. Overmatig zachte of elastische filamenten kunnen voedingsproblemen of inconsistente extrusie veroorzaken vanwege hun onvermogen om het aandrijftandwiel effectief vast te pakken. Dit is niet bepaald een probleem met de directe extruder, maar het verhoogde risico op hittekruip in directe extruders kan dit aanzienlijk verergeren. Filamenten met ongebruikelijke eigenschappen of samenstellingen zijn mogelijk niet compatibel met standaard directe extruders, omdat hun specifieke vereisten mogelijk gespecialiseerde of ongebruikelijke extrusiesystemen of aanpassingen aan de printeropstelling vereisen.

Wat zijn de voordelen van een directe extruder?

Directe extruders bieden een verscheidenheid aan voordelen in de meeste 3D-printtoepassingen, zoals:

1. Biedt grotere precisie en herhaalbaarheid bij de filamenttoevoer, wat resulteert in consistente extrusie, scherpere start/stop-gebeurtenissen en een algehele betere printkwaliteit.
2. Ze kunnen een breder scala aan filamenttypen aan, inclusief flexibele materialen en exoten, zonder dat er aanvullende aanpassingen nodig zijn. Ze vereisen alleen meer regelmatige onderhoudscontroles voor beginnende verstopping of slijtage van het extrudermechanisme.
3. Zijn doorgaans compacter dan Bowden-extruders, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor desktop 3D-printers met beperkte ruimte.
4. Ze zijn een eenvoudiger oplossing met minder bewegende/aan slijtage blootgestelde onderdelen en potentiële storingspunten. Dit vermindert de last van installatie, onderhoud en probleemoplossing.
5. Maak snellere intrekkingsinstellingen mogelijk, verminder de risico's van vastlopen en verbeter de afdruksnelheid/responsiviteit.

Wat zijn de nadelen van een directe extruder?

Ondanks hun voordelen hebben directe extruders ook enkele beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden, waaronder:

1. Vergrote bewegende massa, omdat de directe montage van het extrudermechanisme gewicht toevoegt aan de bewegende printkop. Dit vermindert het vermogen om te versnellen en te vertragen, waardoor de printtijden marginaal toenemen.
2. De nabijheid van de motor tot het hete uiteinde kan leiden tot een sterk verhoogd risico op en gevolgen van hittekruip, waarbij het filament voortijdig zacht wordt en mogelijk de spuitmond verstopt. Dit kan zeer storend zijn voor afdrukken.

Welke 3D-printtoepassingen profiteren van directe extruders?

Directe extruders zijn zeer geschikt voor vrijwel alle 3D-printtoepassingen, gezien hun over het algemeen betere prestaties op het gebied van precisie en herhaalbaarheid van de extrusiecontrole van filamenten.

Is de Direct Extruder een onderdeel van de 3D-printer?

Ja, een directe extruder is een belangrijk onderdeel van elke FDM®/FFF-machine. De directe extruder is het meest kritische aspect van een 3D-printer, omdat deze de grootste invloed heeft op:

1. Modelsterkte, door de materiaaltoevoer te controleren om een goede hechting te garanderen.
2. Modelcosmetica, door de regelmaat en start-stop van de stroom bouwmateriaal te controleren om een consistente bouwresolutie/laagdikte te bereiken en de scherpe start- en stoppunten bij het aanbrengen van materiaal op het model te vergemakkelijken.
3. Filamentselectie, aangezien directe extruders minder beperkingen bieden wat betreft filamenttype en additieven dan de minder directe extruders van het Bowden-type.

Wat is het verschil tussen Direct Drive en Bowden?

Een directe extruder wordt direct boven het hete uiteinde geplaatst en voert er materiaal in zonder tussencomponenten, behalve een zekere mate van thermische isolatie om het hittekruipeffect te verminderen dat het filament in het extrudermechanisme kan verstoren door het zachter te maken.

Een Bowden-extruder plaatst een buis tussen de extruder en het hete uiteinde, als geleider voor de levering van filament onder druk, dat door de extruder naar buiten wordt geduwd. De buis kan kort zijn, beschreven als een Bowden-extruder met directe aandrijving, waarbij de extruder op korte afstand boven het hete uiteinde is geplaatst, maar er fysiek van gescheiden is. Het kan veel langer duren als de extruder op het chassis van de machine wordt geplaatst en via een lange bowdenbuis op het hete uiteinde wordt aangesloten.

Samenvatting

Dit artikel presenteerde directe extruders, legde ze uit en besprak de verschillende toepassingen ervan en hoe ze werken. Neem voor meer informatie over directe extruders contact op met een vertegenwoordiger van Xometry.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, waaronder 3D-printen en andere diensten met toegevoegde waarde voor al uw prototyping- en productiebehoeften. Bezoek onze website voor meer informatie of vraag een gratis en vrijblijvende offerte aan.

Auteursrecht- en handelsmerkkennisgevingen

1. FDM® is een geregistreerd handelsmerk van Stratasys Inc.

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt, is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele verklaring of garantie van welke aard dan ook, expliciet of impliciet, met betrekking tot de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en soorten materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat externe leveranciers of fabrikanten via het netwerk van Xometry zullen leveren. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke vereisten voor die onderdelen. Raadpleeg onze algemene voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is afgestudeerd aan de B.Eng Honours in Werktuigbouwkunde en heeft meer dan twintig jaar ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele carrière omvat belangrijke functies bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep inzicht ontwikkelde in technische processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements