هات‌اندها، مایع‌کننده‌ها، هدهای ابزار، اکسترودرها، تفنگ‌های پلاستیک‌پاش — این‌ها چیستند و چرا برای پرینترهای سه‌بعدی این‌قدر مهم هستند؟ یک هات‌اند خوب چیست، هات‌اند بد چیست، و چه چیزی باعث می‌شود یک هات‌اند عالی باشد؟
هات‌اند چیست؟
هات‌اند یک جزء اساسی در ساخت پرینترهای سه‌بعدی است؛ برخلاف بسیاری از اجزای دیگر، هات‌اند را نمی‌توان با پرینت سه‌بعدی ساخت و به همین دلیل به آن «ویتامین» می‌گویند (سایر قطعات ویتامین شامل تسمه‌ها، موتورها، پولی‌ها، مادربردها و غیره می‌شوند).
هات‌اند چگونه کار می‌کند؟
به طور خلاصه، هات‌اندها مانند یک «چسب‌حرارتی پیشرفته» عمل می‌کنند که توسط یک درایو فیلامنت (یا همان اکسترودر) با پلاستیک‌هایی به شکل اسپاگتی تغذیه می‌شوند. گاهی این دو جزء یکی هستند، گاهی به هم متصل هستند و گاهی از هم فاصله دارند و توسط یک لوله PTFE به هم وصل می‌شوند.
در هر صورت، فیلامنت توسط اکسترودر به داخل دهانه بالایی بخشی که به آن «سمت سرد» هات‌اند می‌گویند، هدایت می‌شود، از داخل هات‌اند عبور می‌کند و به «سمت داغ» می‌رسد. در اینجا پلاستیک نرم و سپس چسبناک می‌شود و در نهایت از طریق نازل پرینتر سه بعدی از انتهای هات‌اند خارج می‌شود.
پس از اکسترود شدن، فیلامنت در یک مسیر قرار می‌گیرد؛ این مسیر در نهایت یک لایه (یا یک برش) از پرینت را تشکیل می‌دهد.
ساده به نظر می‌رسد، نه؟ لزوماً نه. هات‌اندها در طول ۳۰ سال گذشته از زمان اختراعشان به طور مداوم توسعه یافته‌اند و در واقع اجزای نسبتاً پیچیده‌ای هستند.
اگرچه ساخت هات‌اند ممکن است آسان به نظر برسد، اما طراحی هات‌اندی که قادر به کار بدون نشتی، گرفتگی، نفوذ حرارت یا سایر اختلالات برای ده‌ها هزار ساعت استفاده مداوم باشد، داستان کاملاً متفاوتی است.
اجزای تشکیل‌دهنده هات‌اند
هیت‌سینک (HeatSink)
هیت‌سینک بخش عمده‌ای از چیزی را تشکیل می‌دهد که به آن «سمت سرد» یا سیستم خنک‌کننده هات‌اند می‌گویند. این قطعه به عنوان یک مبدل حرارتی عمل می‌کند و گرما را از مسیر فیلامنت دور می‌کند. این کار با حداکثر کردن سطح تماس از طریق استفاده از پره‌های دقیقاً ماشین‌کاری شده انجام می‌شود؛ این کار سمت سرد را خنک نگه می‌دارد، چیزی که ما به آن خنک‌کنندگی فعال می‌گوییم.
اثر خنک‌کنندگی فعال با استفاده از یک فن DC نصب‌شده (با استفاده از یک داکت) که هوا را به داخل پره‌های هیت‌سینک می‌دمد، تقویت می‌شود — این کار باعث گردش مداوم هوای اطراف و هدایت هوای خنک به داخل و اطراف پره‌ها می‌شود.
در برخی سیستم‌های خنک‌کننده پیشرفته‌تر، از تکنیک‌های دیگری مانند خنک‌کنندگی غیرفعال، خنک‌کنندگی با هوای پمپ‌شده و حتی خنک‌کنندگی مایع استفاده می‌شود.
خنک‌کنندگی مایع معمولاً برای سیستم‌های اکستروژن پیشرفته استفاده می‌شود و از خنک‌کنندگی با فن کارآمدتر است. یک جریان مداوم آب خنک از یک مخزن به داخل هیت‌سینک کشیده می‌شود و به طور مداوم گرمای منتقل‌شده را جمع‌آوری می‌کند. این آب گرم شده سپس به مخزن خنک‌شده با فن بازگردانده می‌شود و بازیافت می‌شود.
خنک‌کنندگی مایع روش انتخابی برای پرینت در محفظه‌های گرم (جایی که خنک‌کنندگی با فن به تنهایی کمتر مؤثر است) یا هنگام کار با پلیمرهای دمای بالا مانند PEEK است.
هیت‌بریک (HeatBreak)
هیت‌بریک یک لوله فلزی رزوه‌ای است که هم از نظر مکانیکی سمت سرد هات‌اند را به سمت داغ متصل می‌کند و هم از نظر حرارتی آن‌ها را از هم جدا می‌کند. هیت‌بریک معمولاً از فولاد ضد زنگ ساخته می‌شود، یا در برخی موارد از تیتانیوم به دلیل هدایت حرارتی کمتر آن استفاده می‌شود.
هیت‌بریک از دو طرف تشکیل شده است: یک طرف که به هیت‌سینک پیچ می‌شود و سرد باقی می‌ماند؛ و طرف دیگر که به هیت‌بلوک (HeaterBlock) پیچ می‌شود و داغ می‌ماند. در داخل هیت‌بریک ویژگی‌های فیلامنت تغییر کرده و به ماده‌ای چسبناک‌تر تبدیل می‌شود، فرآیندی که شباهت زیادی به ذوب شدن دارد.
همان‌طور که ماده از داخل هیت‌سینک عبور می‌کند، هم سرد و هم جامد است و به راحتی درون مجرای هات‌اند سر می‌خورد. سپس ماده وارد هیت‌بریک می‌شود و با ادامه حرکت به سمت پایین، دمای هیت‌بریک اطراف آن شروع به افزایش می‌کند — هم گرم می‌شود و هم پلیمر نرم می‌شود. این انتقال نرم‌شدن در باریک‌ترین نقطه در وسط هیت‌بریک اتفاق می‌افتد.
تغییر ویژگی‌های پلیمرها منحصر به فرد است. برخلاف ذوب شدن یک تکه یخ، پلیمر بلافاصله به مایع تبدیل نمی‌شود. در عوض، پلیمر وارد حالت لاستیکی نرم می‌شود و به تدریج شبیه خمیر می‌شود. در نهایت به یک مایع چسبناک از پلیمر مذاب در سمت داغ هیت‌بریک تبدیل می‌شود.
همان‌طور که ماده نرم می‌شود، با تغییر شکل و چسبیدن به دیواره‌های هیت‌بریک، از حرکت به سمت پایین مقاومت می‌کند؛ این تمایل در واقع اغلب دلیل بسیاری از گرفتگی‌ها در هات‌اندهای بد طراحی و تولید شده است.
چسبندگی فیلامنت توسط هات‌اند به عنوان وسیله‌ای برای هدایت پلیمر مذاب به سمت داغ و خارج شدن از نازل استفاده می‌شود.
البته وقتی فیلامنت وارد منطقه انتقال می‌شود و نرم می‌شود، همزمان منبسط نیز می‌شود. این امر یک پلاگ لاستیکی نرم بین مایع چسبناک در سمت داغ و فیلامنت جامد و شکننده ایجاد می‌کند. این پلاگ منبسط شده یک مهر و موم فشار ایجاد می‌کند که به فیلامنت جامد اجازه می‌دهد مانند یک پیستون عمل کند و پلاستیک مذاب را از نازل خارج کند، جایی که این پلاگ لاستیکی مهر و موم پیستون است.
بسیاری از کاربران نمی‌دانند که این بخش کاملاً طبیعی از عملکرد هات‌اند است و هنگام خارج کردن فیلامنت از هات‌اند، با دیدن نوک منبسط شده در انتهای آن نگران می‌شوند؛ ممکن است بدترین حالت را تصور کنند — در حالی که در واقعیت همه چیز خوب است.
هیت‌بلوک (HeaterBlock)
هیت‌بلوک برخلاف هیت‌بریک، معمولاً از آلومینیوم یا مس ساخته می‌شود — موادی با هدایت حرارتی بالا. هیت‌بلوک مسئول اتصال مکانیکی و حرارتی هیتر، سنسور و نازل به یک سیستم همکاری‌کننده واحد است.
مهم‌تر از همه، هیت‌بلوک به عنوان یک مخزن حرارتی عمل می‌کند تا نازل بتواند با استفاده از آن دمای خود را پایدار نگه دارد و نوسانات حرارتی را کاهش دهد.
هیتر کارتریج (Heater Cartridge)
هیتر کارتریج یک دستگاه لوله‌ای شکل با قدرت الکتریکی است که با یک سیم‌پیچ گرمایشی تعبیه شده است. الکتریسیته جریان را از طریق سیم‌های نازک در سر هیتر کارتریج عبور می‌دهد. تنگی سیم باعث برخوردهای زیادی بین الکترون‌ها و اتم‌های داخل سیم می‌شود که به نوبه خود گرما تولید می‌کند. این سیم‌ها به صورت حلقه‌های محکم به هم پیچیده شده‌اند تا گرمای بین سیم‌پیچ‌های فردی به اشتراک گذاشته شده و به حداکثر برسد.
هیتر کارتریج‌های استاندارد E3D دارای توان خروجی ۳۰ وات هستند که برای امکان پرینت هات‌اند در دمای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد تنظیم شده‌اند. البته گرم کردن بلوک آلومینیومی بالاتر از ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد باعث نرم شدن و از دست دادن یکپارچگی آن می‌شود؛ به طور مشابه ترمیستور نیز از کار می‌افتد.
پرینت پلیمرهای پیشرفته‌تر (که به دمای بالاتر از ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد نیاز دارند) با استفاده از هیتر کارتریج‌های دمای بالا (۶۵ وات) آسان‌تر است. پرینت در این دماها نیاز به استفاده از هیت‌بلوک‌های مسی آب‌کاری شده تخصصی دارد تا از نرم شدن بلوک جلوگیری شود. محدوده دمای بالا ما به کاربران امکان می‌دهد تا بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد پرینت کنند؛ که برای هر پلیمری که تا به حال تصور شده است، بیش از حد کافی است.
سنسور دما (Temperature Sensor)
ترمیستور نوع خاصی از سنسور است که مسئول تشخیص دمای هیت‌بلوک (HeaterBlock) است. بر اساس گرمای تشخیص داده شده، سنسور سیگنالی به هیتر کارتریج ارسال می‌کند تا آن را روشن یا خاموش کند. این کار به نوبه خود باعث می‌شود سمت داغ هات‌اند دمای ایده‌آل خود را حفظ کند — فرآیندی که به طور رایج‌تر به عنوان حلقه کنترل شناخته می‌شود.
- اگر بلوک زیر دمای مورد نظر باشد، سنسور هیتر کارتریج را روشن می‌کند.
- اگر بلوک بالاتر از دمای مورد نظر باشد، سنسور حرارتی هیتر کارتریج را خاموش می‌کند.
برخی سنسورهای دما عملکرد بهتری نسبت به ترمیستورهای استاندارد دارند. افرادی که به نتایج دقیق‌تر و واکنش‌های سریع‌تر نیاز دارند، می‌توانند به PT100 یا حتی ترموکوپل‌ها ارتقاء دهند — این سنسورها از روش‌های جایگزین برای تشخیص دما استفاده می‌کنند که پیچیده‌تر اما قابل اعتمادتر از ترمیستورهای استاندارد هستند.
لوله Bowden (Bowden Tube)
لوله Bowden بخشی غیرمعمول از هات‌اند است، زیرا فقط برای برخی هات‌اندها مورد نیاز است. این لوله معمولاً از مواد لیز مانند PTFE ساخته می‌شود و وظیفه آن انتقال تمیز فیلامنت به بالای هیت‌سینک است. با توجه به این نقش، لوله Bowden در پرینترهایی که از سیستم Bowden استفاده می‌کنند، بسیار حیاتی‌تر است تا پرینترهایی که از سیستم مستقیم (Direct Drive) استفاده می‌کنند.
- در سیستم Direct Drive، اکسترودر مستقیماً به بالای هات‌اند متصل شده و مستقیماً به هیت‌سینک تغذیه می‌کند.
- در سیستم Bowden، اکسترودر در جای دیگری از پرینتر نصب شده و فیلامنت را به داخل لوله Bowden تغذیه می‌کند. انتهای دیگر لوله به بالای هیت‌سینک پرینتر وارد شده و با یک کلیپ نگه‌دارنده ثابت می‌شود.
موثرترین لوله‌های Bowden دارای مسیر فیلامنت لغزنده و به خوبی محدود شده هستند تا از اصطکاک و پس‌زدگی در داخل لوله جلوگیری کنند.
نازل (Nozzle)
نازل آخرین قطعه‌ای است که معمای هات‌اند ما را کامل می‌کند و شاید مهم‌ترین بخش باشد.
هندسه داخلی نازل به دقت زاویه‌دار شده است تا جریان بهینه‌ای از دهانه آن ایجاد شود و از گرفتگی جلوگیری کند؛ هندسه خارجی آن نیز مهم است. یک نازل خوب طراحی شده دارای یک نوک صاف در اطراف نقطه اکستروژن است که به طور موثر لایه‌های فیلامنت خارج شده از آن را «صاف» می‌کند. این صاف‌کردن لایه‌ها برای اطمینان از چسبیدن آن‌ها به یکدیگر و به بستر در طول فرآیند پرینت بسیار حیاتی است.
جالب اینجاست که نسبت بهینه‌ای بین قطر سوراخ و نوک صاف نازل وجود دارد، این نسبتی است که ما در تولید هر نازلی که در E3D ارائه می‌دهیم، از آن استفاده می‌کنیم.
نازل‌ها قابل تعویض هستند و با هدف کاربر سازگار می‌شوند. اگر کاربر بخواهد تا حد امکان سریع پرینت بگیرد، باید نازلی با قطر دهانه بزرگ انتخاب کند. از طرف دیگر، اگر کاربر بخواهد پرینتی با جزئیات بالا داشته باشد، باید از نازلی با قطر دهانه بسیار کوچک استفاده کند؛ اندازه پایه برای بیشتر نازل‌ها ۰.۴ میلی‌متر است.
به طور مشابه، مواد نازل نیز بسته به نیاز تعویض می‌شوند تا از مزایای هر ماده استفاده شود.
به عنوان مثال، نازل‌های فولادی سخت‌شده زمانی که با فیلامنت‌های ساینده مانند فیبر کربن مواجه می‌شوند، عملکرد بهتری دارند، زیرا این مواد می‌توانند هندسه داخلی نازل‌های برنجی را از بین ببرند.
از طرف دیگر، نازل‌های مسی آب‌کاری شده در دمای بالا مقاومت خود را حفظ می‌کنند، در حالی که نازل‌های ساخته شده از مواد دیگر در این دماها نرم می‌شوند؛ این ویژگی آن‌ها را برای پرینت پلیمرهای با دمای انتقال شیشه‌ای بالا ایده‌آل می‌کند.
هات‌اندها چه چیزی پرینت می‌گیرند؟
امروزه، یک هات‌اند تمام فلزی و با ساختار خوب می‌تواند تقریباً هر پلیمری را پرینت بگیرد؛ بنابراین سوال بهتری ممکن است این باشد — پلیمر چیست؟
پلاستیک نوعی پلیمر است، اما هر پلیمری پلاستیک نیست. ترموپلاستیک نوع خاصی از پلاستیک است که در هنگام گرم شدن حالت انعطاف‌پذیر و رشته‌ای دارد. پلاستیک‌های ترموست این خاصیت را ندارند و در عوض در اثر گرما سیاه می‌شوند. برخی ترموپلاستیک‌ها نیز «رزین» هستند، به این معنی که حاوی افزودنی‌ها، رنگ‌ها یا پرکننده‌هایی هستند که قوام کلی آن‌ها را تغییر داده و آن‌ها را از حالت رشته‌ای و انعطاف‌پذیر ضروری برای پرینت سه‌بعدی FDM خارج می‌کنند.
اولین ترموپلاستیک‌هایی که توسط صنعت استفاده شدند ABS و PLA بودند، که PLA هنوز هم به دلیل سهولت در پرینت، مورد علاقه کاربران است. با این حال، طی سال‌ها هات‌اندها توسعه یافته‌اند تا با پلیمرهای منحصر به فردی مانند PETG، نایلون، PVA و حتی PEEK سازگار شوند.
شاید تعجب‌آور باشد، اما با وجود محبوبیت PLA، این پلیمر یکی از سخت‌ترین مواد برای مدیریت ترمودینامیکی است. کاربران از دمای پایین پرینت PLA و خاصیت چسبندگی بسیار بالای آن (با چسبندگی بین لایه‌ای رویایی) لذت می‌برند، اما این چسبندگی به طور طعنه‌آمیزی یکی از دلایل رایج گرفتگی هات‌اندها است. از طریق فرآیندهای تکرارشونده در نهایت امروزه به هندسه داخلی هات‌اندهای امروزی رسیدیم، که نرخ جریان را بهینه کرده و گرفتگی‌ها نه تنها از PLA، بلکه از سایر پلیمرهای سرسخت را به حداقل می‌رساند.
وقتی یک پلیمر گرم می‌شود چه اتفاقی می‌افتد؟
جالب اینجاست که یک پلیمر تمایل دارد حالت سرد و سفت، شیشه‌مانند خود را در طول بیشتر فرآیند گرمایش حفظ کند. تنها زمانی که پلیمر به دمای خاصی می‌رسد (معمولاً حدود ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد)، ناگهان چسبناک و لاستیکی می‌شود — این نقطه به عنوان «دمای انتقال شیشه‌ای »(Glass Transition) پلیمر شناخته می‌شود. در اینجا پلیمر ممکن است دستخوش تغییرات زیادی در ویژگی‌های خود شود که به شدت به نوع پلیمری که با آن کار می‌کنید، بستگی دارد.
فشار چه می‌شود؟ پلیمرهایی که تحت «دمای انتقال شیشه‌ای» قرار می‌گیرند، عادت جالبی از خود نشان می‌دهند — آن‌ها منبسط شده و فشار ایجاد می‌کنند. این فشار نازل را مجبور می‌کند تا فیلامنت را اکسترود کند، که به نوبه خود پدیده‌ای به نام «تورم قالب »(Die Swell) رخ می‌دهد. تورم قالب به این اشاره دارد که فشار ایجاد شده در پلیمر چگونه هنگام آزاد شدن به اندازه اصلی خود بازمی‌گردد. تورم قالب عمدتاً زمانی اتفاق می‌افتد که پلیمر از نازل خارج می‌شود.
به همین دلیل است که اندازه نازل کاملاً با عرض اکستروژن مطابقت ندارد؛ مسیرهایی که توسط هات‌اند ایجاد می‌شوند اغلب پهن‌تر از اندازه دهانه نازل هستند. تورم قالب باعث سردرگمی افرادی می‌شود که عرض مسیر را با کولیس اندازه‌گیری می‌کنند.
هات‌اندها برای عملکرد خود به همان فشاری متکی هستند که باعث تورم قالب می‌شود. فیلامنت‌هایی که به هات‌اند تغذیه می‌شوند باید تحت فشار معکوس قرار گیرند تا هیت‌بریک مسدود شده و پلیمر چسبناک زیر آن به جریان خود ادامه دهد.
در ادامه این امر، هات‌اندها پدیده‌ای به نام «تأخیر فشار (Pressure Dela)» تجربه می‌کنند — به این معنی که مقدار فیلامنتی که از هات‌اند خارج می‌شود کمتر از مقداری است که به آن تغذیه می‌شود.
دمای اکستروژن
یکی دیگر از اشتباهات رایجی که کاربران مرتکب می‌شوند این است که فرض می‌کنند وقتی فیلامنت از هات‌اند خارج می‌شود، دمای آن با دمای نازل یکسان است. همان‌طور که قبلاً توضیح داده شد، فیلامنت زمان کافی را در سمت داغ هات‌اند سپری نمی‌کند تا به دمای آن برسد. بنابراین به طور طبیعی، سمت داغ تا دمای بالاتری گرم می‌شود تا اطمینان حاصل شود که فیلامنت به حالت چسبناک می‌رسد.
بنابراین، اگرچه PLA در دمای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد «پرینت» می‌گیرد، اما در واقع در دمای حدود ۱۵۰-۱۶۰ درجه سانتی‌گراد از نازل خارج می‌شود.
یک هات‌اند کاملاً متعادل در برابر نفوذ حرارت مقاومت می‌کند
بسیاری از گرفتگی‌ها در هات‌اندهای بدساخت ناشی از نفوذ حرارت (Heatcreep) است. نفوذ حرارت یک بلای عملکردی برای هات‌اندها محسوب می‌شود: گرما سعی می‌کند در هات‌اند به سمت بالا حرکت کند و باعث می‌شود فیلامنت زودتر از موعد مایع شده و در بالای منطقه انتقال تعیین‌شده هیت‌بریک منبسط شود. نفوذ حرارت یک موجود سرسخت است که اگر اجازه دهید، هات‌اند شما را مسدود می‌کند.
خوشبختانه، نفوذ حرارت قابل کنترل و پیشگیری است؛ فقط به یک هات‌اند دقیقاً ماشین‌کاری شده و متعادل از نظر دما نیاز دارد. باید اطمینان حاصل شود که سمت سرد هات‌اند به اندازه کافی گرما را دفع می‌کند تا با دمای سمت داغ مقابله کند؛ اما نه آن‌قدر زیاد که مانع از رسیدن سمت داغ به دمای مطلوب خود شود.
در نتیجه، هات‌اندها پیچیده هستند — پیچیده‌تر از آنچه که به آن‌ها اعتبار داده می‌شود؛ و ساخت خوب آن‌ها دشوار است.
