Explicação da extrusora direta:função, aplicações e materiais compatíveis

Uma extrusora direta é um tipo de mecanismo extrusor de impressora 3D que alimenta diretamente o filamento no conjunto hot end de uma máquina FDM® (modelagem de deposição por fusão) ou FFF (fabricação de filamento fundido), sem a necessidade de tubos adicionais ou cabos Bowden. É comumente usado em impressoras 3D de acionamento direto FDM® de mesa. A extrusora direta consiste em:um motor de passo, uma engrenagem motriz e um braço intermediário montado diretamente acima da extremidade quente. Quando o motor gira, a engrenagem motriz segura o filamento e o empurra para baixo na extremidade quente, onde ele é derretido e depositado na plataforma de construção, camada por camada. As extrusoras diretas são conhecidas por seu controle preciso do filamento, o que permite melhor qualidade de impressão, especialmente com materiais flexíveis ou macios. Eles são adequados para uma ampla variedade de materiais de filamento, incluindo:PLA, ABS, PETG e TPU.

Este artigo discutirá o que é uma extrusora direta, incluindo seu uso, como funciona e os materiais adequados para ela.

O que é uma extrusora direta?

Uma extrusora direta é um dispositivo mecânico que fica diretamente acima da extremidade quente da impressora e alimenta o filamento, controlando a taxa de distribuição e os eventos de início/parada empurrando o filamento para a extremidade quente ou retirando-o para finalizar a operação de impressão.

Uma ilustração de uma extrusora e hotend

Como funciona uma extrusora direta?

Uma extrusora direta é um mecanismo de alimentação motorizado por impulso de filamento que fica diretamente acima da extremidade quente. O processo é o seguinte:

1. A principal função do mecanismo é empurrar o filamento para a extremidade quente. Isso resulta no fluxo de material de construção fundido à medida que é aplicado à mesa de construção ou às camadas anteriores do modelo. A vazão é medida com precisão pelo motor da extrusora. O filamento é empurrado para dentro da zona aquecida e avança o polímero já fundido para fora do bocal à medida que a construção avança.
2. A ação secundária e altamente crítica da extrusora é retrair ligeiramente o filamento. Ele corta a conexão entre o hot end e o modelo construído de forma limpa quando o hot end deve ser reposicionado para reiniciar a construção. Este aspecto é crítico para a qualidade do modelo, pois a separação limpa no final de um período de construção deve ser efetuada sem material residual formando um fio (encordoamento) preso à seção concluída e sem gotejamento ou manchas durante o movimento subsequente.

Qual é a utilidade de uma extrusora direta?

As extrusoras diretas trazem benefícios ao processo de impressão 3D que são amplamente considerados significativos. Como resultado, é comum que as máquinas sejam vendidas ou convertidas para configuração de extrusora direta, pois oferece a maior flexibilidade em termos de:tipos de filamentos e aditivos, qualidade de construção e encargos de manutenção.

Quais são os diferentes materiais compatíveis com uma extrusora direta?

Os diferentes materiais compatíveis com extrusoras diretas estão listados e discutidos abaixo:

1. ABS

ABS (acrilonitrila butadieno estireno) é um filamento amplamente explorado, amplamente relatado como alimentado de maneira ideal por extrusão direta em impressoras FDM® (modelagem de deposição por fusão) e FFF (fabricação de filamento fundido). As extrusoras diretas são simplesmente melhores no manuseio do ABS devido ao seu controle preciso do filamento e partida/parada consistente e extrusão constante.

O ABS apresenta ótimas propriedades de fluidez, permitindo que seja depositado com precisão e bem aderido na formação do objeto desejado. O ABS oferece vários benefícios em resultados de impressão 3D, incluindo alta resistência, durabilidade e resiliência ao calor, tornando-o adequado para protótipos funcionais, peças moderadamente tensionadas e produtos de uso final.

Esses materiais podem ser pós-processados por lixamento, pintura e alisamento com solvente para fornecer o melhor acabamento superficial possível.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno).

2. PLA

PLA (ácido polilático) é outro filamento amplamente utilizado que é compatível com extrusão direta FDM® e impressão FFF. Oferece a vantagem de ser de origem biológica e biodegradável. Extrusoras diretas são adequadas para manusear PLA devido ao controle mais preciso do filamento e início/parada e extrusão consistentes. Este material também apresenta excelentes propriedades de fluxo quando os parâmetros estão sob bom controle, permitindo que seja depositado com precisão e bem aderido para formar o objeto desejado.

O PLA é conhecido por:facilidade de uso, baixa deformação, odor mínimo durante a impressão e ampla gama de cores. É comumente usado para:prototipagem, projetos amadores, fins educacionais e produtos de consumo devido à sua biodegradabilidade e respeito ao meio ambiente. Não está entre os materiais de maior resistência e é melhor usado para confirmação de forma/tamanho, em vez de prototipagem estrutural, funcional ou de avaliação de campo.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre O que é material PLA.

3. Náilon

O náilon (poliamida) é um material de filamento capaz e útil para a engenharia. Ele pode ser configurado para funcionar efetivamente em extrusão direta quando considerações específicas são feitas para acomodar suas propriedades. As extrusoras diretas com filamento de náilon oferecem o mesmo controle preciso do filamento por meio de partida/parada consistente e recursos de extrusão constante como acontece com outros filamentos.

O filamento de nylon derrete em temperaturas de extrusão mais altas, variando de 230 a 260 °C, para atingir características de fluxo adequadas. Isto pode resultar em dificuldades na extrusão direta, pois há um risco maior de acúmulo de calor na extrusora quando o resfriamento é insuficiente ou o perfil de construção requer uma extrusão lenta. Este filamento tende a absorver a umidade do ambiente, o que pode causar problemas de impressão à medida que a água evapora na extremidade quente e no material extrudado. Ocorrerão bolhas e má adesão se o filamento não for recentemente seco antes do uso.

Apesar desses desafios, o náilon oferece excelente resistência mecânica, flexibilidade e resistência química. Isso o torna muito adequado para peças funcionais, protótipos de engenharia e aplicações que exigem resiliência ao estresse, durabilidade ao desgaste e tolerância ao impacto. 

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre O que é filamento de nylon.

4. QUADRIS

HIPS (poliestireno de alto impacto) é um filamento amplamente utilizado na impressão 3D por extrusão direta, proporcionando novamente controle preciso de início e retração do filamento e qualidade de extrusão consistente.

O HIPS apresenta boas propriedades de fluxo quando os parâmetros são ajustados adequadamente, permitindo que ele seja bem aderido e depositado com precisão, camada por camada. Este material é apreciado na construção de modelos pela sua elevada resistência ao impacto, estabilidade dimensional e (particularmente) pela sua fácil pós-processamento. Ótimos resultados cosméticos são alcançados lixando e pintando. Os modelos podem ser facilmente soldados com solvente, tornando-os adequados para uma ampla gama de aplicações de prototipagem e modelagem.

É comumente usado como material de suporte em aplicações de impressão 3D mais complexas, nas quais pode ser dissolvido usando uma solução de D-limoneno após a impressão. Isso deixa o material primário intacto. Observe que isso não se aplica a todos os materiais de construção primários, portanto é necessário cuidado.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre HIPS.

5. TPU

O TPU (poliuretano termoplástico) é um filamento flexível e elastomérico que se beneficia da impressão 3D por extrusão direta. Extrusoras remotas podem enfrentar dificuldades com a compressão do material na linha de fornecimento, especialmente com tipos mais macios deste polímero. 

TPU apresenta excelente elasticidade e flexibilidade. No entanto, no estado líquido, ele pode ser depositado com precisão e bem ligado para formar peças flexíveis como:juntas, vedações, componentes de roupas/marcas e tecnologia vestível. É conhecido por sua durabilidade, resistência à abrasão e capacidade de suportar flexões, alongamentos e lavagens sem deformar. É comumente usado em aplicações que exigem superfícies de toque suave, absorção de choque/vibração e resistência ao impacto.

A configuração eficaz da impressora, incluindo o alinhamento do caminho do filamento e o ajuste da tensão da extrusora, é importante para obter resultados bem-sucedidos em uma configuração direta da extrusora.

6. PETG

PETG (polietileno tereftalato glicol) é um filamento particularmente durável e muito versátil que é amplamente utilizado na impressão por extrusão direta FDM®/FFF. As extrusoras diretas são adequadas para manusear o filamento PETG, embora seja considerado robusto nas extrusoras indiretas. Isso ocorre porque o filamento é bastante rígido e acomoda pequenas irregularidades na alimentação.

Oferece propriedades de fluxo quase ideais, deposição precisa e boa adesão para formar resultados impressos de alta qualidade. É apreciado por sua alta resistência ao impacto, transparência e resistência química. Ele também oferece baixo encolhimento, empenamento mínimo e impressão consideravelmente mais fácil em comparação com outros materiais comuns, como ABS.

PETG é comumente usado sempre que peças robustas e visualmente atraentes são necessárias, como componentes mecânicos e peças funcionais tensionadas. A configuração cuidadosa da impressora, incluindo métodos de adesão à base e configurações de temperatura, é fundamental para uma impressão 3D bem-sucedida com PETG.

7. ASA

ASA (acrilato de acrilonitrila estireno) é um filamento termoplástico durável que possui semelhanças químicas, térmicas e mecânicas com o ABS. Além disso, oferece maior resistência às intempéries e estabilidade aos raios UV, em comparação. Isso o torna mais adequado para aplicações externas. 

O ASA exibe propriedades de fluxo benéficas, como baixa viscosidade fundida, permitindo que ele seja depositado com precisão e facilmente ligado entre camadas e intracamadas para formar impressões robustas. O ASA é apreciado por sua boa capacidade cosmética e excelentes propriedades mecânicas, incluindo:alta resistência ao impacto e estabilidade dimensional, boa resistência química e estabilidade térmica. Isso o torna adequado para uma ampla gama de aplicações, incluindo:peças automotivas, sinalização e luminárias/acessórios externos. 

Uma boa configuração da impressora, incluindo temperatura da base aquecida e gabinete para estabilidade de temperatura (Nota:FDM® é mais eficaz que FFF com ASA), são importantes para uma impressão 3D bem-sucedida com ASA.

8. Filamentos Especiais

Filamentos especiais é um termo genérico que se refere a uma ampla gama de materiais e compósitos avançados usados na impressão 3D. Cada um tem propriedades, aplicações e desafios característicos. As extrusoras diretas podem lidar com praticamente todos os filamentos especiais de forma eficaz. Esses filamentos especiais são:

1. Filamentos flexíveis (por exemplo, TPU, TPE): Esses filamentos são conhecidos por sua elasticidade e flexibilidade para imprimir itens de toque suave, como:capas de telefone, palmilhas de sapatos e vedações/juntas flexíveis. As extrusoras diretas podem lidar melhor com vários graus de flexibilidade do que as soluções de alimentação remota.
2. Filamentos de alta temperatura (por exemplo, PEEK, PEI): Esses filamentos podem funcionar em temperaturas elevadas em aplicações de engenharia exigentes. Extrusoras diretas com extremidades quentes totalmente metálicas e bases aquecidas podem lidar com filamentos de alta temperatura de maneira eficaz. No entanto, o resfriamento da extrusora e o isolamento térmico da extremidade quente oferecem um risco consideravelmente menor de dispersão de calor ou superaquecimento da extrusora.
3. Filamentos compostos (por exemplo, fibra de carbono, preenchidos com metal): Contêm aditivos como:fibra de carbono, partículas metálicas ou fibras de madeira para melhorar as propriedades mecânicas e/ou estéticas. Extrusoras diretas podem processar filamentos compostos com poucas dificuldades.
4. Filamentos condutores (por exemplo, grafeno, negro de fumo, prata): Estes contêm aditivos condutores que permitem a impressão de:circuitos, sensores e outros componentes eletrônicos. Extrusoras diretas podem fornecer filamentos condutores com precisão em geral.
5. Filamentos que mudam de cor: Esses materiais mudam de cor em resposta à temperatura ou à exposição à luz UV, criando objetos impressos dinâmicos e visualmente marcantes. As extrusoras diretas podem lidar com esses filamentos sem dificuldade.
6. Filamentos de suporte dissolúveis (por exemplo, PVA, HIPS): Estes servem como materiais secundários para apoiar estruturas para impressões e saliências complexas. Eles se dissolvem em água ou solução de limoneno após a impressão e as extrusoras diretas podem entregá-los com precisão ao ponto de construção.

9. Composto PLA

Os compósitos de PLA combinam PLA (ácido polilático) com uma variedade de aditivos que melhoram suas propriedades. As extrusoras diretas podem lidar com filamentos compostos de PLA de maneira eficaz, da mesma forma que os filamentos de PLA básicos.

Alguns tipos comuns de filamentos compostos de PLA, que funcionam bem com extrusoras diretas, são:

1. PLA com enchimento de madeira, para uma aparência natural de madeira e peças com superfície texturizada e padrão de veios de madeira. 
2. PLA preenchido com metal com adição de pó de bronze, cobre ou alumínio, para produzir peças com brilho e peso metálicos.
3. PLA de fibra de carbono, com fios curtos de fibra de carbono que melhoram as propriedades mecânicas para protótipos funcionais, peças mecânicas e aplicações de engenharia/estressadas.
4. O PLA que brilha no escuro, com aditivos fosforescentes que absorvem e emitem luz, faz com que brilhem no escuro para aplicações decorativas.
5. PLA preenchido com mármore, com pó de mármore finamente moído, que confere aos objetos impressos uma aparência e textura de mármore.

Todos os filamentos compostos de PLA podem ser extrudados, geralmente com configurações de impressão PLA padrão em impressoras 3D de extrusão direta. No entanto, as configurações de temperatura podem precisar de ajustes e muitos aditivos aumentam o risco de entupimento da extremidade quente ou deposição e deslizamento de material na extrusora.

Embora as extrusoras diretas possam alimentar de forma confiável um amplo espectro de materiais de filamento, certos materiais podem não ser adequados para todos esses equipamentos. Alguns filamentos de alta temperatura, como PEEK e PEI, podem exigir extrusoras diretas especializadas, capazes de tolerar temperaturas extremamente altas além daquelas típicas. extrusoras diretas podem, e com isolamento térmico agressivo da extrusora para reduzir a fluência de calor. Filamentos contendo aditivos abrasivos, como fibra de carbono ou partículas metálicas, podem desgastar as engrenagens da extrusora com o tempo. Filamentos excessivamente macios ou elásticos podem causar problemas de alimentação ou extrusão inconsistente devido à sua incapacidade de segurar a engrenagem motriz de forma eficaz. Isto não é particularmente um problema da extrusora direta, mas o risco aumentado de fluência de calor nas extrusoras diretas pode piorar esta situação consideravelmente. Filamentos com propriedades ou composições incomuns podem não ser compatíveis com extrusoras diretas padrão, pois seus requisitos específicos podem exigir sistemas de extrusão especializados ou incomuns ou modificações na configuração da impressora.

Quais são as vantagens de uma extrusora direta?

As extrusoras diretas oferecem uma variedade de vantagens na maioria das aplicações de impressão 3D, como:

1. Fornece maior precisão e repetibilidade na alimentação do filamento, resultando em extrusão consistente, eventos de início/parada mais nítidos e melhor qualidade geral de impressão.
2. Eles podem lidar com uma ampla gama de tipos de filamentos, incluindo materiais flexíveis e exóticos, sem a necessidade de modificações adicionais. Eles exigem apenas verificações de manutenção mais regulares para entupimentos incipientes ou desgaste no mecanismo da extrusora.
3. São normalmente mais compactas que as extrusoras Bowden, o que as torna atraentes para impressoras 3D de mesa com espaço limitado.
4. Eles são uma solução mais simples, com menos componentes expostos ao movimento/desgaste e possíveis pontos de falha. Isso reduz a carga de configuração, manutenção e solução de problemas.
5. Facilite configurações de retração mais rápidas, reduzindo os riscos de amarração e melhorando a velocidade/capacidade de resposta da impressão.

Quais são as desvantagens de uma extrusora direta?

Apesar das suas vantagens, as extrusoras diretas também apresentam algumas limitações que devem ser levadas em consideração, entre elas:

1. Maior massa móvel, pois a montagem direta do mecanismo extrusor adiciona peso ao cabeçote de impressão móvel. Isso reduz a capacidade de acelerar e desacelerar, aumentando marginalmente os tempos de impressão.
2. A proximidade do motor com a extremidade quente pode levar a um risco muito maior e a consequências de fluência por calor, em que o filamento amolece prematuramente e potencialmente obstrui o bico. Isso pode atrapalhar muito as impressões.

Quais aplicações de impressão 3D se beneficiam das extrusoras diretas?

As extrusoras diretas são adequadas para praticamente todas as aplicações de impressão 3D, dado seu desempenho geralmente melhor em precisão e repetibilidade no controle de extrusão de filamentos.

A Extrusora Direta faz parte da Impressora 3D?

Sim, uma extrusora direta é um componente chave em qualquer máquina FDM®/FFF. A extrusora direta é o aspecto mais crítico de uma impressora 3D, pois tem a maior influência sobre:

1. Resistência do modelo, controlando a alimentação do material para garantir uma boa adesão.
2. Modelagem cosmética, controlando a regularidade e o início e a parada do fluxo do material de construção para criar uma resolução de construção/espessura da camada consistente e facilitar os pontos de início e parada nítidos na aplicação do material ao modelo.
3. Seleção de filamentos, pois as extrusoras diretas apresentam menos limitações quanto ao tipo de filamento e aditivos do que as extrusoras menos diretas do tipo Bowden.

Qual é a diferença entre Direct Drive e Bowden?

Uma extrusora direta é colocada diretamente acima da extremidade quente e alimenta material nela sem componentes intermediários além de algum grau de isolamento térmico para reduzir o efeito de fluência de calor que pode romper o filamento dentro do mecanismo da extrusora, amolecendo-o.

Uma extrusora Bowden coloca um tubo entre a extrusora e a extremidade quente, como guia para a entrega do filamento sob compressão, empurrado para fora pela extrusora. O tubo pode ser curto, descrito como uma extrusora Bowden de acionamento direto com a extrusora colocada a uma curta distância acima da extremidade quente, mas fisicamente separada dela. Pode demorar muito mais, colocando a extrusora no chassi da máquina e conectando-a ao hot end por meio de um longo tubo Bowden.

Resumo

Este artigo apresentou extrusoras diretas, explicou-as e discutiu suas diversas aplicações e como funcionam. Para saber mais sobre extrusoras diretas, entre em contato com um representante da Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

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