핫엔드(노즐)의 구조와 조립방법

https://blog.naver.com/005334337/220751416314

핫엔드(노즐)의 구조와 조립방법

핫엔드(hotend)는 3D프린터에서 원료를 압출해주는 부분을 말하며, 노즐과 가열장치, 공급하는 배럴 등을 ...

blog.naver.com

핫엔드(hotend)는 3D프린터에서 원료를 압출해주는 부분을 말하며, 노즐과 가열장치, 공급하는 배럴 등을 통틀어 일컫는다. 3D프린터에 있어 가장 중요한 부분이라 할 수 있다.

핫엔드의 기본적인 구조

핫엔드(노즐)은 사실 단순한 구조. 필라멘트가 barrel을 통과하고 heat block을 통해 가열되며 노즐을 통과하면서 압출되는 구조.

핫엔드 출력시 문제점

그런데 문제가 있는데 필라멘트가 뜨거운 부분을 지나면서 팽창하게 되고, 팽창하면 필라멘트가 외벽과 닿아 마찰력이 커지고, 마찰력이 커지니 필라멘트를 밀어내기 위해 더 큰 힘이 필요하며, 힘은 그대로니 압축량이 줄어들고, 노즐이 막히게(clogging) 된다. (사진참조)

또한 필라멘트는 고체고 녹은 필라멘트는 유체다. Extruder 모터를 통해 고체를 밀어내지만 유체로 변하는 녹은 필라멘트는 압력에 의해 밀어내야 한다. 계속 녹은 부분이 많아지면 압력이 높아져야 되고, 밀어내는 필라멘트 양도 많아져야 된다. 갈수록 더 큰힘이 필요하다는 뜻. 또한 이렇게 되면 반응이 느려지게 된다.
따라서 뜨거운 부분을 최소화 시키면서 압출을 시켜야 한다.

1. PTFE barrel의 사용

문제를 해결하기 위해서 PTFE배럴을 사용한 핫엔드가 등장. PTFE(테프론)은 500도까지 견디며, 마찰도 낮았다. 하지만 200도 이상 올라가면 배럴이 물렁물렁 해지고 나사산이 뭉개지는 현상 발생. 노즐뭉치에서 빠지는 현상까지도 발생.

2. PEEK barrel 사용

그래서 등장한게 PEEK barrel(PEEK이 폴리머의 한 계열인듯, 플라스틱 같은거).

나사산 뭉개지는 문제는 해결 됐지만 마찰이 높은 문제 여전. 노즐은 여전히 막혔다

3. PTFE Tube + PEEK barrel

그래서 등장한 방식이 PTFE Tube 와 PEEK barrel 을 합친 방식.

PTFE Tube를 사용함으로써 내부 마찰도 줄이고, PEEK barrel을 사용함으로써 나사산이 뭉개지는 것도 해결.
J-head 방식이 이 방식을 사용한다. 노즐과 히트블럭이 일체화. 노즐과 히트블럭을 통채로 교환해야 한다는 문제는 있지만 노즐이 새는 문제는 발생하지 않는다. 단점이라면 PEEK barrel이 고온에 적합하지 않다는 점. 고온으로 올라갈 수록 물렁해지기 때문. 240~260도 이상의 온도에서 출력 불가.

4. Full metal hotend

그래서 등장한 것이 Full metal hotend 구조.

barrel을 full metal로 뽑아내고 방열판 구조를 통해 열을 방출하는 형태. 고온으로 유지되는 영역을 최소화 시킬 수 있다.

쿨링팬 추가

E3D V6 hot end

여기에 방열효과를 증대시키기 위해서 쿨링팬을 달음. 이러면 barrel의 온도를 더욱더 낮출 수 있고, 고온유지영역이 줄어들며, 프린팅 품질도 향상된다. PLA 같은 점착성이 크고 낮은 온도에서 녹는 재료의 경우에는 쿨링팬이 필수라고 함.

heat Break 추가

좀 더 발전된 형태로 barrel과 heatblock 연결부에 Hot break를 추가.

heat break를 통해 노즐부와 barrel 부를 분리 시킴. 열전도는 단면적에 비례하는데 목을 얇게 만듬으로써 heat block에서 barrel로 열전도가 되지 않도록 함. 열전도는 막으면서 쿨링으로 온도를 낮게 유지, 노즐부부은 고온유지. 결과적으로 이상적인 핫엔드의 구조를 갖게됨

6. MK7 구조

이 구조는 Full metal hot end의 발전 형태라기 보다 다른 형태로 보는 것이 맞는 듯. barrel 에 방열판을 붙이는 구조. Full metal hotend와 유사한 구조지만 barrel을 짦게 유지하여 Extruder 모터를 바로 결합할 수 있는 장점이 있다.

왼쪽이 기본구조, 오른쪽이 heat break를 사용한 구조

핫엔드의 중요점은 전술했듯이 배럴의 온도를 낮게 유지하고 고온부는 가급적 짦게 유지하는 것이 포인트. J-head 방식과 Full-metal 방식이 많이 사용되나 요세는 Full-metal 방식이 많이 사용 되는 듯. 특히 E3D V6가 가장 많이 사용되는 듯 하다.

7. 예시 - Tarantula Hot End

타란툴라프린터도 외관상 MK7구조를 따르고 있다.. 하지만 다 섞여 있다.

노즐과 heatblock 그리고 barrel이 연결되어 있고 barrel은 방열판으로 연결되어 있다. 방열판에는 쿨러가 결합되 있다.

PTFE 튜브가 barrel안에 삽입되는 구조이며, heatbreak까지 튜부가 삽입되어 heatblock 까지 다다른다. 방열판은 뒷면에 나사 두개가 있는데 그 나사로 barrel과 결합된다.

위의 예시 구조와 다른 점이 있다면 MK7구조를 따르면서도 안에 PTFE 튜브가 삽입 된다는 점. extruder 모터가 직결형으로 결합되는 것이 아니고 bowden 방식으로 결합되서 그런 듯 하다.