| Читайте также: Какой выбрать экструдер 3D принтера?

Почему не взять готовое решение?

Как правило производители 3D принтеров берут готовые решения экструдеров/хотендов, например всеми известные хотенды E3D, в основном используют китайские аналоги, так как они намного дешевле. Их можно использовать? Да! Конечно можно, мы сами их часто используем. Они «идеальные»? Нет! Данные хотенды отлично себя зарекомендовали, но мы понимаем что в них есть, что можно улучшить, и постарались доработать основные моменты.

Основные узлы экструдера Double GEAR

Посмотрим на рисунок, на котором схематично изображен экструдер Double gear — titan pro:

Как видим, наш экструдер состоит из одних и тех же частей, как  и другие экструдеры: сопло, термоборьер, радиатор, нагревательный блок и т.д. И на первый взгляд ничего особенного в нём нет, но если детально разобраться, то можно выявить ряд преимуществ.

Титановый термоборьер

Начнем пожалуй с очень важного элемента, это термоборьер. В предыдущей статьи  мы узнали, что через отверстие в термоборьере поступает пластик в горячее сопло, и в идеале пластик не должен плавиться в термоборьере, но на практике термоборьер нагревается, так как он контактирует с нагревательным блоком. Распределение температуры примерно выглядит следующим образом:

Слева на рисунке показано как должен быть выглядеть температурное распределение в нормальном хотенде, в таком случаи пластик не будет плавиться в верхней части термоборьера и не будет образовываться «пробка».

Справа на рисунке показанная ситуация, при которой пластик начинает размягчаться по всей длине термоборьера, что приведет к образованию пробки и браку печати.

Что бы данной проблемы не возникало необходимо добиться что бы переход от горячей части термоборьера к холодной был как можно короче, другими словами, термоборьер должен быть холодным, что бы пластик в нем не плавился. Как этого добиться ?

1. Необходимо от термоборьера сделать отвод тепла, как правило делают радиатор, который обдувается вентилятором;
2. Нужно подобрать материал с низкой теплопроводностью, обычно производители использую в качестве материала — нержавеющую сталь;
3. Материал должен обладать низкой адгезией (пластик не должен при размягчение прилипать к термоборьеру).

Основная связка, которую используют производители это термоборьер из нержавеющей стали (низкая теплопроводность) + тефлоновая ставка (низкая адгезия).

Данный вариант работает довольно хорошо, но обладает рядом минусов:

• Рабочая температура тефлона не должна превышать 260 градусов, в связи с этим идет ограничение на ряд высокотемпературных пластиков;
• Тефлон часто деформируется, периодически приходиться менять и прочищать.

Мы пошли по другому пути и сделали термоборьер из титанового сплава. Почему другие производители не пошли по данному пути? Так как на пути возникают ряд проблем: титан дороже чем нержавейка, его не так просто купить и не каждый завод  берется его обрабатывать. Мы смогли решить данные проблемы, тем самым у нас появился надежный титановый термоборьер.

Еще раз рассмотрим его преимущества:

1.  Коэффициент теплопроводности данного титанового сплава ( около 10Вт/(м·град) при 200 градусах ) почти в два раза ниже, чем у нержавейки около (19 Вт/(м·град) при 200 градусах). Тем самым у термоборьера будет более резкий переход от горячей части, к холодной. Можете больше не вспоминать о образовании «пробки»;
2. Адгезия у титана ниже, чем у нержавейки и соизмерима с тефлоном. Благодаря этому, пластик не будет прилипать к стенкам термоборьера;
3. Вы без проблем сможете печатать высокотемпературными пластиками выше 300 градусов.

Радиатор

Корпус и радиатор экструдера отфрезирован одним блоком из высококачественного алюминия, что позволяет намного лучше отводить тепло.

Система Double Drive Gear

Механизм прижима

Двойная система привода включает в себя пружину для регулировки тягового усилия нити. Это, в первую очередь, необходимо для того, чтобы комфортно печатать практически любимым типом пластика. Гибкий, железный, деревянный — все эти филаменты можно без проблем использовать “без бубна” в качестве печатного материала.

Направляющая система

Ключевые преимущества в одном экструдере

• Печать высокотемпературными пластиками (выше 300 градусов);
• Пластик не застревает в экструдере (не образуется «пробка»);
• Печать гибкими материалами: FLEX, RUBBER итп;
• Увеличенное тяговое усилие экструдера;
• Более равномерная подача за счет сцепления пластика с двух сторон.

Что такое экструдер?

Экструдер является важной частью 3D-принтера, которая осуществляет фактическую печать. Его можно сравнить с печатающей головкой обычного струйного принтера, только вместо чернил используется пластиковая нить. Экструдер состоит из двух основных частей: корпуса с подающим механизмом и хотенда (hotend).

Два типа экструдеров

В большинстве 3D-принтеров используется система прямой подачи, где шаговый двигатель экструдера находится в одном корпусе с печатающей головкой, он проталкивает пластиковую нить напрямую в «горячий конец» — хотенд. Экструдеры с прямой подачей называются direct. Для таких экструдеров характерно применение пластиковой нити  диаметром 1,75 мм.

Тип экструдера — direct

Второй тип экструдера называется  Bowden (боуден). Такая модель экструдера  отделяет корпус с подающим механизмом от хотенда. Пластиковая нить подается удаленно от подающего механизма по PTFE трубке к хотенду. Боуден экструдер позволяет перенести тяжелый шаговый двигатель вместе с корпусом  на раму 3D-принтера, тем самым облегчая вес каретки с печатающей головкой. Облегченная каретка позволяет перемещаться системе с более высокой скоростью, однако, чтобы протолкнуть нить по длинной трубке, двигателю требуется больше усилий.

Тип экструдера — bowden

Итак, экструдеры подразделяют на два типа:

• Direct экструдеры ( Подающий механизм находится непосредственно на подвижной каретке)
• Bowden экструдеры ( Подающий механизм расположен на раме принтера, пластик подается в хотенд удаленно по трубке)

Плюсы Direct экструдеров:

+ Возможность печать гибкими пластиками даже на больших скоростях

+ Незначительная погрешность при подачи пластика за счет минимального расстояния подачи

+ Быстрая и удобная замена материала печати

Минусы:

— Суммарный вес каретки больше, чем в боуден — экструдерах (тем самым увеличивается инертность);

— Более сложная конструкция каретки (необходимо расположить шаговый двигатель с механизмом проталкивания на каретке).

Боуден экструдеры

Плюсы:

+ Уменьшается суммарный вес каретки (шаговый двигатель располагаем на раме принтера)

+ Небольшие габариты печатающей головки

Минусы:

— Сложность (в большинстве случаев невозможность ) печати гибкими материалами (FLEX, RUBBER итп)

— Требуется более мощный двигатель для подачи пластика (зачастую даже с редуктором)

— Увеличивается погрешность подачи прутка из-за большой длинны трубки

Хотенд (hotend)

Хотенд служит для расплавления пластика, из которого печатается сама модель.

Хотенд состоит из четырех основных компонентов:

• Сопло, диаметр выходного отверстия которого диктует качество деталей и скорость печати;
• Термоборьер — деталь, через которую поступает нить в горячее сопло;
• Нагревательный блок — связующее звено для нагревательного элемента, термистора, сопла и термобарьера;
• Радиатор — обеспечивает отвод тепла от термобарьера.

Сопло

В сопле происходит плавление самого пластика, на выходе из сопла получается  расплавленная нить с диаметром равным диаметру выходного отверстия сопла. Как правило,сопла изготавливают из латуни. Самый распространенный диаметр сопла 0.4 мм, конечно бывают и другие : от 0.1 мм до 1.2 мм. Чем меньше диаметр сопла, тем распечатанные модели получаются более качественные, но тратиться больше времени. В зависимости от задач подбирается оптимальный диаметр.

На какие параметры сопла требуется обратить внимание при выборе эктрудера:

1. Возможность быстрой замены сопла;
2. Диаметр выходного отверстия должен соответствовать действительности;
3. ,Внутренний канал сопла должен быть без заусенцев (финишная постобработка/полировка канала);
4. Качественная резьба завинчиваемой части (чтобы исключить протекания пластика).

Нагревательный блок в сборе

С нагревательным блоком все намного проще. В этом узле фиксируется нагревательный элемент  (который непосредственно и нагревает блок), датчик температуры (термистор или термопара), который контролирует температуру хотенда, сопло и термобарьер.

На какие параметры нагревательного блока требуется обратить внимание при выборе экструдера:

1. Возможность легко вставлять и вынимать нагревательный элемент и термистор;
2. Нагревательный блок должен иметь достаточную высоту относительно сопла, чтобы равномерно его прогреть;
3. Мощности нагревательного элемента должно хватать что бы прогреть сопло до необходимой температуры (обычно хватает 40 Вт)
4. Максимальная рабочая температура.

Термобарьер 

Одна из  самых ответственных частей хотенда — термобарьер. По каналу термобарьера происходит подача пластика непосредственно в горячее сопло. На термоборьер накладывается ряд требований.

Для начала обратимся к рисунку:

В идеале, пластик должен плавиться только в сопле, а часть пластика которая находиться сверху, должна быть твердая, чтобы с легкостью проталкивать уже расплавленный в сопле пластик. Это значит что «горячую зону» необходимо резко отсекать, чем меньше будет высота переходной зоны ( от горячего к холодному ), тем лучше. Если пластик будет плавиться не только в сопле, но и в термоборьере, то будет образовываться «пробка» ( размягченный участок пластика ) который не сможет протолкнуть пластик в сопле ввиду своего агрегатного состояния.
Для того чтобы получить холодную зону с резкой отсечкой от горячей, разработчики экструдеров часто используют вставки из  тефлона, алюминиевый  радиатор , активное охлаждение, а также материалы с низкой теплопроводностью, например, нержавеющая сталь. Все эти меры могут применяться как все вместе, так и по отдельности.

Если в хотенде отсечки нет, а градиент температуры сильно растянутый, то при печати будут возникать проблемы, в том числе и при печати экзотическими материалами (FLEX, резина и другие гибкие материалы).

Корпус экструдера

Кроме хотенда, в экструдере присутствует сам корпус с подающим механизмом, в котором используются различные зубчатые шестерни, подшипники, возможность регулировки прижима прутка. Корпус играет также немаловажную роль в выборе экструдера, так как благодаря выбору хорошей конструкции подающего механизма, вы сможете печатать без проблем не только обычными пластиками ABS, PLA, HIPS и другими твердыми материалами , но и гибкими (FLEX, резина).

Так какой же выбрать?

Мы пробежались по основным параметрам и характеристикам экструдера, и в следующей статье мы хотим рассказать про нашу разработку экструдера DOUBLE GEAR — TITAN PRO. В данном экструдере мы постарались учесть все нюансы и у нас это получилось!