Высокотемпературный HotEnd

Два месяца назад  ко мне обратился представитель нашего технологического института с предложением разработать опытный вариант принтера с  возможностью работы при температуре экструдера на уровне 350-380С.

Такая температура необходима для экструзии так называемых суперконструкционных пластиков, например, фортрона.

Такие пластики имеют очень интересные характеристики и могут работать в совершенно ненормальных условиях, к тому же, в линейке предлагаемых материалов присутствуют композитные материалы с различными наполнителями.

Для проверки возможности работы экструдера я решил переделать один из принтеров  RobbyHobby.  Переделка заключалась в замене узла подачи прутка (CoolEnd) на редукторный вариант (наверняка повышенное усилие подачи прутка из таких пластиков в экструдер не будет лишним) и в разработке и замене HotEnd-а высокотемпературной цельнометаллической версией.

За основу конструкции было решено взять трубочку из спецнержавейки  Ф3х2 мм. Достать такую трубочку оказалось весьма непростым делом , и на её поиски я потратил месяц , да и цена оказалась далеко не дружественной. Так или иначе, но трубочку я достал и сделал 3 варианта HotEnd-ов.

Так как трубочка оказалась достаточно нежной, ( и дорогой) для крепления сопла было решено применить цанговый зажим, который эту трубочку не деформирует и обеспечивает возможность быстрой замены сопла экструдера.

Крепление к радиатору было проверено в двух версиях – цанга и запрессовка в радиатор.

Узел нагревателя использовал уже готовый, предназначенный под резистор 5 ватт и термистор линейного типа.

Проверка на АВС показала работоспособность устройства, устойчивость работы и малое подтекание пластика из сопла. Зона плавления полностью совпадает с длиной сопла. Равновесная температура составляет 280С без теплоизолятора, а при изоляции слоем минеральной ваты экструдер легко прогревается до 320С. Большую температуру я не разгонял, и даже ограничил её в прошивке этой величиной. Причина – жалко терморезистор, не готов пруток из нового вида пластика , а для других материалов типа капролона или нейлона такой величины вполне достаточно.

Экструзия лески для газонокосилки происходит весьма устойчиво, слой получается тонким и ровным, но вот прилипание к столу и деламинация изделия пока не дает возможности выполнить качественную печать. Возможно, что причина в молекулярной ориентированности материала лески. Так же, требуется подобрать тип покрытия рабочего стола. На следующей неделе  я получу каптоновый скотч шириной 80 мм.,  и попробую печатать на нем. Надо заметить, что нейлон весьма критичен к точности установки температуры экструдера , даже при незначительном  её превышении он начинает вытекать каплями , а при недостаточной – плохо свариваются слои изделия, так что это материал не для всех, а для упёртых в эту тему.

В субботу из техноложки мне привезли образец нейлонового прутка для проверки качества печати, посмотрим , как будет проявляться деламинация и прилипание к столу у этого материала.

В любом случае, эта конструкция  HotEnd-а показала свою функциональность и работоспособность.

Дальнейшее совершенствование конструкции и доведение температурных параметров до целевых ( рабочая температура 380С) пока упирается в отсутствие необходимых элементов и материалов.

Нужен картриджный  нагреватель на 40 ватт, термопара типа «К», микросхема драйвера термопары (едут из Китая), алюминиевые заготовки для нагревателя и радиатора и специальная трубочка из нержавейки с химически полированной внутренней поверхностью.

Мой лучший HotEnd для АВС 3мм

После всех ранее проведённых экспериментов и изучения материалов в сети, я изготовил HotEnd для прутка АВС 3мм, конструкция которого меня устраивает полностью!

Тело ствола теплоизолятора изготовлено из прутка РЕЕК 12мм, сопло – латунь Ф6мм, лайнер из фторопласта 4  проходит по всей длине до самой кромки сопла.

Такая конструкция обеспечивает устойчивую экструзию на скорости подачи прутка свыше 500мм/мин  при диаметре сопла 0,5мм и рабочей температуре всего 200С , то есть, объем экструдируемого материала может достигать 60мм3/сек. , и даже выше!  А в минуту можно сформировать до 4 грамм изделия при вполне приемлемом качестве печати (естественно, при соответствующем качестве системы позиционирования).

Вес  у него получился тоже весьма незначительный, а при использовании хорошего CoolEnd весь экструдер весит меньше 100 грамм.

Сейчас на всех принтерах , предназначенных для продажи,установлены именно такие HotEnd-ы.

В дальнейшем,  такая версия HotEnd-а будет установлена на ОЧЕНЬ большом принтере. Для него уже есть серьёзная работа от серьёзного заказчика.

Для своего большого принтера, который должен стать флагманом в области коммерческой печати на заказ я попробовал изготовить цельнометаллический  HotEnd для АВС- прутка 1,75мм.

За основу была взята шпилька 5мм.  из нержавейки, которую было решено просверлить до нужного диаметра.

Задача оказалась весьма непростой, сверла ломались и их уводило в сторону, из 3-х заготовок получалась только одна с приемлемым качеством, а из 2-х свёрел ( даже с титановым покрытием) выживало только одно.

Тем не менее, несколько штук я изготовил и проверил в работе.

Устройства оказались вполне работоспособными, но сопротивление движению прутка оказалось достаточно высоким, поэтому скорость печати не превышала 100мм./сек., качество печати было вполне приемлемым.

Причина  оказалась в том, что обработка сборки радиатор-ствол одним сверлом приводит к появлению ступеньки в зоне теплового градиента.

Для заводского принтера, выпускаемого на ЛПМ, была предложена такая конструкция HotEnd-а:

Качество его работы оказалось приемлемым для серийного изделия.

Первый Российский принтер заводской сборки.

Примерно в  мае прошлого года мне предложили принять участие в работах по созданию 3D-принтера, который должен выпускаться достаточно большой серией в заводских условиях.

Как-то получилось, что мои предложения по конструкции этого устройства были одобрены и приняты к реализации, и в результате получилось вот что;

Задачей было сделать принтер класса Ultimaker ( Makerbot), но более надежный и точный.

По моему предложению были применены рельсовые направляющие 15мм. по всем осям , плоттер и узел перемещения рабочей платформы были выполнены в виде отдельных быстросъемных узлов, конструкция экструдера для работы с прутком 1,75мм. цельнометаллическая с  предотвращением замятия прутка и возможностью замены сопла экструдера. Корпус устройства - закрытого типа, что уменьшает возможность деламинации печатаемого изделия , а катушка с материалом находится внутри корпуса принтера. Шасси – металлическое, с высокой жесткостью конструкции сваривается в кондукторе.

Как на заводе производится сборка и наладка прибора можно посмотреть на фото;

Цена пока не определена, но она будет не выше цены аналогичных конкурентов, скорее всего на уровне Ultimaker-а, ЗАТО ГАРАНТИЯ И ПОДДЕРЖКА ЗАВОДСКАЯ!

Устройство не является игрушкой, это достаточно серьёзный прибор для малых конструкторских или дизайнерских фирм, а так же ВУЗов.

Сейчас готова партия из 15 аппаратов в  первой серии из 100 штук, так что можно записываться в очередь на приобретение!

HotEnd из недефицитных материалов, часть 2

Это продолжение темы о различных конструкциях  HotEnd- ов, которые я пробовал и изготавливал из того, что попадалось под руку в течении 4-х лет.

Для личного использования можно сделать HotEnd, использовав электротехнический текстолит, гетинакс и алюминиевую трубку Ф4Х6 мм. с использованием в качестве лайнера фторопластового кембрика 3Х3,8 мм.

Если предполагается использовать в качестве рабочего материала ПЛА, то по термостойкости конструкции вообще нет вопросов, а вот при использовании АВС теплостойкость  текстолита на грани возможностей материала, хотя если не превышать температуру, то экструдер работает нормально.

Так выглядит  HotEnd после 2-х месяцев эксплуатации.

Другая версия экструдера с использованием гетинакса:

Также были проверены и другие версии HotEnd- ов;

Все эти конструкции можно применять только для себя, всё-таки их надежность оставляет желать лучшего, зато можно поэкспериментировать с геометрией устройства без особых затрат, а то и вообще без них ( если найти на помойке нужные кусочки материала).

Кстати, можно изготовить теплоизолятор из карболитовой ручки от старой советской отвертки, прочность и теплостойкость этого материала сомнений не вызывает, ручки всех паяльников сделаны из карболита!

HotEnd из недефицитных материалов

Экструдер для 3D- принтера  является самой важной деталью, от качества которой зависят все остальные характеристики устройства.

С другой стороны, для устройства начального уровня, важно, чтобы экструдер работал хотя бы удовлетворительно, и его можно было изготовить из не самых дефицитных материалов.

Вот такой вполне работоспособный  HotEnd собственной конструкции я и предлагаю в этой статье.

Основой конструкции является трубочка из нержавейки внутренним диаметром 4мм и внешним 6мм. Еще потребуется фторопластовый кембрик с внутренним диаметром 3мм, декоративные глухие гайки М6, гайка с фланцем М6, кусок алюминиевой полосы 25х2 мм и кусочек алюминиевой штанги квадратного сечения 16х16 мм для блока нагревателя.Нагревательным элементом является проволочный нихромовый резистор 5ватт сопротивлением 5,6 – 6,1 ома (какой попадется).

Нержавейка должна быть использована обязательно, т.к. у неё достаточно низкий коэффициент теплопроводности.

Длина трубочки должна быть не менее 50мм, иначе  утечки тепла от нагревателя будут слишком большими,  да и пластина крепления HotEnd-а будет сильно перегреваться.

Трубочку с двух сторон надо проточить до диаметра 5,4 – 5,3 мм, иначе нарезать резьбу М6 плашкой у меня не получалось (нержавейка очень вязкий материал!).

Со стороны нагревателя длина резьбы около 10мм, затем идет ненарезанная часть трубочки, по высоте равная блоку нагревателя, и затем опять часть с резьбой М6.

Резьбу надо нарезать по всей длине со стороны крепления HotEnd-а, это создает дополнительное тепловое сопротивление и перепад температуры по длине трубки.

Для того, чтобы не портить трубку неправильным заходом плашки в начале резьбы, я поджимаю её резцедержателем станка и начинаю нарезать резьбу на выключенном станке, вращая патрон вручную и одновременно подкручивая подачу резца.

Вообще- то лучше всего резьбу делать по всей длине трубочки, и не нарезкой, а накаткой. Тогда в блоке нагревателя тоже можно нарезать резьбу для крепления.

Затем надо взять две колпачковые гайки. Они бывают с толстой и тонкой передней стенкой. Лучше использовать с тонкой, проще обрабатывать.

Из одной колпачковой гайки  мы сделаем конргайку, через которую будет осуществляться подача прутка и которая будет удерживать фторопластовый кембрик от  выдергивания из HotEnd-а.

Для этого достаточно просто стукнуть молотком по голове гайки и добить с помощью керна, а потом засверлить отверстие для подачи прутка сверлом 3,5мм.

Вторая гайка будет соплом экструдера, в ней надо засверлить отверстие 0,5мм. ( Надо навернуть гайку на кусок шпильки М6 и вставить в патрон токарного станка, тогда сопло будет расположено перпендикулярно к горячей площадке ).

Если гайки с толстой стенкой, то для контргайки придется стенку проточить  или просто засверлить центровочным сверлом  3.0мм. –  сразу формируется конус и отверстие подачи прутка. Сопло в этом случае можно сделать с носиком и канавкой для крепления фторопластового колпачка, предотвращающего прилипание расплавленной пластмассы к торцу сопла.

Теперь готовую трубочку надо опять поставить в токарник и рассверлить внутренний диаметр до размера 4,0мм. Делать надо последовательно сверлами , начиная с 3,7мм через 0,1мм. Такая обработка поможет выровнять трубочку, если она слегка погнулась ,и металл при нарезании резьбы вдавился внутрь. Так же надо выровнять торцы трубочки резцом, напильником и шкуркой закруглить кромки , чтобы при наворачивании гаек они не рвали фторопластовую трубочку.

Затем отмеряем необходимую длину фторопластового  кембрика с запасом около 3-4мм.

Обычно внутренний диаметр меньше 3мм, поэтому этот кусочек надо надеть на стержень 3мм и на твердой поверхность раскатать чем-нибудь плоским и твердым до требуемого диаметра. Пруток пластика должен входить совершенно свободно!

Вставляем эту заготовку в тело HotEnd-а, и с помощью керна развальцовываем хвостик фторопласта, так чтобы получилась воронка.

После этого накручиваем контргайку с воронкой подачи. Сильно накручивать не надо, фторопласт материал мягкий. Можно разобрать и посмотреть, что получилось. После этого вставляем внутрь стержень 3мм для жесткости, со стороны сопла отрезаем лишний фторопласт, и проделываем операцию с керном ещё раз.

Конструкция закладной пластины для крепления HotEnd-а  и нагревательного блока зависят от того, какая конструкция CoolEnd-а  будет использована и от наличия материала.

Нагревательный блок может быть и круглым, из подходящего прутка, никто не запрещает. Не забывайте надеть на выводы нагревательного резистора и термистора фторопластовый кембрик подходящего размера! ( я использую 0,5мм).

Когда будете делать окончательную сборку HotEnd-а   полезно намазать резьбу со стороны сопла теплопроводной пастой.

Для уменьшения тепловых утечек необходимо изолировать зону нагрева минеральной ватой. Крепим её с помощью алюминиевой клейкой ленты.

Узел требует ОБЯЗАТЕЛЬНОГО обдува вентилятором!

Рекомендованный Ричардом Хорном  Two Finger extrusion Test  (см.  RepRap Magazine №3), показал достаточно большое усилие, необходимое для продавливания расплава.

Тем не менее, при  рабочей температуре 250 С  и скорости печати 50мм/сек свистки получаются вполне приличного качества.