Мои выводы о конструкции экструдера

После всех экспериментов и опытных работ с различными версиями экструдеров я решил объединить выводы в одну статью.

Поскольку до начала возни с 3-Д печатью я никогда не занимался технологией переработки пластмасс и меня интересовал только практический результат, то не все мои выводы могут быть верными.

С другой стороны, полученные мной результаты, меня полностью устраивают.

Итак, вот мои выводы о конструкции экструдера для 3-Д принтера;

Основным и наиболее критичным узлом 3-Д принтера является HotEnd.

Если посмотреть на широко известную картинку из интернета, то можно увидеть, что в конструкции ствола  HotEnd-а присутствуют 4 зоны:

А – зона подачи прутка материала, в ней температура прутка равна температуре окружающей среды.

Б – зона теплового градиента, здесь температура плавно нарастает до температуры плавления пластика.

В – собственно зона плавления материала, где происходит пластификация материала перед его попаданием в сопло экструдера.

Г – сопло экструдера.

 Ствол экструдера  должен иметь диаметр несколько больший, чем используемый пруток и не иметь никаких ступенек или перепадов диаметра по всей длине.

 Это связано с тем, что часто некачественный пруток имеет достаточно большой разброс  диаметра по  длине, и может просто не пройти в отверстие ствола.

  Возникновение лишнего трения недопустимо.

 Для прутка диаметром 2,8 мм.  оптимальный диаметр входного отверстия 3.0мм. а для прутка 1,75 мм. -2.0мм. Если пруток не лезет в экструдер, то есть два пути решения проблемы:

1 – выбросить.

2 – вернуть продавцу со всеми прилагающимися словами.

Зона А является транcпортной, в ней пруток материала находится под давлением, и на мой взгляд, она должна быть как можно короче.

Здесь пластик выступает в роли пружины, и его упругие свойства сильно зависят от его свойств, диаметра и температуры окружающей среды.

Далее пруток поступает в самую критичную зону экструдера – зону Б.

Почему я считаю её самой важной?

Здесь есть несколько моментов.

Во - первых, подача прутка в экструдер 3-Д принтера  происходит не только с переменной скоростью, но и с изменением направления движения в случае ретракта.

Во- вторых, так как диаметр ствола экструдера несколько больше диаметра прутка, то под давлением расплав поднимается вверх по стволу и там застывает.

Высота подъема расплава зависит от многих параметров: это текучесть расплава, разница диаметров ствола и прутка, давление в экструдере, величина теплового градиента в зоне Б , коэффициент трения пластика о внутреннюю поверхность ствола и может быть ещё что-то.

Образующееся утолщение из материала  выполняет роль  уплотнительного кольца в цилиндре, благодаря чему и создается давление, необходимое для экструзии расплава через сопло.

Давление, надо сказать, не маленькое. 

Если момент на валу шкива подачи материала равен 1 кГ/см, диаметр шкива 8мм, то для прутка 1,75 мм оно может составить 601 кГ/см2 , и это при температуре 250С!

Так что не всякий материал выдержит.

Так же это утолщение создает основное сопротивление экструзии, так как материал прилипнет к стенкам ствола  экструдера.

Для уменьшения величины этого сопротивления можно применить внутреннее покрытие из фторопласта (лайнер), если не предполагается работа с  температурами выше 250- 280С.

Для более высоких температур единственное, что можно сделать – это использовать максимально гладкую поверхность (выполнить химическую полировку поверхности – чем меньше микроцарапин, тем лучше). 

По этой же причине не стоит ковырять в экструдере чем попало, наверняка возникнут царапины, к которым будет прилипать материал.

Так же, чем более короткой будет зона теплового градиента, тем меньше будет площадь контакта застывшего расплава со стенками ствола, и для того, чтобы сорвать прилипший материал потребуется меньше усилий. Значит, тепловой перепад  должен быть как можно круче. Обеспечить такие характеристики зоны теплового градиента можно как применением материала ствола с низкой теплопроводностью (РЕЕК), так и принудительным охлаждением (радиатор с обдувом, водяное охлаждение или элемент Пельтье). 

Также это объясняет, почему на прогретом экструдере из РЕЕК с длинным стволом, постоявшем без движения некоторое время, происходит срезание прутка шкивом подачи, расплав подтек вверх и крепко застыл!

В зоне В происходит пластификация материала. 

Её оптимальная длина так же будет зависеть от диаметра сопла экструдера, свойств материала, диаметра прутка и скорости печати. 

Для АВС – пластика 2,8мм и сопла 0,5мм я считаю оптимальной длину зоны плавления 10 диаметров прутка, то есть около 30 мм. 

Для остальных материалов и диаметров надо подбирать экспериментально, пока наука не даст методик для определения этих размеров хотя бы ориентировочно.

Сопло – (зона Г) должно иметь внутреннюю конфигурацию, обеспечивающую ламинарное движение расплава. 

Пока все применяют конусную версию с углом 120 градусов, это дает вполне приемлемые результаты на средних скоростях печати. 

Длина сопла у меня для сопла Ф 0,5мм составляет около 2мм, то есть около 4-х диаметров, струя пластика в этом случае оказывается ровной и аккуратной, с постоянным диаметром вне зависимости от скорости экструзии (проверяется в PrintRun), хотя этот параметр требует проверки и уточнения на практике.

Так же весьма важна геометрия внешней поверхности сопла. 

Я выполняю его в виде конуса 120 градусов, кончик имеет плоскую площадку диаметром 2,5-3 диаметра сопла. 

Эта площадка выполняет роль  разглаживающего утюга, что позволяет получить ровную не бугристую поверхность печатаемого изделия. 

Очень важно, чтобы эти поверхности были максимально гладкими, их необходимо полировать, чтобы материал не прилипал и не тащился за ними в виде соплей. 

Возможно, что хорошим дополнительным решением будет покрытие поверхностей фторопластовым лаком типа ЛФ-32К (пока я его не достал).   

Соответственно, конструкция крепления HotEnd-а должна обеспечивать вертикальность и жесткость его  установки относительно поверхности печатной платформы. 

В дальнейшем я предполагаю проверить конфигурацию сопла с геометрией, обеспечивающей пониженную на 5-10С  температуру на срезе сопла. 

Это может способствовать  стабилизации диаметра струйки материала на выходе и снижению его подтекания  (OOZE).

Узел нагревателя должен быть выполнен в виде отдельного элемента (у Джейхед этот узел интегрированный), это позволит менять сопло и выполнять чистку HotEnd-а, не разбирая узел нагревателя.

Вообще-то, я не сторонник варианта HotEnd-а со сменным соплом (кроме опытно-лабораторной версии), если его часто переставлять, то такое соединение всё равно когда - нибудь  потеряет герметичность , что приведет к подтеканию расплава. 

Гораздо удобнее предусмотреть быстросъемную конструкцию нагревателя сопла и менять только ствол экструдера вместе с соплом.

Теперь о другом, не менее важном узле экструдера  – о CoolEnd-е.

Его конструкция должна обеспечивать стабильную и предсказуемую подачу прутка материала в  ствол  HotEnd-а с требуемой скоростью и усилием.

  Для машин средней производительности ( до 1см3 в минуту, а таких большинство), в случае применения прутка 1,75мм надо пропихивать  до 42 мм прутка в минуту.

 Если диаметр шкива подачи равен 8мм, то он должен вращаться со скоростью 1,7 об/мин. при усилии до 10кГ. 

Это совсем немного.

 Широко используемые  шаговые двигатели (200 шагов на оборот) при частоте коммутации 400 Гц, дают соответственно 2 об/сек на выходе, при этом момент на валу падает процентов на 30-40, в зависимости от качества двигателя и контроллера ШД.

 Этим объясняется широкое использование прямого привода, когда шкив подачи установлен непосредственно на валу двигателя. 

Такое решение предельно простое, но во всех смыслах не оптимальное. 

Для обеспечения нужного усилия подачи прутка требуется применить двигатель с моментом на валу 2,5 кГ/см в случае использования шкива подачи Ф 8мм.

 Такой двигатель весит достаточно много, около 200-300 грамм, и сильно нагружает двигатели перемещения по  X-Y (а иногда и по Z).

 К тому же, для двигателя экструдера очень важен режим тока удержания, двигатель не должен проворачиваться назад под действием реакции сжатого прутка после прекращения движения.

 Большой двигатель потребляет больший ток  и больше греется, а при прогреве градусов до 60С, его момент падает раза в два, что приводит к пропуску шагов на подаче.

 Кстати, именно по этому можно видеть, как на двигатели крепят различные вентиляторы для их охлаждения (см. REPRAPPRO).

 Вообще-то, двигатель экструдера в режиме удержания  должен попадать в режим насыщения по току. 

То есть, при питании 12В и токе насыщения 1А, сопротивление обмоток должно быть 12 Ом.

Для снижения массы экструдера разумно применять редукторный вариант привода.

 Такой я нашел на Thingiverse, и на настоящий момент считаю его наилучшим для небольших принтеров. 

Если предполагается работа со значительной скоростью подачи прутка, то есть смысл применить  двигатель на 48 шагов от какого-нибудь принтера EPSON с редуктором 1/5 -1/10.

Очень важным элементом CoolEnd-а является шкив подачи. 

От качества его изготовления зависит точность и стабильность подачи прутка , и соответственно, качество печати принтера.

Для небольших принтеров средней производительности оптимальным является шкив диаметром 8мм.  

Шкив должен иметь минимальный эксцентриситет и овальность, а насечка не должна иметь дефектов.

Это яркий пример работы принтера с дефектным шкивом подачи. Видно, как проявляется модуляция экструзии материала в зависимости от изменения эффективного радиуса шкива.

А это тот же принтер, но с правильным шкивом.

Я изготовил и перепробовал массу самых разных вариантов шкивов подачи, это лишь некоторые из них;

Общие выводы по конструкции шкивов такие:

Hobbed Bolt, как в PRUSA MENDEL является приемлемым вариантом для удовлетворительной печати с соплом 0,5мм и начинающих репрапперов. 

Железо строительных болтов мягкое, зубчики насечки под давлением прутка загибаются неравномерно, а диаметр шейки болта 8мм плюс-минус лапоть, поэтому он болтается в подшипниках.

Идеальным вариантом было бы изготовление шкива с помощью специальной профильной накатки и последующей закалки шкива, но такого накаточного инструмента я не нашел даже на заводе Полиграфмаш, поэтому для самостоятельно изготавливаемых шкивов подачи я  могу рекомендовать следующее;

Лучшим материалом из доступных  является пруток из бронзы или латуни. 

Это достаточно твердый и легкообрабатываемый материал, к тому же он не дефицитен.

Нарезка резьбы осуществляется метчиком М4 , как для прутка 2,8мм, так и для 1,75мм.

 Метчик надо обязательно подпирать с помощью патрона в задней бабке станка, тогда он не будет прыгать при нарезке резьбы.

 Использование нарезки резьбы метчиком М3 можно рекомендовать только для прутка 1,75мм, принтеров с высоким качеством печати и малой скоростью экструзии (очень маленький зуб насечки не позволяет создать высокое усилие подачи прутка).

Диаметр шкива – важная вещь, чем он больше, тем больше пятно контакта с прутком, но усилие подачи прутка падает пропорционально увеличению диаметра шкива.

 Оптимальный диаметр шкива в зависимости от поставленной задачи находится в пределах 8-12мм.

Если в качестве оси шкива используется винт М3  (М4 ) , то заготовка шкива должна быть накручена на этот винт (выбрать самый ровный!), и проточена на токарном станке для устранения эксцентриситета.

 Далее с помощью фигурного резца надо выбрать канавку радиусом 2,5мм и глубиной 0,5 – 0,7мм.

 Это необходимо для того, чтобы метчик при нарезке насечки шкива занимал вполне определённое положение на поверхности шкива, а зубчики нарезки не были острыми.

 Нарезку насечки следует выполнять  не снимая шкива с винта – оси, это теперь неразборный узел!

Мой опыт показывает, что из 10 изготовленных шкивов 3-4 это брак, 3-4 получаются удовлетворительно, и только 2-3 (реже 4) меня полностью устраивают.

Применение в качестве прижимного ролика стандартного подшипника  диаметром 10-15мм для  принтеров средней производительности вполне оправдано, надо только учитывать, что с таким прижимом пруток существенно удлиняется (процентов на 8-12, в зависимости от материала прутка и усилия прижатия ролика), и приобретает скорее прямоугольную в сечении форму, чем круглую.

 В этом можно убедиться, засунув в готовый узел 10 см. прутка и вручную провернув шкив подачи.

 Такой тест позволит оценить растискивание материала в CoolEnd –е, и убедиться в качестве работы шкива ещё до установки узла на принтер. Потом снимать его будет гораздо сложнее!

 Кстати, одновременно можно увидеть, есть ли модуляция по сечению прутка из-за эксцентриситета шкива подачи,  и оценить создаваемое CoolEnd-ом  усилие на прутке.

Для использования в принтере с высокой производительностью, я предполагаю использовать узел подачи с активным прижимом, который должен состоять из 2-х одинаковых шкивов, вращающихся навстречу друг другу с помощью шестерен. 

Пятно контакта с прутком в этом случае удвоится, и усилие  до момента срезания прутка можно будет увеличить раза в полтора.

Почему мне не нравится боуденовская система подачи прутка?

Уже слышу голоса правоверных швейцарцев – Вам не нравятся кошки? Вы просто не умеете их готовить!

Тем не менее, у меня есть серьезные аргументы против этой схемы.

 Когда зона А очень длинная, то упругие свойства прутка приводят к

 тому , что двигатель экструдера должен подать пруток на достаточную величину, чтобы припай материала в зоне Б оторвался от стенки, при этом пруток в трубке начнет принимать спиральную форму (возьмите прозрачную трубку длиной в метр, запихните туда пруток и убедитесь сами), плюс ещё добавится упругое растяжение трубки подачи.

 Оторвется он щелчком, и из сопла вылетит сопля.

 Далее экструзия будет продолжаться, пока пруток не расправится от напружиненности.

 Поскольку жесткость прутка меняется  в зависимости от температуры окружающей среды, процесс становится трудно предсказуемым, а качество печати мелких элементов неизбежно упадет.

  Не даром  основной идеолог боуденовской схемы Эрик де Брюин в своих Ultimaker- ах использует пруток 2,8мм и базовое значение ретракта установлно 4,5 мм!Его жесткость существенно выше, чем у прутка 1,75мм. 

Я с огромным уважением отношусь к его работам, но у меня есть свое видение проблемы.

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!