ещё один вариант HotEnd

Поскольку институт дистанционного обучения припахал меня написать курс лекций по изучению принципов работы 3D –принтеров RepRap для преподавателей школ, то писать в блог времени не хватает. Работа оказалась весьма объемной, и хорошо бы закончить к новому году, хотя бы в черновике. К тому же, появилась необходимость вести разъяснительную работу среди директоров школ, а это тоже отнимает время. Как такая работа выглядит, можно посмотреть на

https://www.youtube.com/playlist?list=PLNxmoERaf9mOcsvyYsCswqPrjfkapF22m

Тем не менее, решил рассказать об экструдере специфической конструкции, который я сделал для своего принтера, может быть что-то из идей тоже понравится.

Основные идеи, которые были заложены при изготовлении этого варианта, это :

1.     Быстросменный HotEnd.

2.     Сопло экструдера выполняет  роль щупа датчика Z min.

3.     Корпус экструдера выполняет роль радиатора с активным охлаждением.

Корпус был сделан из прямоугольной трубы 30Х15мм.

Для увеличения площади охлаждения и снижения веса, в нём были просверлены отверстия Ф3мм.

Шкив подачи – на двух подшипниках.

Прижимной ролик – фигурной формы, взят от опоры скользящей дверцы.

Поджимается к шкиву подачи с помощью линейной пружины, изготовленной из сердцевины тросика открывания капота жигулей.

 В корпус экструдера установлен резьбовой штуцер для подключения подающей трубки и направляющая трубочка. 

Эта трубочка позволяет пластиковому прутку точно попадать в зазор шкив подачи – прижимной ролик.

Вентилятор охлаждения HotEnd 30Х30мм установлен сбоку.

Крепление экструдера к каретке Х принтера осуществляется с помощью уголка, конструкция которого выполняет роль пружины, отводящей всю конструкцию от микрика Z min.

Ограничение хода осуществляется с помощью регулировочного винта «в потай», а регулировка активатора микрика – с помощью анкерного винтика М3, фиксируемого контргайкой.

В качестве датчика был использован микрик МП-12, качество изготовления и стабильность работы наших армейских элементов на порядок выше, чем у бытовых, но они дефицитней и цена выше.

 На микрик был установлен светодиод для индикации срабатывания, это удобно для первичного выравнивания рабочей платформы, тем более, что при закрытой конструкции корпуса принтера лазить с бумажкой в дальние углы очень неудобно.

   

                                     

Для привода был использован мотор - редуктор ПМГ3560, его момента вполне достаточно, правда скорость движения прутка ограничена 500мм/мин по резонансной частоте двигателя.

Для подключения всей сборки был применён обычный 15-ти контактный разъём.

HotEnd- ы были опробованы двух вариантов – цельнометаллический

И быстросьёмный из РЕЕК.

Практика подтвердила то, что ещё раньше я вычислил в результате экспериментов; сопротивление движению прутка у цельнометаллической конструкции вдвое выше, чем у конструкции HotEnd с фторопластовым лайнером. Скорости экструзии соответственно составляют 200 и 400 мм/мин максимум.

Масса узла получилась вполне приемлемой.

Принтер реально ищет положение платформы по 5-ти точкам, и хорошо сохраняет высоту сопла относительно рабочей платформы даже после переустановки HotEnd, да и печатает вполне прилично.

Сейчас, в связи с возвратом к прутку 2,8мм , этот экструдер отложен в сторону, и будет использован в ДЕЛЬТА-принтере.

Курсы по изучению 3D- принтеров

Примерно 3 месяца назад я познакомился с группой преподавателей Института дистанционного обучения и информационных технологий, созданного при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете (куда только не заведет интерес к 3D – технологиям!), и в результате нескольких встреч и обсуждения проблем обучения новым направлениям в технологиях, мне предложили принять участие в программе обучения по курсу 3Д моделирование и 3Д печать.

                                    Картинку не я рисовал

Своё участие в этой программе я вижу, как человек, который может поделиться практическим опытом в сборке, настройке и эксплуатации 3Д-принтеров. Посмотрим, что из этого получится, но подробнее с программой можно познакомиться по адресу: http://efront.vkonekte.com/www/index.php?ctg=lesson_info&courses_ID=11

Узел предподачи

Когда я собрал свой Ultimaker, и понял, что мне боуденовскую систему подачи прутка не победить, я переделал каретку принтера под классическую версию экструдера, с двигателем на каретке.

Испытания этой версии показали, что такая конструкция работает гораздо лучше боуденовской системы подачи, но были отмечены срезания прутка на подающем шкиве, особенно при больших объемах подачи рабочего материала. Анализируя этот дефект, я пришёл к выводу, что причиной является трение пластикового прутка о фторопластовую трубку подачи, в результате чего шкив подачи экструдера должен не только пропихивать пруток в HotEnd, но и вытягивать пруток из подающей трубки.

 Трение прутка о трубку подачи оказалось весьма значительным и неравномерным, зависящим от положения каретки принтера. К тому же пруток имеет некоторые колебания по диаметру по всей длине, его скрученность на катушке изменяется в процессе выработки материала, он не абсолютно прямой, а слегка волнистый - как помятая проволока, да ещё от трения об фторопластовую трубку он заряжается статическим электричеством (аж искры летят, когда резко выдергиваешь!). Это приводит к нестабильности работы экструдера и снижению скорости и качества печати.

 Логично, что двигатель  CoolEnd должен заниматься только подачей материала для печати, и должен делать это как можно точнее. Если для качественной работы принтера народ меряет диаметр прутка с точностью до сотых долей миллиметра, ставит оптические измерители диаметра прутка для коррекции G- кодов в процессе работы принтера, а двигатель подает пруток неравномерно, то все эти ухищрения становятся бессмысленными. Поэтому штатный Ultimaker-овский узел CoolEnd был переделан в узел предварительной подачи прутка. Этот узел обеспечивает постоянную подачу прутка с усилием, большим, чем трение прутка о трубку подачи, но меньше, чем усилие retract.

Мотор-редуктор был взят от привода сдвижного лотка для выхода копий от копира XEROX-1050.

Эффект от такой доработки сказался сразу – качество и скорость печати существенно возросли, а  заедания прутка в экструдере полностью исчезли. Во всяком случае, при диаметре сопла 0,5 мм, скорости печати 100мм/сек и высоте слоя 0,4 мм (CYRA вся желтая!), качество печати деталей технического назначения (для сборки других 3D- принтеров) меня устроило.

После этого я наткнулся на описание 3D- принтера под маркой HP, код продукта CQ656, (по этому коду легко найти в интернете на американском сайте HP все инструкции пользователя). В нём мне приглянулась идея подачи прутка с двух катушек, со второй - когда материал кончится на первой.

Такую конструкцию я решил повторить для своего следующего принтера. Схема управления моторами была сделана автономной, чисто электромеханической. Включается она в момент подачи питания на принтер, и обеспечивает немедленную готовность к работе. Так же был предусмотрен режим реверса прутка для его удаления из тракта подачи.

Узел сведения материала из разных катушек был сделан в первом варианте из кусочков трубочки от штыревой антенны.

Механизм подачи прутка выглядел вот так:

Сразу же обозначились проблемные места в данной конструкции:

        Выбор мотор - редуктора для узла подачи. Он должен обеспечивать достаточный момент и скорость движения прутка по тракту подачи, при этом тормозное усилие редуктора на выключенном питании должно быть таким, чтобы пруток не откатывался назад под действием пружины. В первой версии для такого узла на Ultimaker-е я использовал здоровый мотор, и проблема не проявилась, а вот когда я начал сооружать этот узел на покупных мотор – редукторах, то она встала в полный рост.

 Было перепробовано множество вариантов:

               Все они оказались не лучшим выбором.

2     Для увеличения тормозного усилия на прутке прижим прутка к шкиву подачи был сделан по образу CoolEnd Ultimaker-а,  фрикционной конструкции. 

     Как оказалось, фторопласт постепенно продавливается, усилие прижатия меняется, и пруток подается нестабильно. В следующей версии узла прижим к шкиву подачи осуществлялся уже просто стенкой латунной трубки с фигурным вырезом под шкив подачи. 

     Вообще-то, такая конструкция была выбрана потому, что как всегда, хочется сделать узел как можно более компактным. Эти грабли постоянно лежат на дороге, и о них всегда все забывают, в том числе и я сам. По этому, если вы делаете какой-то хитрый узел, то пусть он сначала будет большой и кривоватый, но работоспособный! Дальше можно начинать оптимизировать его конструкцию без нарушения функциональности. Это, как я сам убедился, более быстрый путь к совершенству, чем попытка сделать всё, и сразу. В следующей версии будет использована конструкция с прижимным роликом, причем обязательно с достаточно большим ходом и пружиной.

3.     Очередная проблема образовалась, когда при испытаниях пруток застрял в тракте подачи, а трубки тракта были присоединены к узлам сведения и подачи намертво. Достать пруток без разборки было нельзя, а разбирать - сложно. В следующей версии все трубки были подключены через резьбовые штуцера, которые я сделал из кабельных ВЧ разъёмов, после чего конструкция стала выглядеть так:

Практическая проверка показала работоспособность идеи этого узла, но долго она не прожила; примененные моторчики не выдержали нагрузки и выгорели примерно на 3-ей катушке материала. Причина – опять же желание сделать всё как можно меньше!

4.     Так же в процессе испытаний выяснилось, что конструкция узла подачи требует изменения конструкции. В момент начала подачи с другой катушки пруток иногда упирается в кромку  латунной трубки и блокируется.                                                                                                                                      

Узел оказался весьма не простым в реализации, и пока полученными результатами я не доволен.

Основные выводы, которые я сделал за время всех этих опытных изысканий следующие;

1.     В мелких машинах с рабочим объемом 8-10 литров такой узел не нужен. Если требуется сделать достаточно большую деталь, и при этом оставить принтер без наблюдения, то проще поставить новую полную катушку.

2.     Конструкция с использованием прутка 1,75 мм очень критична к качеству исполнения.

3.     Размеры работоспособного устройства оказываются совсем не миниатюрными из-за необходимости применения достаточно больших моторов.

Вообще, пока я возился с прутком 1,75 мм, я сделал вывод, что единственным достоинством такого материала является то, что он оказывает меньшее воздействие на систему позиционирования принтера.

Остальное – скорее можно отнести к недостаткам. Так, тонкий пруток намного больше подвержен перехлестыванию витков на катушке и блокированию подачи материала. При неудачной конструкции экструдера, чаще происходят застревания прутка в зоне шкив – входное отверстие  хотенда из-за его малой жесткости на изгиб. Если пруток из хрупкого материала, то он часто неожиданно обламывается. Колебание диаметра прутка на 0,1 мм. приводит к значительно более худшим результатам печати, чем такое же изменение диаметра у прутка 2,8 мм.

Так что для большого принтера, я буду переделывать этот механизм под пруток 2,8 мм. Конечно же, в очередной раз придется переделать и экструдер принтера. Единственной, но не самой существенной проблемой в этом случае станет то, что намотанный на стандартную катушку SD200, пруток 2,8 мм в конце намотки достаточно сильно скручен.

В открытом журнале REPRAPMAGAZINE  №3 Ричард Хорн опубликовал прекрасный обзор различных вариантов HotEnd с анализом их характеристик, достоинств и недостатков, а так же высказал своё видение перспективных конструкций этой самой важной части 3D- принтера.

Дословно:

If only...

Delta printers were on my mind a lot

last year (and continue to be); many of the

nozzles had one issue or another stopping

them being ideal for Bowden / Delta or fast

moving-head machines.

If the Prusa V2 nozzle was available

in 1.75mm I would be using a lot more of

them, especially on Delta’s in a Bowden

configuration.

If the E3D V4/5 was lighter weight, it

would be great for Delta’s and fast movinghead

machines. It may require a bigger

melt chamber to get to really fast extruding

speeds. I’m looking forward to what the next

generation of design offers.

If the Pico allowed faster PLA printing

and had a shorter melt zone (and required

less torque to extrude) it may also be good

for Delta systems although it too is quite a

heavy nozzle being all stainless.

The J-head manages to tick quite a

few boxes for Delta and Bowden based

printers, but it’s not designed for higher

temperature materials and can’t always

achieve as fast printing as some of the

Stainless steel extruders.

But...

One nozzle does not do everything, so

for one I’m delighted that we have such a

range of different designs and capabilities,

it may also not be feasible to make a design

that does everything quite yet, so when selecting

a nozzle, think about what machine 57

it’s being fitted too, what size and type of

materials you will want to run. And if you

need/want different sized nozzles, along

with faster extrusion or slow-but-fine oozefree

prints.

К этому анализу мне нечего добавить, кроме конструкции HotEnd, максимально приближенной к его пожеланиям, поэтому я предлагаю версию, названную мной «Copyrus Nozzle HT» (Сопло Копирус Высокотемпературное). Данная конструкция появилась в результате нескольких лет поисков и длительных испытаний самых различных версий и вариантов экструдеров. Устройство предлагается для повторения по лицензии CC-BY-NC-SA (Лицензия «С указанием авторства — Некоммерческая — С сохранением условий»).

Основными преимуществами предлагаемой конструкции являются следующие особенности;

1.     Конструкция состоит только из металлических узлов.

2.     Возможны варианты для работы с материалом диаметром 1,75мм. , или 2,8мм.

3.     Допускает работу с высокотемпературными материалами (PEEK, Фортрон, другие высокотемпературные ( суперконструкционные) материалы), при условии использования для нагрева картриджного  нагревателя и термопары в качестве датчика температуры.

4.     Элементы конструкции обеспечивают простую разборку, чистку, замену и изменение параметров  HotEnd.

5.     Конструкция может быть использована для применения как в варианте боуденовской схемы подачи прутка, так и в классическом исполнении.

6.     Конструкция HotEnd имеет минимальную массу и размеры.

7.     Длина зоны температурного барьера минимально возможная, и при использовании активного охлаждения (вода, элемент Пельтье ) может составлять 2-3мм.

8.     Размер зоны пластификации рабочего материала приближается к оптимальному, и может находиться в пределах 8-12 диаметров прутка рабочего материала.

9.     Элементы конструкции HotEnd имеют простую геометрию, и не требуют использования специального или высокоточного оборудования для их изготовления.

10.                     Конструкция HotEnd обеспечивает герметичность и отсутствие подтекания расплава рабочего материала через соединения деталей.

11.                     Конструкция HotEnd обеспечивает четкую подачу и отсутствие замятия рабочего материала.

Отличительной особенностью предлагаемой конструкции HotEnd является использование в качестве основного элемента, трубки (1) из нержавеющей стали или иного металла с низкой теплопроводностью, а так же сопла экструдера(2) и элемента крепления в теплоотводе (3), имеющих цанговую конструкцию для фиксации трубки (1) в данных элементах.

                                                        Рис.1

В конструкции блоков нагревателя сопла и теплоотвода предусмотрены отверстия с резьбой М3 для установки анкерных винтов, обеспечивающих фиксацию цанговых зажимов сопла экструдера(2)  и теплоотвода(3). Размеры и геометрия блоков нагревателя сопла и теплоотвода определяются типом нагревательного элемента, термодатчика и способом охлаждения (пассивный радиатор, обдув дополнительным вентилятором, жидкостное охлаждение, элемент Пельтье ), и не являются критичными. В последней из изготовленных мною версий  HotEnd«Copyrus Nozzle HT»   в качестве материала этих узлов был использован алюминиевый пруток квадратного сечения 16х16 мм.

                                                    Рис.2

При использовании «Copyrus Nozzle HT» в системе с боуденовской подачей прутка, на цанговом элементе теплоотвода(3) должна быть выполнена наружная резьба, соответствующая штуцеру трубки боудена, и выполнена зенковка входного отверстия для обеспечения четкого попадания прутка рабочего материала в трубку(1)  HotEnd.

                                                  Рис.3

В случае использования «Copyrus Nozzle HT» в составе классического экструдера, трубка (1) должна иметь большую длину, и её кромка устанавливается вплотную к шкиву подачи прутка в CoolEnd.  Такое исполнение HotEnd гарантирует отсутствие замятий прутка в области (шкив подачи - входное отверстие HotEnd) даже при использовании очень гибких материалов для печати, например пластика производства «Filamentarno!». Данная врожденная болезнь экструдеров очень ярко проявляется, например, у принтеров производства WANHAO.

                                                Рис.4

Всё выше изложенное, позволяет говорить о том, что конструкция отдельных элементов HotEnd по схеме  «Copyrus Nozzle HT» может изменяться в широких пределах без нарушения работоспособности экструдера.

Так же можно отметить, что в идеале геометрия HotEnd является сугубо индивидуальной для каждого конкретного принтера, что позволит достичь наиболее приемлемых массо - габаритных показателей. Имеющиеся на рынке предложения со стандартными присоединительными размерами такой возможности не дают, по этому я предполагаю наладить выпуск комплектов для HotEnd типа «Copyrus Nozzle HT», в виде набора элементов в составе из 5-7 деталей. 

Количество и типоразмер элементов будут определены дополнительно после практического тестирования в реальных условиях, позволяющих собрать HotEnd и установить его на конкретный принтер с использованием максимально простой переходной планки, изготавливаемой самим пользователем (притирается по месту). Предполагаемое время появления первых комплектов – сентябрь месяц.

Данная конструкция предназначена для тех, кто уже прошел первый этап - лишь бы печатало,  и  готов двигаться дальше.