Экструдер в 3D печати. Материалы для реализации программы дополнительного образования

«Экструдер: строение, принцип работы»

Процесс 3D-печати в двух словах можно описать так: нить из пластикового материала подается в нагретый металлический блок с соплом, где она плавится и экструдируется в заданном виде. Этот путь повторяется, постепенно наращиваясь до тех пор, пока не будет сформирован твердый трехмерный объект.

Вся бизнес-задача по обращению с материалом, его плавлению и выходу для печати происходит в блоке под названием экструдер 3д принтера. 

Экструдер для 3D-принтера представляет собой набор деталей, которые вместе обрабатывают и перемещают пластиковую нить.

Некоторые считают, что экструдер - это только двигатель и связанные с ним части, которые толкают и тянут нить, другие - весь узел, включая нагретую часть, которая плавит и откладывает нить.

Для простоты в этой статье вся сборка рассматривается как экструдер. Для начала, объясняя ключевые компоненты экструдера 3D-принтера, мы разделим его на два элемента: холодная зона и горячая зона.

Как следует из названия, холодная зона именно такая - холодная. Это верхняя часть системы экструдера 3D-принтера, в которую нить подается, а затем проходит в горячую зону для плавления и экструзии на печатную платформу.

Внешний вид и расположение холодной зоны на вашем 3D-принтере зависит от того, является ли он экструдером с прямым приводом или с приводом Боудена (оба из которых подробно описаны ниже). 

Здесь нет нагрева нити. Холодная зона состоит из двигателя экструдера и зубчатой ​​передачи, которые обычно устанавливаются либо на раме принтера, либо на самой печатающей головке, в зависимости от типа экструдера, и трубки из ПТФЭ для плавного направления нити в хотэнд. 

По сути, холодная зона состоит из шагового двигателя, зубчатой ​​передачи той или иной формы, зубчатого болта или шестерни, подпружиненного натяжного ролика (обычно какого-либо подшипника) для удержания нити накала, а затем трубки из ПТФЭ для направления нити. 

Скромный шаговый двигатель с металлической шестерней, необходимой для экструдера 3D-принтера, приводит в движение и экструзию нити в большинстве, если не во всех современных настольных 3D-принтерах. 

Однако одного шагового двигателя недостаточно для подачи нити к горячему концу. Детали, прикрепленные к приводному валу шагового двигателя и работающие с ним, должны физически захватить нить и протолкнуть ее по пути к хотэнду.

Для этого обычно используется комбинация зубчатых шестеренок и болтов с зубьями или валов (на изображении выше мы видим металлическую шестерню и пластиковую шестерню с зубчатым валом), служащие прижимным колесом вместе с подшипником или другим жестким материалом без трения. 

В качестве альтернативы существуют версии холодного конца экструдера 3D-принтера, в которых для подачи нити используется немного другое расположение деталей. Такие отклонения часто утверждают, что обеспечивают повышенное сцепление и доставку нити.

Как уже упоминалось, существуют разновидности экструдера для 3D-принтера, в которых эти детали используются в немного отличающихся друг от друга компоновках. У каждого есть свои плюсы и минусы. Далее мы рассмотрим, в чем разница между экструдером для 3D-принтера с прямым приводом и 3D-принтером Боудена.

Экструдер для 3D-принтера с прямым приводом отличается тем, что в нем двигатель экструдера размещен непосредственно над блоком нагрева. Такое расположение сводит к минимуму расстояние перемещения нити до горячего конца и может обеспечить более надежную 3D-печать гибких нитей.

Преимущество использования прямого привода заключается в более точном управлении втягиванием. Благодаря расположению непосредственно над хотэндом, меньше расстояние между зажимом и нитью, проходящей через тепловой барьер в блок нагрева. Следовательно, у нити меньше места для изгиба и деформации под воздействием давления.

Экструдер для 3D-принтера в стиле Боудена не монтируется непосредственно на верхней части хотэнда, как экструдер для 3D-принтера с прямым приводом, а в сборе двигателя и зубчатой ​​передачи монтируется на раму принтера. При этом экструдер данного типа получает преимущество по сравнению со своим братом с прямым приводом, установленным на печатающей головке: скорость.

Если вместо этого разместить массу экструдера 3D-принтера на раме, печатающая головка освобождается для печати на более высоких скоростях без ущерба для качества печати. Побочный эффект от размещения экструдера 3D-принтера таким образом заключается в том, что теперь нить накала должна пройти долгий путь в трубе, которая на долю шире, чем она есть. По всей длине трубки должно быть достаточно места для небольшого изгиба нити. При втягивании нити между перемещениями, это провисание нити сокращает расстояние втягивания. Без коррекции (то есть увеличения втягивания) это приводит к задержке ослабления давления, оказываемого на горячий конец. Короче говоря, вы можете запутаться, если не измените настройки втягивания.

Внутри узла, известного как хотэнд, нить проходит в нагретую камеру, где она переходит из твердого состояния в жидкость. Звучит просто, и в основном так оно и есть. Хотя есть еще много чего, чтобы филамент шелковисто вытеснялся на рабочую пластину.

Типичный хотэнд 3D-принтера состоит из определенной последовательности деталей. Есть небольшая разница в зависимости от того, используете ли вы PTFE / PEEK или цельнометаллический хотэнд. Здесь мы объясняем цельнометаллический горячий блок.

Во-первых, это трубка подачи нити. И в экструдере 3D-принтера Боудена, и в экструдере с прямым приводом это будет просто трубка из ПТФЭ, идущая от вашего холодного блока подачи нити. 

Иногда можно встретить экструдеры для 3D-принтеров с прямым приводом, в которых нить накала проходит прямо в печатающую головку.

На экструдере 3D-принтера Боудена эта подающая трубка вставляет нить непосредственно в тепловой барьер через радиатор. Тепловой барьер, который ввинчивается в радиатор, часто представляет собой трубку из нержавеющей стали (или другого нетеплопроводного металла, например титана) с резьбой.

Верхняя часть, которая активно охлаждается радиатором и специальным вентилятором, предотвращает выход тепла из горячего конца и ослабление нити до того, как она окажется там, где она должна быть для экструзии. Это нежелательное явление известно как тепловая ползучесть.

Нижняя часть теплового барьера находится внутри блока нагревателя вместе с патронным ТЭНом, термистором реле температуры и соплом.

Блок нагревателя, обычно изготовленный из алюминия, обеспечивает плавный переход нити от открытого конца терморазрывной трубки к соплу.

Температура, чтобы расплавить нить, должна быть откуда-то, и именно здесь в игру вступает патронный нагреватель. Под действием электрического тока патронный ТЭН нагревается, передавая тепло соплу через блок нагревателя, в котором они оба заключены.

Также внутри блока нагревателя находится термистор - небольшой датчик, который передает температуру блока на материнскую плату 3D-принтера, что позволяет выполнять правильные настройки. 

А еще на неровном краю всей системы - сопло. Само сопло представляет собой небольшой кусок обработанного металла, состоящий из камеры, в которой находится расплавленная нить, которая сужается к отверстию сопла.

Чтобы 3D-принтер работал качественно, так же качественно нужно подобрать печатающую головку. Как выбирать экструдер для 3d принтера – вопрос сложный, но есть несколько моментов, которые помогут принять правильное решение при покупке:

Тип материала. Современные экструдеры либо созданы с помощью 3D-принтеров, либо оснащены литыми элементами. Второй вариант будет более прочным в применении, что важно при больших нагрузках. Преимущество напечатанных головок – это низкая стоимость.

Способ подачи филамента. Эта деталь очень важна, так как через нее нить подается к нагревателю. Весь процесс должен быть аккуратным и бесперебойным, чтобы пластик не запутался при подаче к соплу.

Вид подающего ролика. Довольно часто случается так, что из-за плохого сцепления материала с подающем роликом начинает проскальзывать нить. Чаще всего такое случается с нитями из нейлона.

Параметры сопла. Печатающая головка может быть оснащена соплами различных размеров. От того, какую фигуру мы хотим получить в итоге, будет зависеть диаметр сопла.