Головка для 3d принтера своими руками. Филамент стачивается, пластик крошится. Отличная реализация отдельных деталей

Экструзионная головка – это модуль, оснащенный металлическим соплом и охлаждающим вентилятором и предназначенный для плавления нити и формирования изделия. Качественные экструдеры для 3d принтера изготавливаются из металлов способных выдержать высокие температуры. Устройство снабжено электронными датчиками контроля и управления процессом.

В модуль подается расходный материал с катушки, который нагревается до заданной температуры и переходить в пластичную фазу. Описываемый экструдер для нити 3d принтера подает полимер на платформу, где происходит моделирование объекта методом послойного наплавления. В некоторых устройствах могут применяться две головки и больше для материалов разного цвета или назначения.

Экструдер для нити 3d принтера, выбор модели и установка

Описываемые модули совместимы с определенными видами установок, которые осуществляют формирование изделий с использованием 3D технологий. Прежде чем попытаться ответить на вопрос, какой экструдер лучше для 3d принтера следует установить его тип. Подобрать головку можно по характеристикам, в частности, модель МК8 имеет следующие параметры:

Используемые пластики ABS и PLA.
Температура сопла максимальная – 260 ⁰C.
Диаметр нити – 1,75 мм.
Сечение сопла от 0,2 до 0,4 мм.

Лучший экструдер для 3d принтера имеет стандартные параметры электропитания: ток – постоянный напряжением 12 В. Модуль комплектуется высокочастотным термистором марки NTC, который обеспечивает оптимальные режимы нагрева формующего материала. Наш интернет-магазин 3DIY предлагает купить экструдер для 3d принтера по умеренной цене. Оформить заказ можно по телефону или непосредственно на сайте. Наши сотрудники готовы оказать вам помощь в подборе и приобретении комплектующих. Звоните или подавайте заявки онлайн.

Принтеры очень популярны. Именно такие устройства составляют большинство “домашних” и самодельных моделей.

Печатающая головка FDM-принтера называется экструдером (от extrude - выдавливать), что отражает ее принцип действия: экструдер создает объект послойно, выдавливая размягченный материал через сопло. Тюбик с зубной пастой, клеевой пистолет, шприц с силиконовым герметиком - действуют по аналогичной схеме.

Чаще всего, для печати в FDM-устройствах используются термопластики ABS и PLA в виде филамента (нити), поэтому, в первую очередь, мы рассмотрим такие экструдеры.

Устройство экструдера 3D-принтера

Типичный экструдер для печати пластиком делится на две основные части: блок с механизмом подачи филамента (колд-энд, “холодный конец”, cold end) и сопло с нагревателем (хот-энд, “горячий конец”, hot-end).

Экструдер 3D-принтера Solidoodle. Хорошо видно красный филамент, зажатый между подающим роликом (слева) и прижимным. Прямоугольная алюминиевая деталь на сопле - нагреватель.

Подающие ролики (втулки)

Подаватель филамента состоит из колеса (шестерни), соединенного с электромотором (напрямую или через редуктор), и прижимного механизма. Подающее колесо, вращаясь, вытягивает филамент из катушки и направляет его в хот-энд, где пластик плавится под воздействием высокой температуры и выдавливается через отверстие в сопле.

“Горячий конец” экструдера делают из металла с высокой теплопроводностью (алюминия или латуни); нагревательный элемент, как правило, выполнен в виде одного-двух резисторов или спирали из нихромовой проволоки. Для отслеживания и последующей регулировки температуры, к соплу экструдера крепится датчик (термопара).

Экструдер 3D-принтера Printbox3D One с системой охлаждения

Хот-энд сильно разогревается во время работы, а остальные части экструдера должны оставаться холодными, иначе филамент начинает плавиться слишком рано. Поэтому, между “холодным” и “горячим” концами экструдера устанавливается теплоизолирующая вставка (обычно из термостойкого пластика PEEK). Кроме того, для охлаждения колд-энда, в печатающую головку часто встраивают радиатор с вентилятором.

Боуден-экструдер

Кроме экструдеров с прямой подачей пластика, конструкция которых рассмотрена выше, существует т.н. боуден-экструдеры (“экструдер Боудена”, Bowden extruder). Единственное их отличие в том, что блок подачи филамента и сопло разнесены: колд-энд жестко закреплен на раме 3D-принтера, а хот-энд находится на подвижной печатающей головке. Филамент, при этом, подается в сопло по длинной тефлоновой трубке (по принципу боуден-троса).

На практике это выглядит примерно так

Подобное решение позволяет снизить массу и габариты печатающей головки, благодаря чему увеличивается скорость работы принтера, но страдает надежность подачи пластика.

Важные характеристики экструдеров филамента

Хотя в конструкции любого экструдера, в принципе, нет ничего сложного, существуют несколько важных нюансов.

В первую очередь, это материал корпуса и механизмов.

Некоторые производители оснащают свои экструдеры, вплоть до нагруженных компонентов, дешевыми 3D-печатными деталями. Нужно учесть, что литые детали прочнее 3D-печатных, поэтому, стоит обратить на это внимание.

Надежность подачи филамента. От подающего механизма зависит бесперебойность печати, в итоге - ее результат.

Филамент, как и любая длинная нить, может просто запутаться, что приведет к заклиниванию механизма. Достаточно мощный подаватель, в таком случае, сможет “проглотить” филамент даже с небольшими узелками или перехлестами.

Кроме того, из-за недостаточного сцепления подающего ролика с филаментом, пластиковая нить может проскальзывать, из-за чего возникают задержки в ее подаче.

В связи с этим стоит упомянуть печать нейлоном (капроном). Из-за мягкости и скользкости этого пластика, экструдеры, рассчитанные на ABS и PLA, не всегда могут с ним нормально работать: подающее колесо с гладкими зубцами просто не способно надежно зацепиться за филамент.

Поэтому, при печати нейлоном желательно использовать подающий ролик с острыми зубчиками или агрессивной насечкой.

Важнейший аспект - размер сопла экструдера. Именно от него зависит, в большой степени, качество печати.

Производители 3D-принтеров обычно оснащают свои экструдеры соплами с отверстием диаметром 0.4-0.5 мм - этот размер является оптимальным. В свою очередь, использование сопла меньшего диаметра (0.3-0.2 мм) может обеспечить лучшую детализацию, четкость граней и чистоту поверхности объекта, т.к. выдавливаются более мелкие капли пластика.
С другой стороны, маленькое сопло увеличивает время печати объекта, оно более склонно к забиванию мусором и застывшей пластмассой. Потенциально, также растут требования к мощности подавателя филамента, т.к. экструдеру становится сложнее протолкнуть пластик через маленькое отверстие.

В любом случае, в современных 3D-принтерах, как правило, можно использовать сменные сопла с отверстиями разного диаметра.

Двойной экструдер

В настоящее время на рынке представлено несколько моделей 3D-принтеров, печатающие головки которых оснащены двумя (и даже тремя!) экструдерами (например, MakerBot Replicator Dual и 2X).

Печатающая головка 3D-принтера Replicator Dual
Двойной экструдер хорошо подходит для печати двухцветных объектов или создания структур поддержки из растворимого полимера , т.к. позволяют иметь наготове и оперативно использовать два вида пластика. Но, в целом, технология двойной экструзии сыровата и находится в стадии развития, поэтому у нее масса недостатков.

Самое главное, что современные 3D-принтеры не могут полноценно печатать одновременно обоими экструдерами - они жестко закреплены на общей печатающей головке, и не двигаются независимо. Поэтому, принтер задействует каждый экструдер по мере необходимости.

Метод по-настоящему одновременной печати существует - называется он “Ditto printing”. Экструдеры, работая одновременно, строят две копии одного объекта. Но, Ditto printing имеет очень ограниченное применение, т.к. позволяет получать только маленькие объекты одного цвета, или двухцветные большие, но с повторяющейся структурой, вроде цепи или плетенки.

К недостаткам 3D-принтеров с двойным экструдером также относится их повышенная стоимость и сложность в настройке. Навешивание дополнительных деталей печатающую головку увеличивает ее габариты, массу и инерцию, что уменьшает скорость работы принтера и размеры области печати. Кроме того, сопло незадействованного во время печати экструдера может цеплять и деформировать объект или оставлять на его поверхности потеки филамента.

Экструдеры пасты

Термопластики - не единственный материал, который используется в FDM-принтерах. Достаточно популярна печать разнообразными пастообразными материалами, такими как расплавленный шоколад , глина, пластилин, силикон и т.д. Обычно экструдеры для печати такими субстанциями представляют собой шприц, шток которого управляется степпер-мотором или сжатым воздухом.

В экструдере Hyrel EMO-25 паста подается степпер-мотором

Экструдер для печати глиной от Unfold с подачей материала сжатым воздухом

Нестандартные и перспективные экструдеры

Напоследок стоит упомянуть несколько нетипичных экструдеров.

Например, это некоммерческие версии печатающей головки, способные смешивать несколько видов филамента. Фактически, это три отдельных экструдера с одним общим соплом.
WPeMatico

Благодаря простоте и дешевизне, -принтеры очень популярны. Именно такие устройства составляют большинство “домашних” и самодельных моделей.

Чаще всего, для печати в FDM-устройствах используются термопластики в виде филамента (нити), поэтому, в первую очередь, мы рассмотрим такие экструдеры.

Устройство экструдера 3D-принтера

Подающие ролики (втулки)

Боуден-экструдер

На практике это выглядит примерно так

Важные характеристики экструдеров филамента

Хотя в конструкции любого экструдера, в принципе, нет ничего сложного, существуют несколько важных нюансов.

В первую очередь, это материал корпуса и механизмов.

Надежность подачи филамента. От подающего механизма зависит бесперебойность печати, в итоге - ее результат.

В связи с этим стоит упомянуть печать (капроном). Из-за мягкости и скользкости этого пластика, экструдеры, рассчитанные на ABS и PLA, не всегда могут с ним нормально работать: подающее колесо с гладкими зубцами просто не способно надежно зацепиться за филамент.

Важнейший аспект - размер сопла экструдера. Именно от него зависит, в большой степени, качество печати.

Двойной экструдер

В настоящее время на рынке представлено несколько моделей 3D-принтеров, печатающие головки которых оснащены двумя (и даже ) экструдерами (например, ).

Печатающая головка 3D-принтера Replicator Dual
Двойной экструдер хорошо подходит для печати двухцветных объектов или создания структур поддержки из , т.к. позволяют иметь наготове и оперативно использовать два вида пластика. Но, в целом, технология двойной экструзии сыровата и находится в стадии развития, поэтому у нее масса недостатков.

Экструдеры пасты

Термопластики - не единственный материал, который используется в FDM-принтерах. Достаточно популярна печать разнообразными пастообразными материалами, такими как расплавленный , глина, пластилин, силикон и т.д. Обычно экструдеры для печати такими субстанциями представляют собой шприц, шток которого управляется степпер-мотором или сжатым воздухом.

Экструдер (от англ. слова extrude) - это печатающая головка 3D принтера. Название этой детали (перевод термина - выдавливать) полностью соответствует принципу ее действия: экструдер выдавливает специальный материал через отверстие, тем самым создавая слои объекта. Точно также работают и клеевые пистолеты, тюбики с пастой и прочие.

В большинстве случаев 3D принтер печатает объекты из термопластика ABS и PLA (филамента по научному или пластиковой нити в обиходе), поэтому стоит проанализировать такие экструдеры.

Фактически - экструдер (печатающая головка 3D принтера) - это основной механизм и именно от него и зависит качество печати на 3D принтере. Даже если вы решили собрать полностью , то на экструдер стоит разориться и купить готовый и проверенный узел.

Печатающая головка 3D принтера состоит из двух элементов: сопла и механизма подачи филамента. Сопло имеет нагревательный элемент и называется также хот-энд (hot-end). Нагреватель выглядит как прямоугольное алюминиевое устройство.

Элемент для подачи филамента (колд-энд) - это небольшой блок, состоящий из прижимного механизма и шестерни. Такой механизм должен быть соединен со специальным электромотором (через редуктор). Принцип работы 3D принтера такой: колесо вращается и высасывает филамент, переправляя его в hot-end. Там, он плавится (благодаря нагревательному элементу) и выдавливается через сопло.

Чаще всего нагревателем является нихромовая спираль или несколько резисторов. Хот-энд изготовлен из теплопроводного металла (например, алюминия). К соплу прикрепляется специальный датчик температуры, что бы следить и регулировать состояние принтера.

Хот-энд и колд-энд разделяют теплоизолирующей стенкой, сделанной из термостойкого пластика PEEK. В часть колд-энд встроены вентиляторы, чтобы не допустить перегрев. Все это делается для того, что бы филармент не начал плавиться слишком рано. Хот-энд очень нагревается, при этом колд-энд должен оставаться достаточно холодным.

Кроме обычных экструдеров (с прямой подачей), существуют также боуден-экструдеры (Bowden extruder). Они отличаются от стандартных тем, что hot-end закреплен на подвижном элементе, а cold-end находится на раме 3D принтера. Таким образом, две эти части разделены и не соприкасаются. Филамент переходит в сопло через трубку из тефлона.

Такое строение экструдера позволяет сделать его меньшим, тем самым ускорить процесс 3D печати. При этом снижается надежность подачи пластика.

Есть несколько нюансов в строении печатающей головка 3D принтера. Во-первых, важен материал, из которого изготовлен корпус и детали. Некоторые компании производят экструдеры из некачественных, дешевых элементов. Лучше всего создавать литые детали 3D принтеров, потому что они более надежны. Результаты работы машины зависят от подачи филамента. Поэтому, механизм подачи должен быть бесперебойным и надежным.

В случае если филамент запутается (т.к. он является похожим на нить), подаватель может заклинить. Если детали качественные, филамент все равно должен выйти, только с небольшими комочками.

Из-за того, что филамент недостаточно сильно сцеплен с механизмом подачи, нить может проскользнуть и создать некоторые задержки в работе 3D принтера.

При печати можно использовать капрон или нейлон. Стандартные печатающие головки (настроенные на ABS) не способны нормально ее обработать, так как она гладкая и мягкая. Подающее колесо не может достаточно сильно «схватить» филамент. Именно поэтому, при печати с помощью капрона используют ролики с зубцами или острой насечкой.

Также в строении экструдера очень важно учитывать размер сопла, потому что от него зависит готовая работа. Обычное сопло 3D принтера имеют размер 0,4-0,5 мм. Другое сопло, меньшее по размеру (0,2-0,3 мм) делает печать объекта более детальной, чистой и четкой, потому что выдавливаемая горячая нить более тонкая.

Особое внимание стоит обратить на то, что печать с помощью маленького сопла, увеличивает время печати. Также, такое отверстие быстро забивается мелким мусором и застывшим пластиком. Подаватель должен быть более мощным, что бы протолкнуть филамент пластиковой нити через маленькое сопло.

В современных принтерах существует возможность использование сопла разного диаметра. В наше время представлены разные модели 3D принтеров с несколькими встроенными печатающими головками. Например, в модели MakerBot Replicator Dual встроены два экструдера.

Использование нескольких головок лучше всего подходит для печати двухцветных объектов, так как применяется два вида пластика. Не смотря на это, технология печати с помощью двух экструдеров изучена не досконально и имеет ряд недостатков и неточностей.

Две печатающие головки работают независимо в принтере, что позволяет печатать ими обоими параллельно. Они крепко закреплены на головке и 3D принтер использует каждую из них по мере необходимости.

Существует также новый метод одновременной 3D печати, который называется «Ditto printing». При таком способе оба экструдера печатают два идентичных объекта, работая параллельно. Однако данный метод имеет ряд ограничений: печатаются только небольшие объекты, одноцветные или же двухцветные и большие, но с определенной структурой (она должна быть повторяющейся и выполненной в виде цепи).

Также одним из недостатков принтеров с двумя печатающими головками относится их сложность и слишком большая стоимость. Установка дополнительных деталей делает экструдер большим и тяжелым, что замедляет скорость работы и позволяет создавать только маленькие объекта. В ходе печати неработающее сопло также может цепляться за готовые части объекта и портить их, оставляя потеки филамента.

Небольшой обзор по материалам применяемым для изготовления головок 3Д-принтеров и самих головок, чтобы было яснее, почему их так делают, J-Head, Makerbot, Ultimaker.

Это вторая моя статья из цикла-эпопеи о принтерных головках. Шутка - но ещё есть что сказать. Первая статья . Как и все материалы по RepRap - принтерам относится к open-source, значит если нужны какие-то подробности обращайтесь.

Хотэнд - горячая часть головки обычно состоит из трёх частей:

Собственно головка, сопло, nozzle;
- термобарьер, ещё называют nozzle holder, может быть в одном флаконе с радиатором;
- радиатор.

Требования к материалам этих частей существенно разные. Впрочем, я видел в Сети людей, которые всё эти части делали из алюминия. И у них ничего хорошего не получалось. А вот Прюша - тот самый, знаменитый, по имени которого названа модель принтера Prusa, сделал всё из нержавейки. Об этом тоже будет написано.

головка Prusa Nozzle

Итак - головка, сопло, она делается обычно из латуни, иногда из алюминия, слышал упоминания про бронзу и никогда не видел сделанную из меди. Почему так? Вероятно потому что в головке, конечно, имеет значение хорошая теплопроводность материала, но это значение не слишком велико, более важно удобство обработки материала.

Итак, посмотрим значения теплопроводностей для меди, алюминия, латуни и бронзы:

Медь - 395 вт/м К
- алюминий - 220
- латунь - 150
- бронза - 58,7 - это для алюминиевой бронзы, которая заметно прочнее латуни.

Бронза, как видите, имеет почти в три раза меньшую теплопроводность, чем латунь, что в случае использования резистора-нагревателя может иметь значение.

От алюминия отказались, вероятно, по причине излишней мягкости. Есть, конечно и достаточно прочные сплавы алюминия, но их ещё надо найти и отличить… так что…

Медь - наверное, трудно обрабатывать и слишком мягка.

Для меня важным и полезным свойством латуни (бронза - то же самое) является также, то что она хорошо паяется твёрдым серебряным припоем - который для ремонта холодильников. Он очень хорош, им можно припаять бронзу к нержавеющей стали и смачиваемость его просто великолепна, то есть он прекрасно затекает по всему стыку, будучи паяем только в одной точке. Так мы плавно переходим к термобарьеру. Это деталь, которая должна выдерживать механические нагрузки головки и передавать поменьше тепла к корпусу аппарата. Первые модели хотэндов использовали для этого фторопласт - если по-русски, или тефлон, PTFE. Вообще-то прекрасный материал, особенно в силу своей замечательной скользкости. К нему, как бы, вообще ничего не липнет и теплопроводность у него маленькая Однако есть дефект. Прочность. Прочность мала, и даже не это самое плохое, плохо то что у него есть текучесть. Текучесть - значит под нагрузкой, даже при несильном нагреве он начинает изменять свою форму. Всё. Эта особенность оставила ему только функцию вкладышей в головке, которые снижают трение филамента. Там ему течь некуда. Он подпёрт со всех сторон - или металлом или соответствующим пластиком.

Посмотрим теперь на свойства материалов которые мы могли бы поставить в качестве термобарьера. Теплопроводность -в Вт/м К (имеется в виду - ватт, метр, градус, а какой, Кельвина или Цельсия - неважно) и Предельная прочность на разрыв - в мегапаскалях.

Тефлон 0,25 26
- PEEK 0,29 165
- Нерж.Сталь марки 304 9,4 580-600
- Нерж.Сталь марки 316 9,4 680
- Сталь 3, самая простая 55 380

Смотрим, второй строкой идёт PEEK, это довольно экзотический пластик. С впечатляющей ценой. Обратите внимание на прочность, она всего раза в два ниже Стали 3.

При малой теплопроводности, хорошей скользкости и неплохой термоустойчивости он стал популярным материалом для держателей сопел.

Классическая J-Head Nozzle Mk5 B

Минусов два, и серьёзных: - цена и термоустойчивость. 250ºС - это температурный предел, часто хочется большего, терморезисторы(многие) будут работать до температуры 300ºС - есть куда расти.

Теперь посмотрите на нержавеющие стали - их теплопроводность в 5 раз ниже обычной стали! А прочность в почти два раза выше! Это популярные на Западе марки сталей соответствующие нашим 08Х18Н10 и 08Х17Н13М2. Первая - вообще классическая пищевая нержавейка, хромоникелевая. Правда теплопроводность в 40 раз повыше чем у тефлона, но если учесть разницу в прочности, то разница с тефлоном будет всего процентов 30. PEEK, впрочем остаётся недосягаемым конкурентом. Но устойчивость к теплу… и ещё приятная возможность припаять серебрянным припоем латунное сопло к стальной трубочке и забыть про просачивание пластика. Серебряный припой не только имеет температуру плавления 800ºС, но ещё у него прекрасная прочность и он великолепно паяет - очень хорошая текучесть и смачиваемость. 8-12 миллиметров трубочки из нержавейки уже оказываются достаточным барьером для наших нужд. Это в случае трубки диаметром 8мм и со стенками 1мм. Если использовать более тонкостенные трубочки эффект будет ещё лучше. Трубка со стенками 0,3 мм достаточно прочна. Тут главное воздействие будут оказывать уже другие факторы: -нагрев излучением от головки, нагрев конвективными потоками, которые, правда, должны сдуваться вентилятором.

Головка от Прюши - Prusa Nozzle из цельного куска нержавеющей стали, у него правда сталь несколько другого состава -с вдвое большей теплопроводностью, марки 303, вероятно это компромисс между требованиями к термобарьеру и к соплу. Очень трудное в изготовлении получилось изделие, и похоже не очень удачное, хотя и позволяло печатать любыми видами пластика. Жалуются на него люди. Да и купить его сейчас нелегко. Новая модификация - с алюминиевым радиатором, причём, по моему мнению, тоже не должна быть особенно удачной. Низкий градиент температур по термобарьеру.

Классическая J-Head Nozzle Mk5 B Хорошая модель, особенно если была сделана без упрощений и ухудшений, которые добавляли некоторые китайские товарищи. Держатель делается из пластика PEEK. Печатает стабильно. Но не всем. Температурный диапазон ограничен и его лучше не превышать - начинает сочиться пластик через место соединения держателя и сопла. Как нагреватель используется резистор, расчётная мощность около 25 Вт. Тефлоновый вкладыш до латунного сопла.

Мэйкербот - Makerbot Stepstruder MK7 - конструктивно просто, сплошной металл и судя по заявленным параметрам, очень даже хорошо. Термобарьер - из нержавеющей стали, не слишком маленького сечения, сложной конфигурации, внутри держателя фторопластового вкладыша нет. Большой алюминиевый нагревательный блок теплоизолируется от воздуха с помощью керамической ленты. Судя по мощному радиатору, довольно большой тепловой поток идёт с головки. Короткий отрезок термобарьера - значит высокий градиент температур. Почему это хорошо, я постараюсь показать на цифрах в следующем посте.

Головка Makerbot Stepstruder MK7

А Ultimaker HotEnd v2 использует термобарьер изPEEK. Так что ничего удивительного по температурному диапазону не ждите. Использует нагревательный картридж, 40W. Так же как и Stepstruder MK7. Конструкция интересная. Грамотно используется тефлон. Очень большая протяжённость плавящей части. Видимо отсюда рекордная скорость печати. Для подробного анализа нет чертежей и описаний.

Что нашёл по Ultimaker, а он Open source.

Самодельная - BASS - печатает хорошо и быстро. 140 мм/сек при печати капроном/триммерной леской. Трудоёмка в изготовлении. Одна намотка нагревателя чего стоит. Термобарьер из трубки нержавеющей стали 304. Токарная работа - прностая. Используется пайка серебряным припоем. Из-за намотанного радиатора - хорошая однородность нагрева, малый вес и высокая надёжность. До латунного сопла используется тефлоновый вкладыш, 5 последних миллиметров которого, для снижения нагрузки, заменены на кольцо из нержавеющей стали. Мощность - та же, порядка 40 Вт.

В креплении нагрев несильный, вентилятор справляется слабенький.

Можно сказать, что первый период развития FDM-принтеров заканчивается, хорошо работающие головки теперь не редкость. Хотя меня не оставляет ощущение что принципы их проектирования ещё не слишком чётко сформулированы. В следующем посте я хочу рассказать о тепловых расчётах головки принтера, почему их такими делают и как избежать образования пробок. У меня даже сложилось впечатление, что я теперь смогу вполне осознанно выбирать размеры, радиаторов, термобарьеров и прочее. Буду рад если сообщество поучаствует на предмет поиска возможных ошибок и заблуждений. Всем спасибо.