Печатающая головка для 3d принтера своими руками. Важные характеристики экструдеров филамента

О сборке принтера Mosaic из набора деталей от компании MakerGear рассказано в статьеСобираем 3D принтер своими руками. Наверное, вы обратили внимание, что там подробно рассмотрено устройство 3D принтера, но не идет речь о печатающей головке. Это тема сегодняшнего разговора.

Мы рассмотрим виды экструдеров и способы изготовления отдельных деталей этого сложного механизма, чтобы понять как сделать экструдер своими руками (видео о сверлении сопла в конце статьи).

Печатающая головка 3-d принтера протягивает пруток пластика, разогревает его и выталкивает горячую массу через сопла.

Wade extruder

На картинке представлена упрощенная схема экструдера типа Wade. Устройство состоит из двух частей. Вверху расположен cold-end (холодный конец) – механизм, подающий пластик, внизу – hot-end (горячий конец), где материал разогревается и выдавливается через сопло.

Экструдер Боудэна

Существует и другая конструкция устройства, где холодная и горячая части разведены, а пластик поступает в hot-end по тефлоновой трубке. Такая модель, где cold end жестко закреплен на раме принтера, получила название Bowden extruder .

К ее несомненным достоинствам стоит отнести следующее:

• материал не плавится раньше времени и не забивает механизм;
• печатающая головка значительно легче, что позволяет увеличить скорость печати.

Однако и недостатки имеются. Нить пластика на таком большом расстоянии может перекручиваться и даже запутываться. Решением этой проблемы может стать увеличение мощности двигателя колдэнда.

Cold end

E3D-v6 в сборе

Пруток филамента проталкивается вниз шестерней, приводящейся в движение электродвигателем с редуктором. Подающее колесо жестко крепится на валу двигателя, в то время как прижимной ролик не закреплен стационарно, а находится в плавающем положении и, благодаря пружине, может перемещаться. Такая конструкция позволяет нити пластика не застревать, если диаметр прутка на отдельных участках отклоняется от заданного размера.

Hot-end

Пластик поступает в нижнюю часть экструдера по металлической трубке. Именно здесь материал разогревается и в жидком виде вытекает через сопло. Нагревателем служит спираль из нихромовой проволоки, или пластина и один-два резистора, температура контролируется датчиком. Верхняя часть механизма должна предотвратить раннее нагревание филамента и не пропустить тепло вверх. В качестве изоляции используется термостойкий пластик или радиатор.

Подающий механизм

Прежде всего, нужно подобрать шаговый двигатель. Лучше всего купить аналог Nema17, но вполне подойдут и моторы от старых принтеров или сканеров, которые на радиорынках продаются совсем дешево. Для нашей цели нужен биполярный двигатель, имеющий 4 вывода. Собственно, можно использовать и униполярный, его схема показана на рисунке. В этом случае желтый и белый провода просто останутся неиспользованными, их можно будет отрезать.

Как правило, моторчики от принтеров слабые, но вот EM-257 (Epson), как на рисунке ниже, с моментом на валу 3,2 кг/см, вполне подойдет, если вы собираетесь использовать филамент Ø 1,75 мм.

Для прутка Ø 3 мм, или при более слабом двигателе, понадобится еще и редуктор. Его тоже можно подобрать из разобранных старых инструментов, например, планетарный редуктор от шуруповерта.

Переделка понадобится, чтобы насадить шестерню двигателя шуруповерта на шаговик, совместить ось вращения моторчика с редуктором. И крышку для подшипника выходного вала тоже нужно изготовить. На выходной оси устанавливается шестерня, которая и будет подавать пруток пластика в зону нагрева.

Корпус экструдера служит для крепления двигателя, прижимного ролика и хотэнда. Один из вариантов показан на рисунке, где через прозрачную стенку хорошо виден красный пруток филамента.

Изготовить корпус можно из разных материалов, придумав собственную конструкцию, или, взяв за образец готовый комплект, заказать печать на 3-d принтере.

Главное, чтобы прижимной ролик регулировался пружиной, так как толщина прутка не всегда идеальна. Сцепление материала с подающим механизмом должно быть не слишком сильным, во избежание откалывания кусочков пластика, но достаточным для проталкивания филамента в hot-end.

Нужно отметить, что при печати нейлоном лучше использовать подающую шестерню с острыми зубчиками, иначе она просто не сможет зацепить пруток и будет проскальзывать.

Цельнометаллический хотэнд

Широко распространены и пользуются популярностью хотэнды фирмы E3D. Можно купить его на ebay.com за 92 $ (без доставки) или скачать чертежи, находящиеся в свободном доступе на официальном сайте компании (http://e3d-online.com/), по которым и сделать, прилично сэкономив.

Радиатор изготавливается из алюминия и служит для отвода тепла от ствола хотэнда и предотвращения преждевременного нагревания материала для печати. Вполне подойдет светодиодный радиатор , для усиления охлаждающего эффекта можно направить на него еще и вентилятор небольшого размера.

Ствол хотенда – полая металлическая трубка, соединяющая радиатор и нагревательный элемент. Изготавливается из нержавеющей стали из-за ее низкой теплопроводности.

Вот как выглядит деталь в разрезе и ее с размерами под пруток Ø 1,75 мм.

Тонкая часть трубки служит термобарьером и предотвращает распространение тепла в верхнюю часть экструдера. Важно, чтобы филамент не начал плавиться раньше времени, ведь в этом случае прутку придется толкать слишком много вязкой массы. В результате увеличивается сила трения, и забиваются трубка и сопло.

Если вы сами просверлили деталь, нужно отполировать отверстие ствола. Для черновой шлифовки подойдет мелкая наждачная бумага «нулевка», закрепленная скотчем на сверле меньшего диаметра.

Обязательна чистовая полировка до зеркального блеска (нитью и пастой ГОИ № 1), затем полезно прожарить отверстие подсолнечным маслом для уменьшения силы трения. Чтобы предотвратить слишком раннее разогревание пластика, можно покрыть нижнюю часть трубки, находящейся в радиаторе, тонким слоем термопасты.

Еще одна возможная проблема: расплавленный пластик под давлением поступающего прутка может просочиться вверх и остыть в зоне охлаждения, что приведет к забиванию ствола и прекращению печати. Бороться с этим можно с помощью тефлоновой изоляционной трубки, которая вставляется в ствол хотэнда до зоны начала разогрева филамента.

Нагреватель

Пластина нагревателя

В качестве нагревательного элемента используется алюминиевая пластина. Если вам не удалось найти подходящего по размеру толстого бруска, вполне подойдет алюминиевая полоса толщиной 4 мм, которую можно приобрести в магазинах стройматериалов. В этом случае нагревательный элемент будет состоять из двух частей. Необходимо просверлить центральное отверстие для ствола хотэнда, и скрутив болтом, зажать всю конструкцию в тисках. Затем насверлить нужное количество отверстий для составляющих элементов нагревателя:

• болта крепления,
• двух резисторов,
• терморезистора.

Для нагревания пластины можно использовать керамический 12v нагреватель или резистор на 5 Ом. Но для нашего блока лучше подойдут два резистора на 10 Ом, так как они гораздо меньше по размеру, а соединение параллельно как раз и даст нужное сопротивление в 5–6 Ом.

Контролировать температуру будет NTS-термистор 100 кОм марки B57560G104F, с максимальной рабочей температурой 300 °C. Терморезисторы с меньшим сопротивлением использовать нельзя, они, как правило, обладают большой погрешностью при высоких температурах.

Необходимо обеспечить плотное соединение резисторов с пластиной, так как воздушная прослойка тормозит нагревание. Здесь важно правильно выбрать герметик. Лучше всего использовать керамико-полимерные пасты (КПДТ), рабочая температура которых не менее 250 °C. Для дополнительной теплоизоляции неплохо весь hot-end замотать стеклотканью.

Сопло

Глухая гайка с закругленным концом идеально подойдет для изготовления сопла. Лучше взять деталь из меди или латуни, так как эти металлы относительно легко обрабатываются. Нужно закрепить в тисках болт, накрутить на него гайку и просверлить в центре закругления отверстие нужного диаметра.

Сделать это можно так: на сверло, зажатое в обычную дрель, закрепить цанговый патрон со сверлышком нужного диаметра. Получается интересная конструкция.

Наиболее удачным считается отверстие 0,4 мм, так как при меньшем диаметре замедляется скорость, а при большем – страдает качество печати.

Вот еще один способ просверлить сопло (видео на английском).

Как видите, изготовить экструдер для 3-d принтера своими руками достаточно сложно. Но если вы знаете, что сделать какую-то деталь самостоятельно не удастся из-за отсутствия необходимых материалов или инструментов, необязательно приобретать готовый комплект полностью, можно купить отдельно любую часть экструдера и продолжить работу.

Печатайте с удовольствием.

sergku1213 4 августа 2015 в 17:37

О разработке головок 3D FDM-принтеров.Часть 1

• 3D-принтеры ,
• DIY или Сделай сам

В конце 2013 года, после длительных размышлений и штудирования Интернета, я решился собирать3Д-принтер, в процессе сборки которого, я проникся идеологией «малого машиностроения» и, начиная с малого, занялся разработкой и модернизацией узлов своего принтера.

Вообще, главной целью моих опытов является существенное увеличение скорости и разрешения печати 3Д-принтеров FDM типа.

Рис. 11 Головка Тип 3.1
ВНИМАНИЕ! Описанные ниже примеры принтерных головок - не товар, они не продаются, так как являются скоростными/рекордными/экспериментальными изделиями и никто их не выпускает.
В этой части мы рассмотрим: - 1.Головка, общее устройство и процессы идущие в ней. Экструзия. Трение. - 1.1 Зоны головки - 1.2 Расчёт скорости плавления филамента и её влияние. - 1.3 Влияние трения. Его оценка. Термобарьер. Горячий радиатор. - 1.4 Пробки. - 1.5 Расчёт тепловых потоков и градиентов в покое и в движении, в головке. Горячий радиатор расчёт с ним и без него.

Введение
Принцип действия FDM 3D-принтеров состоит в том, что пластиковая леска (называемая обычно филамент), проталкивается экструдером в печатающую головку, (HotEnd) из которой, выдавливается в форме тонкой лески. Микроконтроллер управляет движением головки и рабочего стола (на нём располагается печатаемое изделие), таким образом, что из этой лески формируется изделие. В этом процессе существует множество тонкостей, но суть - именно в этом. Понятно, что точность печати изделия определяется точностью позиционирования головки относительно стола, но не только этим! Ещё имеет значение диаметр выдавливаемой лески. Даже не совсем диаметр, а ширина лески. Из сопла головки расплав выдавливается в форме цилиндра, это так, но для скрепления слоёв между собой, высота головки над деталью берётся несколько меньше чем диаметр сопла. При этом леска несколько размазывается и уширяется.

На практике толщину слоя выбирают в зависимости от целей - в 1,5 -2 раза меньше диаметра сопла.

Рис.1 Раздавливание лески
В нижней части рисунка 1 видно что поверхность контакта с подложкой очень мала, а уширения лески почти не происходит. В верхней части рисунка можно увидеть расплющивание лески, при этом площадь соприкосновения растёт, как и ширина лески. В описаниях принтеров часто указывают параметр минимальной толщины слоя. Однако это характеризует разрешение печати только по одной оси… По двум другим, в значительной степени, определяющим является диаметр сопла (ширина лески, которая получается из диаметра сопла и толщины слоя). Для иллюстрации я попробовал нарисовать мелкие детали на рисунке 2 толстыми линиями. При этом нужно учесть, что смена движения сопла под прямым углом - вещь нежелательная ввиду того, что на некоторые участки при этом будет наносится пластик дважды. Это приведёт к вспучиванию и выдавливанию по краям, что ухудшит качество печати. Поэтому чаще углы печатаются с определенными скруглениями.


Рис.2
Мы можем видеть на картинке скругления углов. Несплошное заполнение внутри на прочность влияет мало. Вообще, обычно используют степень заполнения детали 40-60%, но это зависит от многих факторов. При печати сухим полиамидом, я использовал заполнение 15-20%. При этом, сплошным слоем печатается только наружный контур, верх и низ детали. По умолчанию - 3 слоя от края, потом заполнение. Итак - для высокого разрешения печатаемого объекта понадобится возможно более малый диаметр сопла. При этом возникает другая проблема - скорость печати. Предположим, наша головка даёт достойную скорость экструзии - 100 мм/с, при диаметре сопла 0,3 мм. Имеется в виду скорость выдавливания пластика на срезе сопла. Посчитаем сколько это будет в кубических сантиметрах, приведя к сантиметрам:

V= L*3,14*D²/4 = 10*3,14*0,03²/4=0,007068 см³/с

Предположим что плотность заполнения 0,4 - маловато, конечно, но…

0,007068/0,4 = 0,01767 см³/с

Получается, что 1 кубический сантиметр детали со степенью заполнения 0,4, принтер с соплом 0,3 мм будет печатать 56,5 секунд. Грубо - 1 минуту. Деталь объёмом литр - 1000 минут, грубо говоря 16 часов. Результат не вдохновляет. Понятно что при увеличении диаметра вдвое, при той же скорости экструзии, скорость печати возрастёт вчетверо.
Итак - если мы будем иметь идеальную механику принтера, для достижения лучших результатов, надо иметь максимальную скорость экструзии для возможно более тонкого сопла. В случае сопла диаметром 0,3 мм реальный минимальный радиус скругления граней может быть с пол-миллиметра, по-моему. Это за счёт некоторого расширения лески при раздавливании головкой. Пусть даже в небольшой степени - но это нужно, чтобы прочность не слишком падала. Многие отмечали неравномерность прочности изделий по осям X, Y и Z. По оси Z прочность ниже из-за того что слои могут склеиваться между собой недостаточно прочно. При хорошем раздавливании лески, например, высота слоя ½ диаметра сопла эта проблема малозаметна.
Ещё одна цель связанная с этими двумя - уменьшение массы узла печатающей головки. В большинстве принтеров головка движется в одной или 2-х плоскостях. Чем скорее она движется, тем быстрее происходит печать. Есть, однако модели, где движется весь рабочий стол. Удивительное дело. Рабочий стол гораздо тяжелее, чем головка, даже с экструдером. К тому же, к нему прилеплена печатаемая деталь. Постоянные знакопеременные ускорения должны её непреклонно стремиться отломать. А головка - она железная, её отломать трудно.
Теперь сама головка - HotEnd. Вообще, она не слишком тяжела, но есть одно но - самый распространённый вариант подключения - Greg"s или Wade"s, подразумевают размещение экструдера - узла, проталкивающего филамент в HotEnd, конструктивно вместе с головкой. Это резко увеличивает массу. Вариант подключения bowden, когда экструдер закреплён и соединён с головкой длинной подвижной тефлоновой трубкой, (тефлон даёт малое трение) по которой в головку поступает филамент. Это решение не является слишком надёжным, передаваемое усилие не так велико, к тому же трудно достаточно оперативно контролировать подачу пластика в головку. Для очень больших скоростей печати не годится, на мой взгляд.
С другой стороны, большая масса подвижной головки с экструдером, при быстром движении вызывает большие нагрузки на каркас принтера, при этом еще и требуется лишняя энергия на перемещение всей этой массы. Это означает, что одним из аспектов рассмотрения должно стать снижение общей массы печатающего узла.
Выводы:
Три основные задачи влияющие на скорость и качество печати:
1. Получение работоспособного сопла с возможно малым диаметром
2. При этом с высокой скоростью
3. И при этом чтобы масса печатающего узла была возможно меньше.
Это вопросы, решение которых, я считаю важным для совершенствования FDM 3Д принтеров и способы решения которых, будут рассмотрены здесь.

Глава 1.Головка, общее устройство и процессы идущие в ней. Экструзия. Трение.

1.1 Зоны головки. Чтобы решить перечисленные задачи надо разобраться в процессах, которые происходят в головке, с тем чтобы оптимизировать их. Итак, возьмём упрощённую схему внутренней части головки. см. рис.3

Рис.3
Посмотрим, какие процессы происходят в обозначенных зонах.
В зоне А , мы видим поступающий холодный филамент. Его свойства ещё не изменились от нагрева, поэтому его сопротивление движению определяется трением о стенки. Его можно хорошо уменьшить, используя тефлоновый вкладыш - трубку, так как тефлон при не слишком высоких температурах, в условиях когда ему некуда течь (как раз - вкладыш), работает хорошо, а трение скольжения по нему очень низкое.
Теперь участок В - зелёного цвета. В этой части пластик уже несколько нагревается от стенок и механические свойства его ухудшаются, однако текучесть ещё не проявляется.
Я заподозрил существование этого участка по результатам опытов с очень длинной камерой плавления с узким каналом (для лучшего теплового контакта).

Неожиданно, скорость экструзии сильно упала. При этом зазор по диаметру был около 0.1 мм. Я предположил, что при частичном нагреве, прочность пластикового прутка падает, и он начинает изгибаться в канале под действием давления экструдера с меньшим радиусом изгиба, то есть получается слишком много точек трения об стенку, либо уже небольшое раздутие вызывает образование пробки, но не там где надо, не в зоне высокого градиента температур(Об этом ниже).
В пользу образования такой змейки-пружинки говорит, то что при экструзии наблюдалось большое послевыдавливание. Т.е после остановки экструдера из сопла продолжает давится пластик. Для проверки и устранения, канал был рассверлен до 2,0 мм с 1,8мм. Зазор составил 0,3 мм. Скорость возросла значительно. Это явление, вероятно более характерно для филамента малого диаметра, так как жёсткость стержня на изгиб с уменьшением диаметра падает по закону не то третей, не то четвёртой степени. Однако, со стопроцентной уверенностью считать это главной причиной неудачи в указанном случае нельзя, так как была устранена ещё одна ошибка - слишком длинный выпускной участок сопла. В 4-5 раз длиннее рекомендованного и обычного. Из-за ошибки в расчетах при изготовлении. Однако, судя по расчётам сил трения в носике сопла (приведенных далее), такого снижения скорости длинный выпускной канал не должен был дать.
Участок С. Температура становится выше и начинается пластическая деформация прутка. Под давлением он раздаётся в стороны, образуя поршень. Описание этого явления я встретил на страничке http://reprapology.info/archive/1422/rheology/ Спасибо, коллеги! Этот момент совсем легко проверялся - на диаметре лески 3 мм, достаточно было после печати дать остыть головке, а потом, использовав быстрый нагрев, извлечь леску с затвердевшим наплывом. Конструкция головки мне позволяла это сделать легко.
Так вот, образующийся поршень, служит препятствием для более горячих жидких нижних слоёв пластика и не даёт им прорываться наверх. Такие прорывы случались в определённых условиях, я их также мог наблюдать. Следовательно, это явление полезно, потому я называю это «рабочая пробка». Однако, при ряде условий, пробка начинает разрастаться по длине. Плотное прилегание к стенкам на большом протяжении полутвёрдой массы резко увеличивает сопротивление. Возникает «пробка» - затор. Это явление я также смог получить на своих опытных головках, хотя и при определенных условиях.
Дело в том, что конечно, главным образом, пробка возникает из-за неудачной конструкции головки и лишь в результате этого, чаще во время простоя в нагретом состоянии. Очевидно, и понятно из рисунка, что участок «рабочей пробки» должен иметь определённую длину - не короче, и не длиннее оптимальной. Дефект «слишком короткая рабочая пробка» мне не удалось встретить, а вот «слишком длинная» - это частое явление. Понятно, что если рассматривать стационарное состояние, длина «рабочей пробки» определяется перепадом (градиентом) температур от начала зоны С, до её конца. В случае пластиков с рабочей температурой 230С, нижняя температура начала её образования, находится вероятно, в районе выше 100-110 С. Собственно, этим фактом объясняется использование в работающих головках вентиляторов и термобарьеров - при остановке печати(и не только), они препятствуют подъёму тепла вверх, и соответственно, разрастанию пробки и смещению её в нежелательные области.
Участок D. Тоже не простой участок. Дело в том, что в этой зоне пластик должен проплавляться до самого центра, то есть полностью. В противном случае, если к соплу подходит нерасплавившийся сердечник, наблюдается неравномерность выдавливания пластика - давится не сплошная леска, а некое подобие гирлянды сарделек с перетяжками или для пессимистов - «какашистость». На несколько меньших скоростях, используя свежевысушенный полиамид можно увидеть в выдавливающейся прозрачной леске, по оси, небольшие включения нерасплавившегося мутного пластика циллиндрической формы. Такое явление хорошо наблюдалось на головке тип 3.3 с диаметром филамента 1,6-1,7мм и диаметром сопла 1мм, при скорости подачи филамента 500 - 1000мм/мин. Вот несколько фотографий.
Пример несушеного полиамида на подаче 500 мм/мин, температура 225ºС, проскальзывание лески в экструдере - около 10%.


Рис.4
Видно что леска почти всюду ровная, только сильно пузырчатая. Не пугайтесь - эта особенность результат комбинации - огромного диаметра выходного сопла и высокой скорости подачи.
Вот всё то же, но скорость подачи филамента 1000 мм/мин, а коэффициент проскальзывания около 50%! То есть реально подача увеличилась едва ли на 5-10%. Коэффициент проскальзывания я употребляю, для того чтобы обозначить тот факт, что при росте скорости подачи, растёт скорость экструзии лески и, соответственно, растёт сопротивление проталкиванию лески. В какой-то момент зубцы хобболта не справляются с захватом лески, и начинают её продирать, либо проскальзывать по ней. При этом заданная скорость подачи начинает превышать фактическую, - её мы определяем по весу выдавленной лески. За 100% я считаю полное соответствие подач, за 0%, полное прекращение подачи. Эта величина очень хорошо характеризует давление экструзии, 80% обычно означают стабильный и равномерный процесс.


Рис.5
Видна некая комковатость, правда она видна плохо из-за пузырчатости.


Рис.6
Вот сушеный полиамид, диаметр филамента 1,7мм, подача 500 мм/мин, температура 215ºС. Пузырчатости нет, перетяжки - есть. Кстати, сушка велась в электродуховке, 30 мин при 100ºС, 30 мин при 120ºС. Усушка 5,5% массы. Дальнейшая сушка в течении часа при 120ºС, привела к уменьшению массы на 0,5-1,0 %. При этом у меня частично деформировалась леска - вероятно духовка не лучшее устройство для сушки.
Вывод - 1 часа, со ступенчатым подъёмом температуры вполне хватает для высушивания. На скорость экструзии высушивание не повлияло в заметной степени. Важный момент! Со временем и полиамид, и ABS набирают влагу из воздуха. При печати, это приводит к появлению в леске пузырьков, а значит выступов и неровностей на готовом изделии. С этим приходится бороться.


Рис.7
Хорошая, однородная леска, немного гуляет диаметр. Подача 300мм/мин. Проскальзывание практически нулевое.
Участок E - зона сжатия потока. Теория учит, что форма и длина этого участка не слишком важны - чем короче, тем лучше. Были подозрения, некоторых товарищей с Робофорума, что ввиду вязко-упругого характера полимерного расплава, это может быть не так. Опыты подтвердили преимущество самых простых сопел, с большим углом входа, полученных сверлением обычным сверлом, в один проход. Всякие ступенчатые сверления, вытянутые конические сопла (до удлиннения 1к13), сопла с параболическим профилем были опробованы, и оказались сильно по трению хуже самого простого сопла, сделанного с помощью сверла с углом заточки 118º. Так что, в данный момент, я думаю, не имеют смысла. Вопрос с наполненным филаментом - это может оказаться не так.
Участок F - носик сопла. Практически, чем короче, тем лучше. Рекомендовали до 0,4 мм. Это участок с самым большим сопротивлением, поэтому его длина очень влияет на сопротивление. При длине 0,4 мм и диаметре сопла 0,2 мм, как оказалось, 49% всего сопротивления приходится на долю этого участка. Это для последнего варианта головки V4_1.О методике получения этих данных будет ниже. Но надо учитывать, что удлинение этого участка ведёт не только снижению скорости, но и оказывает сглаживающее действие на струйку, сокращая раздутие на больших скоростях. Правда это надо ещё выяснять, влияет ли это на качество печати - ведь всё равно струйка сразу размазывается по детали

Выводы: Описано деление головки по процессам идущим в ней на зоны. Основные процессы в них идущие. Рабочая пробка-поршень.Трение. Полное расплавление филамента. Содержание воды в филаменте, его влияние, сушка. Альтернативные формы сопел - ступенчатое сверление.
1.2 Расчёт скорости плавления филамента и её влияние.
Скорость плавления цилиндрического пластикового прутка с поверхности считал
согласно закону Фурье, считая что теплота на фазовый переход (как плавление льда) не тратится, (что именно в случае полиамида не слишком верно - он имеет заметную кристалличность, но погрешность мала), что перемешивания расплавленных слоёв не происходит - это близко к истине, потому что, ввиду высокой вязкости расплавленного пластика, его течение в трубе не слишком большого диаметра (1,7 и 3,0мм) ламинарно.
Считал для тонкого цилиндрического слоя пластика, тепловую мощность поступающую в этот слой: P= λ*S* ΔTдв/l, где λ - теплопроводность пластика, S - площадь теплопередачи, l - толщина слоя теплопроводности, считая от нагреваемой поверхности. ΔTдв - движущая сила процесса, разница температур между нагревающей и нагреваемой поверхностями. В случае, если мощность превышала мощность нагревателя в формулу подставлялась ΔTдв, рассчитанная из условия равенства мощности нагревателя. Согласно формулы Q = M*C*Δtр рассчитывал ΔTр - изменение темературы нагреваемого материала на данном слое, на данном шаге времени. Таким образом считалось послойно, с достаточно маленьким шагом в таблице Calc из пакета Libre Office. Я брал величину шага 0,15 мм и временной интервал 0,02с.
Теперь посмотрим как будет нагреваться объект от нагревающей поверхности с постоянной температурой - как в нашем случае. Из закона Фурье мы знаем, что скорость нагрева пропорциональна разности температур -т.е. - «движущей силе», Δt. Посчитаем. Нагревающая поверхность t =250 ºС, целевая температура t=230 ºС. Начальная температура t=20 ºС. Примем время за которое происходит нагрев на треть начальной разности температур ((250-20)/3=77 ºС) равным Т. При этом конечная на интервале температура t=97 ºС (20+77), а средняя Δt = ((250-20)+(250-97))/2=191 ºС. За следующий интервал времени Т =2 объект нагреется тоже на треть оставшейся «движущей силы» Δt = 250-97= 153 ºС, а конечная на интервале температура станет t=97+51=148 ºС а средняя Δt = ((250-97)+(250-148))/2=127,5 ºС.

За интервал времени Т =3, Δt = 250-148= 102 ºС, а конечная температура станет t=148+(102/3)=182 ºС а средняя Δt = ((250-148)+(250-182))/2=85 ºС.

За Т =4, Δt = 250-182= 68 ºС, температура станет t=182+(68/3)=205 ºС а средняя Δt = ((250-182)+(250-205))/2=56,5 ºС.

За Т =5, Δt = 250-205= 45 ºС, температура станет t=205+(45/3)=220 ºС а средняя Δt = ((250-205)+(250-220))/2=37,5 ºС.

За Т =6, Δt = 250-220= 30 ºС, температура станет t=220+(30/3)=230 ºС а средняя Δt = ((250-220)+(250-230))/2=25 ºС. Итак, при нагреве от поверхности с небольшим перегревом(20ºС), получился выход на заданные параметры за 6 условных интервалов времени Т.
Посмотрим теперь, что будет, если увеличить эту разницу температур. Посчитаем тот же нагрев от нагревающей поверхности с t =320 ºС - такая техническая возможность в головке данной конструкции имеется.

Т=1, Δt = 320-20= 300 ºС, температура станет t=20+(300/3)=120 ºС а средняя Δt = ((320-20)+(320-120))/2=250 ºС.

Т=2, Δt = 320-120= 200 ºС, температура станет t=120+(200/3)=187 ºС а средняя Δt = ((320-120)+(320-187))/2=166,5 ºС.

Т=3, Δt = 320-187= 133 ºС, температура станет t=187+(133/3)=231 ºС а средняя Δt = ((320-187)+(320-231))/2=111 ºС.

Получается, что нагревая пластик более горячей, чем нужно головкой, мы заметно увеличим скорость расплавления. Неплохо, это решение может пригодиться, хотя возникнет ряд сложностей. К тому же, это положительно скажется на вязкости жидкого пластика, ведь скорость плавления пластика не единственный фактор ограничивающий скорость истечения пластика из сопла. Это учитывалось при расчёте, благодаря чему стало можно считать режим работы с перегревом. Получилась замечательная таблица сделанная в LibreOfficeCalc, которая позволяет считать прогрев прутка с заданием множества факторов и дающая возможность посчитать, где и какая температура будет. Не ругайте за использование аналога Экселя - она свою работу делает.

Полное время расплавления полиамида PA6 диаметром 1,7 мм, при температуре нагревателя 280ºС, до температуры 200ºС, с мощностью нагревателя 30 Вт, получилось 2,88 с, а в случае нагревателя с температурой 240ºС - 3,24с. Для того же пластика диаметром 3мм и мощности нагревателя 50 Вт, с температурой нагревателя 280ºС и нагреве до 200ºС - 8,64 с, а при нагревателе с температурой 240ºС - 9,84с. Это данные расчёта при подстановке параметров реальных головок тип 4.1 и 3.3. Также, по результатам расчетов, был построен профиль фронта плавления филамента в головке.

Рис.8
Из значения времени необходимого на расплавление прутка можно считать необходимую длину зоны плавления или максимальную возможную скорость расплавления филамента.
Для экспериментальной проверки расчётов для филамента диаметра 1,7мм использовал головку тип 3.3 с рассверленным до 1 мм соплом под 1.7 мм филамент, и головку тип 4.1 с соплом 0,9 под филамент 3 мм. Такое большое отверстие должно было в значительной степени сократить сопротивление продавливанию за счёт вязкости, оставив только ограничение продавливанию нерасплавившейся массы. Так как скорость истечения расплава из сопла сильно выше, чем скорость продвижения филамента (пропорционально разности квадратов диаметров), то нерасплавившаяся часть филамента не может просто так выйти в отверстие, она блокирует сопло, а если она меньше диаметром сопла, то её разрывает на кусочки потоком. Температура уже довольно высокая, так что прочность нерасплавившегося ядра невелика. Это явление можно наблюдать при экструзии сушёного полиамида (несушёный расплав мутный из-за пузырьков пара), в расплавленном состоянии он прозрачен, и в горячей застывающей леске из сопла, были видны по оси маленькие мутные островки включений.
Как мерялся выход, а значит, проскальзывание: Сначала был откалиброван экструдер. По заданию (например)50 см он давил леску на малой скорости, чтобы быть уверенным в отсутствии проскальзывания. Замерялось сколько он реально продавил. На леску наносились метки фломастером. Вычислялся удельный вес филамента - отрезался кусок филамента длиной 1 м, тщательно замерялся диаметр в нескольких местах. Этот кусок взвешивался. Из этих данных рассчитывалась плотность.- Кстати, о типе полиамида можно довольно неплохо судить по плотности, а это позволяет судить о других его характеристиках, как-то прочность, температура плавления, водопоглощение.
Максимальная фактическая скорость подачи филамента при нагреве 280ºС для диаметра 3 мм составила 6,52 мм/с.Фактическую скорость подачи получаю разделив вес выдавленной лески на время работы экструдера, потом разделенное на плотность(получаем объём в секунду), потом на площадь сечения филамента. Для этой головки длину зоны плавления можно считать около 50мм. Итак, время плавления из опыта τ= 50/6,52 =7,67 с. Это время полного расплавления филамента диаметром 3 мм. Если точнее сказать, это был не филамент, а триммерная леска, её диаметр был стабилен. В случае триммерной лески диаметром 1,6мм, её диаметр «гулял» от 1,62мм, до 1,68мм. Для такого филамента скорость полного расплавления получилась 4,17 с. Разница с расчётной несколько больше, чем в первом случае. Я так понимаю, что это из-за сопротивления более узкого рабочего канала.. Вполне хорошее совпадение с теорией. Скорость полного расплавления для другого диаметра вероятно, будет по квадратичной зависимости(и расчётное для 3 мм филамента, это подтверждает).
Выводы: Выполнен математическая расчёт времени полного расплавления филамента разных диаметров для разных параметров головок и условий нагрева, для разных типов пластика. Показано его значение для конечной скорости экструзии. Опытным путём проверено качество модели. Доказана возможность значительного улучшения скорости полного расплавления филамента. Увеличение температуры головки увеличивает скорость расплавления пластика.
1.3 Влияние трения. Его оценка.Термобарьер. Горячий радиатор. Оно проявляется на всех участках головки. Трение холодного пластика, трение несколько разогретого пластика из-за разбухания в стороны, трение «рабочей пробки», трение жидкого пластика о стенки и между слоями и неожиданно большое сопротивление в последнем отрезке сопла. Хотя его обычно рекомендуют делать коротеньким, но за счёт того, что скорость пластика в этом месте самая высокая, а диаметр отверстия мал, сопротивление может быть очень значительным.
Трение на участке до головки и в экструдере, тоже важно, но сейчас мы разбираемся с головкой. Внутри головки использовать тефлоновый вкладыш из-за высокой температуры представляется нехорошим решением, впрочем, ввиду расплавления пластика, трение тут снижается, а значит исчезает нужда в тефлоне. Однако надо избегать сухого трения по металлу, и если пластик довольно хорошо скользит по полированной стали, то по алюминию - нет.
Итак, возвращаясь к рисунку головки с зонами, картинка 3 - зона C, зона образования рабочей пробки.
Для снижения трения на этом участке нужно создать большой перепад (градиент) температур от зоны C - образования рабочей пробки, до зоны D - плавления. Чем больше градиент, тем меньше длина рабочей пробки и меньше сопротивление трения. Для создания соответствующего градиента служит термобарьер. Начиная с первых головок типа 1.1, я его делал с помощью трубки из нержавеющей стали припаянной (твёрдым серебряным припоем) к латунной головке, на трубку одевался маленький дисковый алюминиевый радиатор, на расстоянии около 2-4 мм от латунной части головки. Ввиду малой теплопроводности нержавеющей стали (марка 304, или Х18Н10) и высокой теплопроводности алюминия, радиатор приобретал температуру около 100ºС, и выполнял предварительный подогрев лески снижая время на расплавление, без опасности образования пробок. Так как радиатор обдувался вентилятором, получалась хорошая термостабилизация - вверх пробка не могла подняться, так как с ростом температуры радиатор начинал гораздо интенсивнее отдавать тепло. На участке стальной трубки на уровне радиатора и выше, изнутри применялся тефлоновый вкладыш, таким образом повышенное трение участка В уменьшалось.
1.4. Пробки. Рассмотрим по-возможности, процесс образования пробок в головке и перерождение их из полезных «рабочих» во вредоносные. Для этого посчитаем тепловые потоки на разных участках головки и подумаем.

Вообще, в процессе работы экструдера и головки, происходит превращение пластиковой лески в расплав и проталкивание его с достаточно большой силой через узкое отверстие сопла. Это понятно. Кстати, по некоторым соображениям можно оценить, что расплав в головке может быть под достаточно большим давлением. Усилие хорошего экструдера может достигать десятка килограмм-силы на филамент 3мм. Такое примерно усилие я прикладывал к прутку, когда продавливал пластик вручную. Бывало такое. На площадь 7квадратных миллиметров под 100 атмосфер выходит. Ну это не слишком трудно померить - вставляем в сопло стерженёк из материала с низкой теплопроводностью(PEEK, PTFE?) и меряем давление затыкания потока. Для сопла диаметром 0,5 мм - 2 грамм-силы на атмосферу. Хотя это не слишком важно. Мерить я не стал.

Так вот, леска в головку входит с зазором. Назад ничего не прорывается. Понятно, что при нагреве происходит некоторое размягчение пластика и под действием силы экструдера раздаётся в стороны, пока позволяют стенки. Свойство пластика частично размягчаться легко проверить - это так и есть.

Представим, что длина рабочей пробки составит только 0,1 мм. Понятно, что такой тонкий слой в общем-то, не слишком прочного материала, не выдержит возвратного давления жидкого пластика, и он прорвётся назад, а прорвавшись, застынет в холодной части, создавая неожиданную пробку. Пару раз мне доводилось вытаскивать такие. Там прямо видно, как произошёл прорыв и жидкость поднялась по целому прутку филамента вверх. Кстати - во ВСЕХ случаях, когда у меня образовывались пробки (хоть головок экспериментальных имел много, но пробки образовывались редко), я избавлялся от них весьма просто - давал остыть, потом включал нагрев, через несколько минут команду «Реверс» на экструдер и рукой с силой вытаскивал за леску. Я предполагаю, что это может быть связано с конструктивной особенностью всех моих головок. - До зоны активного плавления внутри трубки находится тефлоновый вкладыш, с диаметром не меньшим, чем диаметр рабочей зоны головки.
Вывод: Рост пробки и застревание происходит, как я считаю, из-за того что, при простое, тепло поднимается вверх по стенкам держателя головки (термобарьера?), и когда начинается работа, мягкий пластик раздаётся в стороны. Вероятно, фатальным это становится когда нет тефлонового вкладыша, доходящего почти до самой головки.

1.5 Расчёт тепловых потоков и градиентов в покое и в движении, в головке. Горячий радиатор расчёт с ним и без него.

1.5.1. Конструкция головки BASS тип 1.3 и тепловые потоки в ней. Название по первым буквам применяемых материалов Brass,StainlessSteel, Aluminium. Под филамент 3мм. Рассмотрим на примере этой конструкции тепловые потоки, температуры и процессы.

Вставляю кусок из своей старой публикации
«Зд-принтер: взгляд со стороны головы», слегка поправлено.


Рис.9
Немного по схеме на Рис. 9: пурпурное снаружи головки - это нагревающая спираль, лучше из нихрома, однако в головках очень часто применяют в качестве нагревателя резистор - это удобно в производстве, но снижает надёжность и однородность поля нагрева, так как резистор размещён локально, следовательно испытывает местный перегрев. Впрочем, принципиальной разницы тут нет - резистор или намотка. Только - высокая однородность и скорость нагрева, да легкость и аккуратность конструкции.

Красное в нижней части головки - зона расплавленного полимера, она неоднородна, так как полимер меняет вязкость в широком диапазоне температур, и оранжевая зона - это область, где полимер уже нагрелся до пластичности, но еще не текуч. Эта зона очень важна - в ней пластиковый пруток слегка расширяется, плотно прилегает к стенкам и превращается в поршень, который и продавливает расплав сквозь выходное отверстие - фильеру. Зелёный - зона, где существенных изменений пластичности еще не произошло и пруток передает давление дальше без сминания. Разной штриховкой изображена латунная головка и алюминиевый радиатор. Белым цветом выделена фторопластовая трубка - направляющая, из-за очень малого трения, пруток по ней, проходит с минимальным сопротивлением. Серый - трубка из нержавеющей стали, несущая головку и радиатор, а также кольцо - вкладыш - оно позволяет избежать механической нагрузки на тефлоновую трубку в самой горячей части. Это важно - тефлон, в таких условиях, крайне механически непрочен, поэтому здесь он всюду упирается в сталь - может немного потечь, но нескоро, и этот кусок тефлоновой трубки очень легко заменить. Трубка из нержавеющей стали припаяна к латунной головке твёрдым серебряным припоем - поэтому вопросов о тепловой устойчивости и прочности - нет. Кольцо (изнутри полированное, для снижения трения!), просто вложено внутрь и придавлено сверху тефлоновой трубкой. Обратите внимание - нержавеющая сталь должна быть с низкой теплопроводностью, за это её и выбрали. Обычно это что-то типа 04Х18Н10.

В левой части картинки, Вы видите эпюру температуры (приблизительный график), вдоль оси трубки. За точность масштаба не ручаюсь, но направления верны. Чем дальше от оси с разметкой зон, тем температура выше.
Не будем повторяться. Здесь интересна только зона 4. Видно как размещён горячий радиатор.

Зона 4 - зона активного размягчения пластика, зона теплового барьера. Видно, что между латунной частью головки и радиатором имеется небольшой промежуток, на котором температура очень резко меняется. Тут начинает разогреваться пластик для образования пробки, которая служит поршнем проталкивающим всё дальше. Как показали коллеги из reprapology.info если пробка-поршень увеличивается в длину, это приводит к остановке печати из-за роста трения и мучительным проблемам с чисткой. Чтобы не дать расти этой пробке и служит маленький радиатор выше, в 5-ой зоне. С притоком тепла по тепловому мостику из нержавейки, он нагревается, значит больше начинает рассеивать тепла. Таким образом, процесс самостабилизируется и попасть в область устойчивой работы становится совсем не трудно. Рассеяние тепла радиатором велико, а тепловое сопротивление мостика между головкой и радиатором - большое, поэтому рост температуры с расстоянием высок, а значит, на этом отрезке с большой вероятностью укладывается точка оптимальной рабочей температуры для создания короткого, эффективного поршня. Размер горячего радиатора надо подбирать таким, чтобы температура его была в районе 100-110 градусов, вероятно (это обычная температура рабочего стола принтера). Это делается для того чтобы, возможно большая часть зоны термобарьера находилась в вероятном рабочем диапазоне температур (пробкообразования!).

Так что если кратко сказать - для устойчивой работы головки нужно существование узкой зоны с высоким тепловым сопротивлением (её и называют термобарьером), в которой на незначительном протяжении температура изменялась бы от рабочей (считаем 235), до градусов 100 - приблизительно температуры рабочего стола. Нужен непрерывный обдув маленьким вентилятором и направлять его следует именно на радиатор!
Вывод: Описан принцип конструкции и действия головки с применением «горячего радиатора».
1.5.2 Расчёт теплового потока из головки. Расчёт теплового потока на участке от головки до горячего радиатора.- теплопроводность нержавеющей стали (марок 304/316) K= 9.4 Вт/С°*м

Размеры головки: длина термобарьера от головки к горячему радиатору L=3мм диаметр наружный D=8мм, диаметр внутренний - из-за вкладыша-кольца d=4мм

Считаем температуру головки 260°С.

Считаем нормальной рабочей и желательной температуру горячего радиатора T = 110°C

Конвективные потоки в случае головки 3д-принтера, которая обдувается вентилятором и постоянно достаточно быстро движется, можно не учитывать. Охлаждение движущимся воздухом радиатора и других частей не будем отдельно учитывать, для расчёта рассеиваемой мощности используем приближённую формулу для радиаторов, считая движущуюся и несильно обдуваемую головку подобной радиатору в нормальных условиях. Нагревом от поверхности подогреваемого стола - тоже пренебрегаем ввиду, с одной стороны достаточно большого расстояния от его поверхности и, с другой стороны обдувания и движения головки. Считаем что в какой-то степени они взаимокомпенсируются. Впрочем, на работающем принтере, детали над подогреваемым столом заметно не нагреваются.

До температуры 100°С передачу тепла излучением не рекомендуют считать вообще - слишком мало, с ростом температуры растёт пропорционально четвёртой степени температуры. Охлаждение головки излучением - нас волнует очень мало, там стоит термодатчик, если остынет -нагреем. Температура горячего радиатора близка к рекомендованным к нерассчитыванию 100°С - излучение не считаем.
Участок передачи теплопроводностью от головки до горячего радиатора.

Площадь передачи S= 3.14*D²/4 - 3.14*d²/4 = 3.14*8*8/4 - 3.14*4*4/4 = 37.7 мм²

Для приведения её к квадратным метрам, в случае данного нам коэффициента теплопроводности, площадь надо разделить на один миллион.

Посчитаем тепловой поток в горячий радиатор. Ввиду того что теплопроводность алюминия в 50 раз превышает таковую для нержавеющей стали, считаем температуру однородной на протяжении радиатора(вдоль оси - это 5 миллиметров). Температура по краям радиатора в рамках данного расчёта нас не интересует.

L - не забываем разделить на 1000, т. к. коэффициент у нас использует размерность - метры, на участке от головки до горячего радиатора ΔT = 260 -110 = 150°С

Получается W= 9,4*37,7*150/3*1000 - миллион(площадь в мм²) и тысяча сократились, осталась тысяча.

W= 17,72 Вт тепловой поток в горячий радиатор.
1.5.3. Расчет теплового баланса радиатора. Расчет градиента. Расчет теплового потока на участке от горячего радиатора до крепления головки:

Длина термобарьера L=8 мм

на этом участке нет кольца-вкладыша, так что внутренний диаметр увеличился, а площадь теплопередачи - уменьшилась

Разница температур. Считаем нормальной и ожидаемой температурой крепления головки 30°С, значит ΔT = 110-30=80°С

Считаем W= 9.4*21,99*80/8000 = 2,07 Вт

В радиатор входит 17,72Вт тепла, а выходит 2,07Вт, разница Δ W = 15,65Вт
Это тепло радиатор должен рассеять в воздухе. В работе, часть тепла будет уноситься филаментом, нагревающимся на этом участке от стенок трубки. Однако это считать пока не будем. Получится, что нам надо считать, что всё это тепло рассеивается радиатором.
Расчёт теплового потока рассеиваемого радиатором по упрощённой формуле.

Q=50/√S Где Q - тепловое сопротивление радиатора, в градусах на ватт, а S - площадь радиатора, теперь в квадратных сантиметрах… такая формула. Да, формула слабенькая и врёт в разы, но по данным измерений можно ввести поправку на конкретные условия. Учитываем. У этого радиатора внешний диаметр 20 мм, внутренний 8 мм. Высота - 5 мм.

Посчитаем его рабочую площадь, она состоит из верхнего диска, нижнего диска и площади ребра радиатора. S= 2*(3.14*D²/4 - 3.14*d²/4)+3.14*D*H = 2*(3.14*20*20/4 - 3.14*8*8/4)+
3.14*20*5 = 841мм² = 8,41 см²

Посчитаем тепловое сопротивление радиатора Q=50/√8,41 = 17.24 градуса/ватт

Посчитаем температуру при которой такой радиатор сможет рассеивать 15,65 Вт тепла, полученных во конце второго пункта расчёта. ΔT = 15,65*17.24 = 270°С Причём это разница температур. Считаем температуру воздуха в работающем принтере 30°С, получится несуразная температура 300°С.
Теперь хорошо бы проверить расчёты.

При включенном на 110°С подогреваемом столе и головке на 260°С
электронным термометром вставленным в отверстие для винтика на радиаторе измерялись температуры до максимума показаний в течение нескольких минут.

Температура оказадась значительно ниже расчётной - 111,9°С вместо 300°С

Это ясно сигнализирует о неточности модели. Самое слабое звено здесь - формула для расчёта теплового сопротивления радиатора, она эмпирическая и рассчитана для радиатора без принудительного охлаждения. В нашем случае есть вентилятор, хотя и слабый и дует издалека. Считаю возможным ввести линейный коэффициент вентиляции для уточнения расчёта теплового сопротивления. Посчитаем его подставляя в наши формулы в виде

Q=50/(√S*K). исходная температура 260°С. Примем температуру горячего радиатора 111,9°С

W= K*S*ΔT/L На участке от головки до горячего радиатора ΔT = 260 -111,9= 148,1°С
Получается W= 9,4*37,7*148,1/3*1000 = 17,49 Вт.
Расчёт теплового потока на участке от горячего радиатора до крепления головки:

Площадь передачи S= 3.14*D²/4 - 3.14*d²/4 = 3.14*8*8/4 - 3.14*6*6/4 = 21,99 мм²

Движущая разница температур. Температура крепления головки 30°С, значит ΔT = 111,9-30=81,9°С Считаем W= 9.4*21,99*81,9/8000 = 2,11 Вт

Получается, что в радиатор входит 17,49 Вт тепла, а выходит 2,11 Вт, разница Δ W = 15,37
Посчитаем тепловое сопротивление радиатора. Примем К = 3. То есть что эффективность нашего радиатора в три раза повышается из-за обдува вентилятором. Q=50/√8,41*3 = 5,75 градуса/ватт

Посчитаем температуру при которой такой радиатор сможет рассеивать 15,37 Вт тепла

ΔT = 15,37*5,75 =88,37 °С Считая температуру воздуха в работающем принтере 30°С, получится температура 118,37°С.
Если подсчитать с полученным коэффициентом температуру радиатора для температуры головки 220°С = 94°С и сравнить с измеренным 97,7°С получится неплохое совпадение.
Вывод: Градиент температур для случая 260°С G=(260 - 112)/3=49 °С/мм. Мы можем считать температуру «горячего радиатора» с неплохой точностью и поток тепла в крепление головки. Соответственно, мы можем задавать требуемые изменением соответствующих размеров.
1.5.4. Расчёт теплового потока из головки без горячего радиатора и сравнение градиентов.

А как будут обстоять дела, если мы не будем ставить радиатор? Посчитаем.Считать потоки будем без кольца-вставки, оно задумывалось для температурной разгрузки тефлоновой трубки и имеет смысл только в связке с горячим радиатором.Для температуры 260°С тепловой поток в крепление в случае с радиатором составит 2,07Вт ватт.
Расчёт теплового потока на участке от головки до крепления:

Длина термобарьера L=8+3+5 =16 мм Складываем все длины - и радиатора тоже.

Площадь передачи S= 3.14*D²/4 - 3.14*d²/4 = 3.14*8*8/4 - 3.14*6*6/4 = 21,99 мм²

Разница температур. Считаем нормальной и ожидаемой температурой крепления головки 30°С, значит ΔT = 260-30=230°С

Считаем W= 9.4*21,99*230/16000 = 2,97 Вт Однако, в полтора раза больше.

Посчитаем градиенты для 16 мм G = (260-30)/16 = 14.4 градуса/миллиметр.

Большая разница с 49 градуса/миллиметр, особенно, если учесть, что в случае с радиатором, при простое, пробка поднимется больше чем на половину всего участка, то есть на расстоянии 8мм термобарьера температура будет ΔT/2 + Т = 230/2+30= 145°С Эта температура однозначно, выше начала пробкообразования и ниже плавления. Причём такой длины пробки 8-10 мм вполне хватает для остановки. А в случае с вентилятором, более 3-х миллиметров пробки при простое никак не получится.
Выводы: «горячий радиатор» реально предотвращает риск образования пробок при условии использования тефлонового вкладыша и повышает рабочий градиент температур, что приводит к снижению трения на участке рабочей пробки.
1.5.5. Расчёт тепловых потоков в головке при равномерном движении филамента.

Условия те же, головка та же. Поток филамента движется со скоростью 1,5 мм/с, что соответствует скорости экструзии для сопла 0,3мм = 150 мм/с или для сопла 0,5мм = 54 мм/с. Плотность полиамида 1,18мг/мм³. Так как существенно горячий отрезок (100-110С) до головки имеет длину L= 5 мм(длина горячего радиатора), при скорости 1,5 мм/с, филамент проходит за 3,3 секунд, при этом стенки закрыты тефлоновым вкладышем толщиной l= 1мм=0,001м и внутренним диаметром D=4мм, можем посчитать возможный тепловой поток отдаваемый стенками:

P= λ*S* ΔT/l, где λ =0,25Вт/м*К - теплопроводность тефлона, S= π*D*L=3,14*4*5=62,8 мм²=0,0000628м² - площадь теплопередачи, l - толщина слоя теплопроводности. ΔT - разница температур. Температура горячего радиатора около 110°С, входящий филамент хоть немного, да подогреется, поэтому считаем температуру на входе 30°С ΔT=110-30=80°С.

P= λ*S* ΔT/l= 0,25*0,0000628*80/0,001=1,25Вт, 1 миллиметр филамента сможет получать каждую секунду 1,25/5 = 0,25джоуля тепла. За 3,3с, время пребывания в радиаторе, он сможет получить 3,3*0,25=0,825 дж. Посчитаем мощность необходимую для нагрева 1 мм поступающего пластика на ΔT= 80°С. Объём = 1*3.14*D²/4= 1,5*9*3,14/4=7,065мм³/с

Масса = 7,65*1,15=8,124мг/с

Мощность, Q = M*C*ΔT= 8,124*1700*80/1000000 = 1,1Вт Это в случае, когда весь пластик нагревается от начальной температуры 30°С от радиатора с температурой 110°С.

Итак, тепло, которое сможет получить 1мм филамента, проходя сквозь радиатор, через тефлоновую стенку, будет = 0,825 дж. За то же время, для полного нагрева до 110°С, такого же ломтика, потребуется 1,1дж. Задействовав табличку для моделирования прогрева прутка сделанную к п. 1.2 посчитал точнее. При длине горячего радиатора 5 мм, его температуре 110°С, и скорости движения филамента диаметром 3мм и температурой 30°С, при тепловом потоке в радиатор 15 Ватт, прогрев самой серединки филамента будет только на 2 градуса, но 1мм прутка сможет принять 0,88дж тепла, что чуть больше 0,825дж, которые смогут проникнуть. 0,825 дж составит около 75% от всего нагрева. Если же длина радиатора будет 10мм, то пруток примет 1,06дж тепла, что составит 96% от полного нагрева, а самый центр прогреется до 32°С. Для 100% выгревания пришлось бы довести длину радиатора миллиметров до 30, а это не имеет большого смысла - в головке всё равно расплавится.
Вот детали для головки тип 3.1, - на 1,75 филамент. Просто для красоты.


Рис. 10 Детали для головки Тип 3.1
Выводы: - мощность необходимая для нагрева поступающего пластика при данной скорости: 4,25Вт

Тепловой поток отдаваемый стенками филаменту на участке горячего радиатора: 2,00Вт

Начало пробкообразования при полном потоке сдвигается глубже в головку.

При больших потоках для эффективной работы механизма «горячего радиатора» надо будет увеличивать тепловой поток между головкой и радиатором и длину участка контакта с радиатором. В разы.

Возможно применение отдельного вентилятора горячего радиатора, управляемого от термодатчика, таким образом чтобы удерживать температуру около100ºС.

Применение горячего радиатора, вовсе не является обязательным, но представляется простым способом обострить перепад температур в трубке-держателе, избегая опасности разрастания рабочей пробки до размеров блокирующей и помогает решить вопрос с охлаждением места крепления головки.
Вторая часть - скоро.

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.

Если Вы никогда не хотели собрать 3Д принтер с нуля, если вы купили Picaso Designer, чтобы "просто печатать"; если Ваш принтер на гарантии, если Вам добираться менее 6 часов до тех. поддержки, то НИКОГДА не разбирайте печатающую головку - идите в тех. поддержку. Остальным - посвящается...

Вот из-за этого кренделька, мои очередные 3-х часовые мучения.

Как разбирать печатающую головку принтера Picaso Designer я описывать не буду. А вот как собрать - попытаюсь вкратце озвучить (10 шагов). Фото не показывают позиций рук и расстановку пальцев во время сборки, может, кто-нибудь снимет видео на эту тему...

Приступим:
Комплектность проверять не будем: предположим, что вблизи нет ни детей, ни котов - мы в вакууме, а все винтики и планочки аккуратно лежат в разных неглубоких баночках. Рядом есть подходящий шестигранник и короткая крестовая отвертка.

Шаг I: собираем подающий механизм. Просто возвращаем на место колесо поз. 1, прижимаем его шпилькой поз. 2, прижимаем шпильку винтом поз. 3. Готово:)

Шаг II: ставим печатающую головку в принтер. Собираем круглые рельсы поз. 4 в кучу, ставим на них печатающую головку в нужном направлении. Проверяем, что все мелкие детали (особенно 4 мелкие металлические планочки в виде букв т поз. 5) на месте и под рукой. На фото серьёзная ошибка: верхняя крышка поз. 6 не откручена и не снята: надо снять. Иначе потом провод дополнительного охлаждения поз. 7 (на фото в шаге III) будет сбивать планку поз. 8. Это был последний простой шаг.

Шаг III: правая стенка поз. 10. Всё очевидно: просунуть ленты поз. 9 в отверстие в правой стенке поз. 10, закрепить ленты поз. 9 на печатающей головке с помощью двух планочек поз. 5.

Операция начинается в следующей позиции:
в левой руке
- две ленты плотно прижатые друг к другу большим и указательным пальцами в ухе печатающей головке (ухо - поз. 11);
- круглые рельсы поз. 4, придерживаемые другими пальцами и ладонью;
в правой руке:
- правая стенка поз. 10 (большим пальцем и мизинцем);
- придерживаемая ногтем указательного пальца планочка поз. 5.1, поз. 5.1 уже в отверстии правой стенки поз. 10;
- придерживаемая ногтем среднего пальца планочка поз. 5.2, поз. 5.2 уже в отверстии правой стенки поз. 10, с другой стороны ленты поз. 9.

Операция заключается в замещении пальцев левой руки на ухе поз. 11 планочками поз. 5. Сближением правой и левой рук. Автоматически в свой паз на правой крышке должен попасть выступ основания печатающей головки поз. 12. Вся конструкция должна остаться на рельсах поз. 4.

Для вставания в исходную позицию Вам может помогать другой человек, если
- он не идиот,
- он не бесит Вас, когда ведет себя как идиот;
- вместо пальцев и рук у него пинцеты, т.к. при не снятой крышке в принтере мало место (снять крышку - это 7 винтов-звездочек бОльшего размера, можно справиться прилагающимися к принтеру отвертками).
- человек не лезет своей головой все посмотреть, а слепо попадает своими пинцетами, куда нужно.
Если такого человека нет: терпение, ловкость рук и Бог Вам в помощь.

Шаг IV: вставить планку поз. 8 для крепления колеса поз. 1 в правую стенку поз. 10. Надо одеть планку поз. 8 на ось колеса поз. 1, надвинуть планку поз. 8 на ось соседнего колеса, и рискуя разрушить шаг III, вставить поз. 8 в паз правой стенки поз. 10.

Конечно, можно этот шаг включить в шаг III: просто безымянным пальцем левой рукой придерживать планку поз. 8. Если Вам помогает человек с пинцетами или если у Вас длинные пальцы пианиста.

Шаг V: задняя стенка поз. 13. Попадаем выступом задней стенки с вентилятором поз. 13 в паз правой стенки поз. 10. Все просто. Просто не сломайте шаг IV и шаг III.

Теперь в Вашей правой руке придерживаются
- правая стенка поз. 10, планочки поз. 5 все еще на месте и не вывалились: их надо контролировать;
- планка поз. 8 не падает с легким звоном на основание печатающей головки поз. 12;
- задняя стенка поз. 13;
- собственно сама печатная головка на круглых рельсах поз. 4.

Шаг VI: первый раз нам нужна отвертка (крестовая). Может быть, второй раз: в шаге I тоже была. Находим планку поз. 14, вставляем её в правую стенку поз. 10, чуть-чуть крепим винтом поз. 15 к круглой рельсе поз. 4.1. Теперь в правой руке есть еще и эта планка:)

На фото кажется, что этот шаг - первый. Чушь! Все равно планка 14 будет отваливаться каждый раз, несмотря на винт 15.

Шаг VII: левая стенка . Аналогично шагу III, но зеркально. Дополнительные сложности:
- ленту с левой стороны фиг натянешь на левое ухо поз. 16 (поз. 16 обозначена на фото в шаге V);
- конструкция в правой руке норовит распасться, ведь еще и ленту в левом ухе поз. 16 надо придерживать;

Надо попасть в 5 пазов левой стенки (в 6, на самом деле, но паз для выключателя вентилятора большой) всеми разрозненными деталями в Вашей правой руке. Одновременно. И чтобы планочки поз. 17 не вывалились, а закрепили ленту.

Та-дам!!!
Перед началом шага, проверьте провода: они должны быть все в свободном состоянии. Особенно мешает болтающийся вентилятор поз. 7. На данном шаге лучше перекинуть его назад через заднюю стенку с вентилятором поз. 14 (на фото он уже перекинут вперед). И провод нагрева тоже проверьте, чтобы он был по двигателю подачи пластика поз. 18 распределен.

Шаг VIII: укладываем провода и закрываем верхнюю крышку поз. 6 (поз. 6 обозначена на фото в шаге II). Если все хорошо, и печатающая головка выглядит идеально без щелей и зазоров, смотрим в отверстие подачи пластика: там не должно оказаться провода поз. 7! Косичка проводов поз. 19 должна быть справа от шпильки поз. 2 (см. фото шага VII - не нём не правильно: провод должен быть правее шпильки!!!). Завинчиваем все винтики. 15 штук. Вместе с вентилятором поз. 7. Не знаю в каком порядке.

Шаг IX: перед включением принтера смотрим на ленты. Они должны быть натянуты. Иначе снимаем крышку принтера, еще одну крышку и натягиваем слетевшие ленты. Фото без крышек нет: забыла сфоткать.

Шаг X: включаем принтер. Надеюсь, все получилось.

Теперь самое время вспомнить:
- как можно было провести эти 3-4 часа с бОльшей пользой: поспать, поработать, сходить в ресторан/театр;
- какой чудесный маникюр был 3-4 часа назад;
- сколько нервов и усилий пришлось приложить для создания вакуума вокруг принтера;
- зачем надо было называть идиотом человека, искренне желавшего помочь, и как с ним теперь мириться;
- как можно было всего этого избежать, если просто сдать принтер в ремонт (пусть не на 3-6 часов, а на неделю);
- как мило улыбаются менеджеры в Top3DShop, когда отдают тебе работающий, чистенький, смазанный, откалиброванный принтер, и он работает, он стопудово работает!!!

Надеюсь, у Вас принтер тоже работает:), удачи!!!

Экструдер - это узел 3D принтера, который непосредственно печатает. Его можно сравнить с печатающей головкой обычного струйного принтера, которая перемещается и распространяет краску. Экструдер, как правило, состоит из двух основных частей: корпус экструдера (англ. - extruder body) и hot end (англ. - хотэнд).

Корпус экструдера может быть различных конфигураций. В большинстве 3D принтеров используется система прямого привода, в которой шаговый мотор экструдера подает (материал для 3D печати) напрямую в хотэнд. В этих экструдерах, как правило, используется филамент диаметром 1.75 мм. Вторая распространненая конструкция экструдеров - это использование зубчатых колес для подачи пластика в хотэнд. Этот вариант конструктивной реализации часто встречается в DIY 3D принтерах, которые используют филамент диаметром более 3 мм.

Хотэнд - это, без преувеличений, основной узел 3D принтера. Как и предполагает название, этот узел нагревается, чтобы расплавить пластик, который подается для печати . Хотэнд состоит из трех основных узлов: сопло, размер которого определяет качество и скорость 3D печати; нагреватель (англ. - heater cartridge), который, собственно, обеспечивает нагрев до нужной температуры; цилиндр (англ. - heating barrel), в котором подается филамент для нагрева.

Второй тип экструдеров - это Боуден (англ. - Bowden) экструдеры. В этой конструкции корпус экструдера и хотэнд разнесены и соединяются PTFE трубкой, по которой подается филамент. Боуден конструкция позволяет устанавливать относительно тяжелый корпус экструдера и двигатель на раме 3D принтера, а не на подвижной каретке. Благодаря этому каретка становится легче и можно увеличить скорость 3D печати. Однако для подачи филамента придется прилагать меньшую силу, а менять материал для 3D Печати становится сложнее. Хороший пример использования Боуден экструдеров - 3D принтеры Ultimaker.

Как выбрать лучший экструдер?

Выбор лучшего экструдера зависит от Вашего 3D принтера. Оптимальный вариант - оценить желаемые возможности вашего 3D принтера и выбрать экструдер в соответствии с этими требованиями. После этого вы сможете определиться с наилучшим вариантом совмещения корпуса и экструдера. Как правило, основными показателями при выборе экструдера являются допустимые скорость и температура 3D печати. В данной статье мы исходим из предположения, что вы не привязаны к конкретной модели 3D принтера, а пытаетесь сконструировать собственный.

После того как вы выбрали подходящий хотэнд, следующий шаг - определиться с методом его установки на принтер. Самый распространенный вариант крепления - J-head.

Корпус экструдера - это вопрос индивидуальный. Корпус можно сделать с прямым приводом или с зубчатыми колесами. Как правило, используют прямой привод, так как его конструкция гораздо проще. Если вы собираетесь печатать с филаментом диаметром 3мм и больше, стоит задуматься о зубчатых колесах, чтобы обеспечить большую силу подачи. Конструкция корпуса е имеет особых ограничений, ее можно менять, особенно если вы используете приводные колеса. Если вам нужна дополнительная информация и идеи, можете поискать примеры конструкций на , где вы найдете огромное количество интересных конструктивных решений.

Еще один момент, который стоит учесть - количество экструдеров, которые вы хотите использовать в вашем 3D принтере. В большинстве используется один, но в последнее время набирают популярность принтеры с двумя. Два экструдера дают возможность печатать двумя цветами или разными материалами. Если вы используете два экструдера, убедитесь, что ваша управляющая плата сможет ими управлять и оба хотэнда хорошо откалиброваны относительно стола для печати.

Хотэнд

Как уже говорилось выше, хотэнд - одна из самых важных деталей 3D принтера. По-сути, без хотэнда вы не сможете ничего напечатать. Самый важные характеристики хотэнда - сопло, максимально допустимая температура нагрева, диаметр филамента и напряжение питания.

Надо проверить, чтобы напряжение питания нагревателя было совместимо с другими узлами вашего 3D принтера. В большинстве случаев используется напряжение питания 12 В, но 24 вольта встречается тоже. Каких-либо преимуществ в том или другом случае нет. Это просто зависит от используемых вами узлов.

Размер филамента определяется в зависимости от того, что вы собираетесь печатать. 1.7 мм - самый распространенный диаметр, но многие используют и 3 мм. Убедитесь, что ваш хотэнд сможет работать с диаметром материала, который вы хотите использовать. Х отэнд для 3 мм не сможет работать с филаментом диаметром 1.75 мм !

Характеристики сопла очень важны, так как сопло определяет сколько пластика можно использовать за единицу времени с одной стороны и, соответственно, уровнем допустимой детализации, котора зависит от максимально допустимой высоты слоя. Самый распространенный размер сопла - 0.4 мм, который является средним между 0.5 мм для быстрой 3D печати и 0.35, который используется для печати с высокой детализацией. Есть и сопла большего/меньшего диаметров, но большинство используют практичные размеры в диапазоне от 0.35 до 0.5 мм. Чаще всего сопло изготавливают из латуни.

Ну и характеристика максимально допустимой температуры нагрева влияет на типы материалов, которые вы сможете использовать. Многие хотэнды рассчитаны на максимальные температуры, которые позволяют печатать , возможно, нейлон. Основной ограничивающий фактор в этих хотэдах - PTFE направляющая. Популярная альтернатива - цельнометаллический хотэнд, в котором не используется PTFE направляющая, а предусмотрена система активного охлаждения с помощью кулеров. Допустимые температуры нагрева цельнометаллических хотэндов значительно выше.

Ниже приведено сравнение некоторых лучших хотэндов и конструкций экструдеров для 3D принтеров на рынке на момент конца 2017 года.

Экструдер Flexion Retrofit

Если вы сталкивались с проблемами забитого экструдера, который портил 3D печать или вам приходилось его менять из-за того, что не получалось печатать определенным не совсем стандартным материалом, то стоит обратить внимание на Flexion Retrofit , который даст вам возможность печатать, совершнно не задумываясь характеристиках используемого материала.

Почему Flexion Retrofit - лучший экстрдер для вашего 3D принтера?

Flexion Retrofit имеет два конструктивных исполнения. Поставляется в виде отдельных узлов со всем необходимым для сборки и монтажа плюс 4 сопла разных диаметров (0.2, 0.3, 0.4 и 0.5 мм). Он весит всего 1 фунт, благодаря чему позволяет печатать с гораздо большими скоростями по сравнению со своими конкурентами в том же ценовом диапазоне. Экструдер оснащен механизмом самоочистки, так что проблем с забитым соплом у вас не будет. Качественный механизм прижима филамента позволяет качественно печатать не только привычными ABS и PLA пластиками, но и гибкими материалами (гибкий PLA, TPU, TPE и другие).

Отличная реализация отдельных деталей

Улучшенная изоляция, специальные щетки для чистки и другие аксессуары облегчают обслуживание, а тот факт, что этот экструдер легко монтируется и демонтируется, позволяет легко произвести замену на сдвоенный, например. Приводное колесо, нагревающий блок и механизм подачи производятся с использованием точного, современного оборудования, что позволяет этому экструдеру работать с различными скоростями 3D печати, режимами подачи материала и давления. В результате, вы можете гибко настроить его под свои нужды для наилучшего качества 3D печати.

Flexion Retrofit поставляется в виде набора отдельных узлов, в коробке. У каждого узла есть точное, исчерпывающее описание. В инструкции расписаны все шаги по сборке и установке экструдера. Кроме того, на Thingiverse лежат stl файлы для крепежа кулера , которые вы можете напечатать самостоятельно и заменить пластиковую пластину, которая идет в большинстве комплектов.

В общем, если у вас возникли проблемы с экструдером, то Flexion Retrokit - это действительно лучший (хотя и не самый дешевый) экструдер, который точно решит все ваши проблемы.

Обзор PTFE хотэндов

Хотэнды с PTFE трубкой, например, 3D CAM’s MG Plus не так распространены как эх цельнометаллические аналоги. В первую очередь это связано с ограничением максимальной температуры нагрева. Хотэды с PTFE трубками дешевле, так как цельнометаллические конструкции требуют специальной обработки при производстве. При этом допустимая скорость 3D печати с PTFE хотэндами выше чем с цельнометаллическими.

Преимущества

• дешевые;
• тихие (так как нет отдельного кулера);
• обычно позволяют большие скорости 3D печати;
• легко меняется сопло.

Недостатки

• тяжело найти, устаревшая конструкция;
• ограничены использованием PLA и ABS пластиков (некоторые модели могут разогреваться до больших температур, но это редко).

Обычно идут в паре с экструдерами с прямым приводом. Модель Wade"s Extruder - одна из самых популярных на DIY 3D принтерах.

Lulzbot Hexagon хотэнд с корпусом TAZ Single Extruder

Lulzbot TAZ экструдер - это цельнометаллический хотэнд, который устанавливается на TAZ и Lulzbot мини принтеры. Этот хотэнд может достигать температур 300C, которой вполне достаточно для печати практически любым филаментом (Lulzbot не рекомендуют использовать филаменты с карбоновой крошкой, так как этот материал может повредить сопло). Lulzbot работают в рамках open-source, так что с документацией и хаками проблем не будет.

Преимущества

• высокие температуры дают возможность печатать практически любым материалом;
• этот хотэнд можно найти в виде отдельного узла, совместимого в DIY принтерами;
• короче других хотэндов, дает возможность печатать более высокие модели;
• сопло легко меняется.

Недостатки

• необходимо активное охлаждение

Обычно идет в комплекте с корпусом TAZ экструдера, DIY корпуса.

E3D V6

E3D V6 - это последняя версия популярных цельнометаллических хотэндов E3D. Хотя это не совсем корректное определение, так как E3D идет с PTFE трубкой, которая добавляется для более тонких (1.75 мм) филаментов. Если PTFE трубка не используется, E3D может легко разогреться до 300C И печатать всеми возможными материалами, как и Hexagon.

Преимущества

• высокие температуры позволяют печатать практически любым материалом;
• цельнометаллическая конструкция;
• легко меняющееся сопло.

Недостатки

• благодаря PTFE трубке улучшается качество 3D Печати, но возникают ограничения по максимальной температуре нагрева;
• необходимо использовать активное охлаждение.

Обычно используется с любым J-head совместимым корпусом.

Выводы

Экструдер играет очень важную роль в вашем 3D Принтере и его возможностях. Максимальная температура, размер филамента, требования по мощности, управляющая плата и даже высота слоя - все эти параметры напрямую зависят от экструдера. Так что стоит изучить все варианты и выбрать действительно лучший экструдер для вашего 3D принтера.