Доброго вам времени суток, уважаемые гики и сочувствующие! О чём может мечтать холодными зимними вечерами оборудованный 3D принтером гик? Наверное, о солнечных берегах Копакабаны. Или о бездонных глазах знойных бразильянок. Но в Копакабане разгул преступности, а супруга не поддерживает идею полигамии даже в рудиментарном виде. Вот и приходится самому обеспечивать себя горячими штучками, да публиковать результаты для розжига дискуссии.
Когда я был молодым и наивным, 3D принтеры были промышленными и большими, микропроцессоры дорогими и страшными, а одним штампованным ключом можно было починить весь велик.
Когда в далёком 2010 году 3D революция имени Йозефа Прюши в виде самодельного принтера пришла и в мой тихий дом, я столкнулся с одной из величайших проблем объёмной печати — недостаточная производительность стандартных хот эндов.
После короткого анализа конструкций хот эндов я выявил следующие слабые места (конечно, это сугубо моё личное мнение, ни разу не претендующее на истину, правду или соответствие реальности):
1. Значительное расстояние от нагревательного элемента до канала (медленный прогрев канала)
2. Канал — это трубка из нержавейки, на которую накручен алюминиевый блок, в который вставлен нагревательный элемент (огромное тепловое сопротивление на соединениях, и нержавейка с её низкой теплопроводностью)
3. Значительное расстояние от канала до термистора (медленная реакция на изменение температуры канала)
4. Малая теплоёмкость алюминиевого блока, соответственно большие колебания температуры при смене условий (включение/выключение вентилятора, изменение скорости подачи филамента, и т.д.)
Для начала был изготовлен примитивный, как каменный топор, мой самый первый хот энд:
Конструкция: канал просверлен в цельном медном блоке, сопло припаяно напрямую. Нагрев производится нихромовой проволокой в стекловолоконной изоляции, навитой на медный блок напрямую. Намотка покрыта печной замазкой. Термистор расположен в отверстии, просверленном в блоке параллельно каналу. Термобарьер из нержавеющей стали зажат между нагревательным элементом и пневмоконнектором, внутри термобарьера располагается тефлоновый вкладыш.
Практика показала, что хот энд работает очень точно в плане температурного режима, пригорания и застревания пластика не было. Проблема возникла позже, когда я сделал принтер с высокоскоростной кинематикой: хот энд перестал успевать за событиями. Настало время проводить эксперименты и читать интернеты. Самым лучшим интернетом по теме был признан этот. Были закуплены материалы и собраны хот энды с различной длиной канала:
Это было скучно и долго, но зато практические испытания убедили меня в преимуществе длинных каналов. Как говорится, в данном случае размер имеет значение. Кроме того, я научился спаивать серебросодержащим припоем разнородные материалы и окончательно познал дзен китайского токарного станка.
Результатом многочисленных экспериментов и многосекундных размышлений явилась следующая конструкция хот энда:
Пройдёмся по картинке сверху вниз:
Тефлоновая трубка bowden — экструдера (внешний диаметр 4мм, внутренний 2мм) вставлена в пневмоконнектор с резьбой М6, вкрученный в верхнюю часть латунной резьбовой втулки. Нижняя часть накручена на термобарьер из нержавеющей стали и запаяна. Термобарьер — самая трудоёмкая деталь хот энда:
Для его изготовления необходимо на установочном винте М6 (материал винта — нержавеющая сталь) срезать на одном конце 5-6 миллиметров резьбы, оставив два полных витка неповреждёнными. После этого аккуратно сверлим болт сверлом 4мм (нержавейка сверлится крайне плохо). Каков смысл этого действа? Дело в том, что диаметр керна (центральная часть без резьбы) болта М6 составляет по стандарту 4,773мм. Учитывая тот факт, что отверстие при сверлении сверлом 4мм будет в диаметре около 4,2-4,4мм (зависит от станка и опыта), получаем стенки термобарьера (в той части, где мы срезали резьбу) толщиной от 0,18 до 0,28мм. Вкупе с низкой теплопроводностью нержавеющей стали термоизоляция у таких тонких стенок так эффективна, что дополнительного охлаждения барьера не требуется. Оставшаяся резьба служит своеобразными рёбрами радиатора. Своим нижним концом с двумя витками резьбы термобарьер вкручен в медный блок нагревателя и запаян высокотемпературным припоем (тот, что с оловом, не подойдёт)). Можно сделать это и без резьбы, но мне так было проще. Внутри барьера находится тефлоновая трубка внешним диаметром 4 и внутренним диаметром 2мм.
Внимание: в принципе, тефлон не рассчитан на работу при температуре более 260°C, поэтому при желании печатать чем-то совсем уж высокотемпературным типа поликарбоната лучше проложить между нагревателем и тефлоном колечко из PEEK высотой 5-7мм.
Сам медный блок нагревателя по своей форме похож на обычную деревянную катушку для ниток. В его верхней части сделано соосное с каналом отверстие глубиной 2,5мм, с резьбой М6 для крепления термобарьера. Кроме того, в верхнем бортике просверлены два сквозных продольных отверстия для выводов нихромовой обмотки и одно глухое отверстие диаметром 2,5мм под углом, для установки термистора. Важно обеспечить нахождение термистора вблизи канала, очень способствует правильной картине мира в мозгах принтера. Термистор перед установкой обмазывается печной замазкой или силиконом, чтобы не болтался. Центральный канал в блоке делается сверлом 1,8мм и доводится конической развёрткой до диаметра 2мм со стороны термобарьера.
Нижняя по рисунку часть нагревательного элемента может иметь резьбу М4, тогда сопло будет самодельным из стального винта М4 и латунной колпачковой гайки (сверлить отверстия 0,3мм — то ещё удовольствие!), или М6, тогда можно устанавливать любое стандартное сопло.
Намотка нихрома в стекловолоконной изоляции — деяние элементарное, особого описания не стоит. Готовая намотка замазывается печной замазкой или высокотемпературным силиконом.
Вот один из ранних экземпляров:
Я остановился на чистой, немаркетинговой длине канала 25мм:
Теперь пруфы в плане функционала.
Это нормальная скорость для ABS:
Это у нас пошёл PETG. Грязненько, потому что надо было быстренько, настройки соответствующие :)
Нейлон. Говорят, им трудно печатать:
ABS. Если не торопиться, получается очень чисто:
Здесь опять PETG. По скорости работы мотора экструдера видно, с какой скоростью мой хот — энд плавит филамент:
На сладкое — сравнение фигурок из ABS (зелёная) и PETG (красная), обе фигурки печатаны с однослойной стенкой, спиральной вазой:
Публикуется под лицензией WTFPL.
Ну, и традиционное: Have fun!
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
Комментарии (26)
Imbecile
30.01.2017 09:13Очень интересно, только не хватает отступлений-пояснений для тех, кто в 3д печати не сильно разбирается. Знаю, что многое уже на ГТ разжевали, но прыгать из статьи в статью, чтобы разобраться — как-то неудобно.
Как пример, колечко из РЕЕК высотой 5-7 мм — это что?
А так — да, писать стоит продолжать и побольше техносексвидосиков.
melchermax
30.01.2017 10:58На рисунке тефлоновый вкладыш в термобарьере показан голубым (это по сути трубочка внешним диаметром 4 и внутренним 2мм), доходит прямо до медного блока. Если между этой трубочкой и медным блоком поставить пятимиллиметровый отрезок такой же трубочки, но из PEEK, можно будет печататъ и на 300°C
voidptr0
30.01.2017 11:23При такой большой скорости подачи и, судя по видео, огромном столе какая используется механика, чтобы все это таскать?
melchermax
30.01.2017 11:39Про кинематику своих принтеров я постараюсь написать в следующей публикации, тема слишком большая. Как заставить шаговые моторы бегать резво и точно, я уже писал в одной из предыдущих публикаций :)
Arxitektor
30.01.2017 15:13Фигурки как я понимаю напечатаны вертикально.
Точность жесть. Даже не думал что такое можно выжать из самодельного принтера.
А можно фото принтера целиком?
webkumo
30.01.2017 18:41А во сколько средств обошёлся сей девайс и какие работы кроме сборки/пайки удалось сделать своими силами?
melchermax
30.01.2017 18:50Всё делал сам, иначе неинтересно. Цену точно не подсчитывал, поскольку многие вещи, которые были куплены для производства хот эндов, применялись и для других проектов. Я думаю, по материалам не более 6-7 евро.
adson
31.01.2017 07:00Глубокий респект. Автор, продолжайте писать. Крайне познавательно и полезно (даже для моей немного несмежной темы)
punzik
31.01.2017 09:04Скажите, как себя показывают пластиковые линейные подшипники? И почему направляющие черные? Это не обычные полированные оси?
melchermax
31.01.2017 09:09Пластиковые скользящие втулки стираются крайне быстро и начинают люфтить, сейчас вместо них сиинтерная бронза трудится. Шины чёрные (на самом деле, коричневые), потому что это игусовские алюминиевые трубчатые шины со специальным керамическим покрытием. Они лёгкие и долговечные.
Mountlander
02.02.2017 12:32Несколько вопросов:
- Где берут эти шины?
- Где можно взять размеры всех деталей хотэнда?
- Где посмотреть марку(диаметр, сопротивление) провода нихромового и намоточные данные?
- Что за изоляция для нихрома?
- Назовите марку высокотемпературного силикона и других материалов(где их можно приобрести)
Заранее огромное спасибо за подробности, которых очень не хватает для того, что бы попробовать это все самому.
melchermax
02.02.2017 13:34Вы правы, это я упустил из виду.
1. http://www.igus.de/wpck/2335/drylin_r_awmp
2. Пневмоконнектор с резьбой М6, с зажимом для четырёхмиллиметрового шланга. Латунная резьбовая втулка М6х8мм. Для термобарьера безголовочный винт М6х35мм. Для нагревательного элемента медный пруток диаметром 16мм, проточка до диаметра 10-12 мм, получаются трёх — или двухмиллиметровые бортики. Длина нагревателя 25мм, но можно выбрать и другую, в зависимости от требуемых характеристик. Для сопла с колпачковой гайкой: безголовочный болт М4х8мм из нержавеющей стали, просверленный сверлом 1,8мм, и латунная колпачковая гайка М4. Гайка сверлится на желаемый диаметр сопла.
3. С нихромом всё сложнее: у меня есть старые запасы нихрома диаметром 0,2мм с сопротивлением 138 Ом/м, в тонкой плотной стекловолоконной изоляции. Что-то подобное найти не могу, хотя ищу уже давно. Наматываем просто, внавал. Длина нихрома для 40 Вольт 40 Ватт: вдвое сложенный нихром длиной 60 см. Почему так: одинарный будет 30 см, а это очень коротко, могут отгорать концы. Для 12 Вольт лучше взять провод потолще и пересчитать по закону Ома.
5. Марку печной замазки не знаю, она так и называется: печная замазка (Ofenkitt). Силикон — та же история, он так и называется: высокотемпературный силикон (Hochtemperatursilikon).
К сожалению, прямые ссылки дать не могу, чтобы не выглядело как реклама. Да и не слишко-то и помогут немецкие ссылки в России.
Надеюсь, смог чем-то помочь.
Mountlander
02.02.2017 17:31Спасибо за ответы! Каким образом у вас соединен нихром с проводом?
melchermax
02.02.2017 18:23Концы нихрома опаяны высокотемпературным припоем, а на него уже припаяны обычные провода.
Mountlander
08.02.2017 17:44Расчет может быть таким:
40Вт/12В=3.3А ток
12/3.3=3.6 Ом сопротивление провода
допустим, провод ф 0.4 мм
Сопротивление 70 Ом/м
Значит, длина нихрома для хотэнда:
3.6/70=0.051 м
Или 51 мм. Правильный расчет, если принять такой диаметр и сопротивление провода?!melchermax
08.02.2017 18:50Нет, так не пойдёт, 5 см это слишком коротко, слишком много ватт на миллиметр, может перегореть. Если сложить такой проводв 4 раза, то длина будет будет 20 см при том же сопротивлении, что уже намного лучше.
Hellsy22
Если супруга не поддерживает какие-то идеи даже в рудиментарном виде, возможно стоит ей обновить прошивку.
Я не совсем понял откуда берется резкое изменение скорости подачи, ведь при печати эта скорость почти постоянна, не считая очень коротких участков на которых головка принтера переходит от одной части детали к другой. По крайней мере график колебаний температуры экструдера у меня не превышал нескольких градусов, хотя термоэлемент был просто примотан каптоном рядом с соплом.
Что же до скорости, то хотелось бы увидеть ее в мм/с. Потому как визуально мой древний Solidoodle 2 печатает даже быстрее, хоть и трясется при этом, если его не закрепить.
melchermax
Изменение скорости подачи происходит довольно часто: к примеру, если периметр печатается 60мм/с, а заполнение 150мм/с, или при печати мостиков, или при переходе между первым слоем 40мм/с на второй слой 150мм/с и так далее.
Просто примотанный к соплу каптоном термистор и не сможет показать колебания температуры, ибо при резких колебаниях не успевает прогрется/остыть из-за плохого теплового контакта. Тем более, на поверхности латунного сопла это не совсем температура канала. В моей конструкции термистор «знает» именно температуру канала, действующую на филамент, а тепловой контакт хороший, так как термистор углублен в тело нагревателя. Скорости в цифрах: ускорение 9000-12000 мм/с?, скорости от 30 до 220 мм/с, джерк 20-50мм/с. На каждый филамент свой настройки. Конкретно в этом видео я уже и не помню, но меньше 150 мм/с ABS я не печатаю.
sim2q
на видео где подача материала с катушки — какая мощность нагрева примерно получилась?
melchermax
На каком именно? Вообще, электрическая мощность моих хот эндов примерно 40 ватт, для хорошей динамики нагрева.
sim2q
спасибо, это примерно и спрашивал