Изготовление 3д прутка своими руками. Экструдер для самостоятельного изготовления филамента. Точность на экструдере достаточно высокая
http://habrastorage.org/files/e4a/1b7/d89/e4a1b7d89dd94c3ca48ccb0c50a27765.jpg
http://habrastorage.org/files/48d/d9c/1d1/48dd9c1d17334f138d1223a9b05f8d7a.jpg
Немного теории:
Полилакти́д (ПЛА, PLA) - биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник. Используется для производства изделий с коротким сроком службы (пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты, различная тара), а также в медицине, для производства хирургических нитей и штифтов.
http://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/ebc/8be/e96/ebc8bee96df9e7884aa8556846a02aee.jpg
Панорама цеха:
http://habrastorage.org/files/e2f/369/b7c/e2f369b7c5cb4907a655f0c374f88430.jpg
http://habrastorage.org/files/bcf/70e/85b/bcf70e85b72a4700ac89bf111cfd286a.jpg
http://habrastorage.org/files/f53/1ed/b26/f531edb269314a5c8d9460e6bec7263b.jpg
http://habrastorage.org/files/ee5/c3c/fa2/ee5c3cfa2836401c86841c6c276aeba6.jpg
http://habrastorage.org/files/493/d42/0c0/493d420c09664be9a365278832e7788c.jpg
Как выглядит сам процесс производства:
http://habrastorage.org/files/fca/e28/da7/fcae28da71c34e7a9f396be6395b9c95.jpg
ПЛА-пластик производят из кукурузы или сахарного тростника. Сырьем для получения служат также картофельный и кукурузный крахмал, соевый белок, крупа из клубней маниока, целлюлоза.
При переработке вышеупомянутых растений получают пластиковые шарики, которые укладывают в коробки и отправляют на дальнейшие циклы производства:
http://habrastorage.org/files/817/fe1/e1a/817fe1e1acc649acbf499520da9266ff.jpg
Из тонны сырья получается около 900 кг пластика
http://habrastorage.org/files/4f1/fcd/138/4f1fcd1388fd45baac40bf034386db7d.jpg
PLA-пластик побаивается света и влаги, поэтому его упаковывают в герметичные мешки в которых есть силикагель.
http://habrastorage.org/files/8ff/58d/86a/8ff58d86af2940ca8009fd10a7c32b5c.jpg
А это «пылесос», которым зачерпывают 100 кг «кукурузных шариков» и отправляют в контейнер
http://habrastorage.org/files/012/b79/2fc/012b792fce424b6a9f0f455c7836a6e7.jpg
Здесь сырье сушится, при этом запах стоит как в кондитерской
Добавляем «щепотку» красителя (тоже полностью натуральный, австрийское качество)
http://habrastorage.org/files/865/9cb/fd4/8659cbfd46b546049a379ecefba5623e.jpg
http://habrastorage.org/files/742/eb0/668/742eb06683fe4e778e0057fbc3a6a1ef.jpg
http://habrastorage.org/files/f5d/dab/b83/f5ddabb83a744f7082517a4d9c49da13.jpg
Здесь сырье разогревается и превращается в вязкую массу.
Под давление вала пропускаем сквозь нагревательные элементы.
Диаметр выходного отверстия «топки» около 3 мм, пластик приобретает нужный диаметр (1,75 мм) за счет того, что его тут же тянут, причем тяга очень точно настраивается
http://habrastorage.org/files/dd8/6ed/6ca/dd86ed6ca4c14b77a3ff0b9c6be9d254.jpg
Ванна для охлаждения. Для ABS и PLA разные температуры
http://habrastorage.org/files/596/1d3/fc9/5961d3fc9fa6499fa5bf0f0b325f99fd.jpg
Диаметр остывшего пластика измеряется лазерным прибором. Установлена допустимая погрешность диаметра нити ±0,03 мм
http://habrastorage.org/files/16e/baf/f9a/16ebaff9ab1d48a6bac10012e02ae0d1.jpg
Дистанционный мониторинг диаметра пластика
Cкорость протяжки нити через лазер 55 метров в минуту
http://habrastorage.org/files/c0f/21f/d40/c0f21fd4007d4659bf81bc417c2a84ae.jpg
Управление тягой. Именно тяга создает нужный диаметр. При помощи этого узла можно очень точно подбирать тягу моторов и тем самым регулировать диаметр пластика.
http://habrastorage.org/files/630/a71/f80/630a71f808a04e6081b45bec6a0cc967.jpg
«Веретено» - управляет скоростью наматывания на катушку. Нет на КАТУШКУ.
http://habrastorage.org/files/4a2/212/86b/4a221286b91b45f6b018a94b1c100f65.jpg
Вот это - КАТУШКА.
Без пластика
http://habrastorage.org/files/dfc/8f5/23a/dfc8f523a9c94e06888912d853bb48d9.jpg
Важно отметить равномерность заполнения катушки
После того как большая катушка заполнится, ее снимают и перематывают нить на маленькие (привычные для всех) катушки.
Обычные катушки попадают в заботливые руки девушки, которая комплектует коробку
http://habrastorage.org/files/179/84c/8ea/17984c8ea7bb4e138062bed89e57fad2.jpg
Пакетик, защищающий от пыли, силикагель, защищающий от влаги, плотная коробка, защищающая от прямых солнечных лучей и наклейки. На наклейках указаны рекомендуемая температура плавления (для ABS и PLA они разные), диаметр нити, вес и материал.
http://habrastorage.org/files/057/c5c/c2f/057c5cc2f42340089cecc2dcc549b233.jpg
Отсюда они отправятся по всей Москве и странам СНГ
http://habrastorage.org/files/2cc/43b/b9d/2cc43bb9d30c4d8593fa8fbb765048bc.jpg
В цеху очень чисто, приняты все меры, чтобы было как можно меньше пыли: заклеены скотчем окна, часто делается уборка, используется жидкость-антистатик, особо важные места укрываются полиэтиленом.
http://habrastorage.org/files/a43/667/880/a4366788008f4a93bc943a126981d5cf.jpg
Пара советов как выбрать хороший пластик.
PLA очень чувствителен к режиму хранения (в темноте, сухости и без пыли). Прутик должен быть чистый без вкраплений, ровный, без отслоений, на поверхности - лёгкий блеск.
http://habrastorage.org/files/862/464/af2/862464af22094d4dbd8f96c59b437b99.jpg
Наличие инородных тел проверяется в месте разрыва. Если поднатужиться и разорвать кусочек пластика (а рвется там где «тонко»), то место разрыва должно быть однородным - это признак хорошего качества.
Долговечность/биоразалагаемость
http://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/160/c28/b8a/160c28b8aee21019cf21328ea1760815.jpg
(картинка для инвесторов-экологов)
а вот данные похожие на правду
http://habrastorage.org/files/5c3/8d7/899/5c38d78991a240c2915fa1fdcdd84091.jpg
примеры из PLA
http://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/ae0/e36/db6/ae0e36db66f5409756b7f430812cb1da.jpg
http://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/da5/6f8/866/da56f88660badccaa6bc6b84c63be339.jpg
Каждый 3D-принтер имеет конструктивные особенности. Главную роль в любом устройстве играет экструдер 3d, второе название которого – печатающая головка. Суть ее работы проста: она выдавливает пластик через специальное сопло, благодаря чему и складывается трехмерный рисунок.
Особенности конструкции
3D-принтер работает на основе нитевидного пластика нескольких видов, но чаще всего применяются пластик ABS и PLA. И несмотря на разнообразие расходных материалов, все печатающие головки создаются по одному принципу и мало чем отличаются друг от друга. Устройство экструдера 3d принтера следующее:
- Блок cool-end подает филамент. Он включает в себя шестерни и привод от электрического мотора, а также прижимной механизм. Под воздействием вращения шестерни из катушки извлекается пластиковая нить, пропускается в нагреватель, где под воздействием высокой температуры пластик становится вязким. Такая структура дает возможность выдавить нить через сопло, чтобы придать ей нужную форму.
- Блок hot-end представляет собой сопло с нагревателем. Для его создания используются латунь или алюминий, отличающиеся высокой теплопроводностью. В состав нагревательного элемента также входят спираль из нихромовой проволоки, пара резисторов, термопары, регулирующие температуру. Во время работы hot-end разогревается, за счет чего и происходит плавление пластика. Важную роль играет своевременное охлаждение рабочей платформы, что обеспечивается специальной термоизолирующей вставкой между hot-end и cool-end.
Разновидностью печатающей головки является боуден экструдер, который отличается тем, что hot-end и cool-end разнесены с точки зрения расположения: нагреватель с соплом располагаются на печатающей голпринтер промышленныйовке, в то время как подающее устройство расположено на раме принтера. Пластиковая нить подается посредством длинной тефлоновой трубки. Главное ее назначение – оберегать нить от возможных изгибов, чтобы она подавалась в hot-endс оптимальной скоростью и давлением. Боуден экструдер хорош тем, что позволяет сделать меньше и легче печатающую головку, но с другой стороны, передача пластика к соплу не так надежна.
Как выбирать экструдер?
Экструдер для 3d принтера нужно выбирать правильно, учитывая несколько важных моментов:
- Материал . современные печатающие головки оснащаются литыми элементами или созданными на основе 3d-печати. Конечно, литые модификации отличаются прочностью, что особенно важно для участков, на которые приходится большая нагрузка. С другой стороны, напечатанные на 3D-принтере детали гораздо дешевле.
- Подача филамента . Качество этого механизма играет важную роль, поскольку нить должна подаваться к нагревателю постоянно и аккуратно. Только так можно обеспечить бесперебойную печать. Во время пути к соплу пластик может запутаться, поэтому нужно выбирать принтеры с электрическим двигателем высокой мощности – так запутывания можно свести к минимуму.
- Тип подающего ролика . Очень часто в результате плохого сцепления материала с подающим роликом нить начинает проскальзывать. Особенно часто такие ситуации возникают при использовании нейлоновой нити на тех устройствах, где можно применять только ABS или PLA-пластик.
- Размер сопла . Экструдер может оснащаться соплами разного диаметра. Важную роль при выборе играет назначение самих изделий. Например, если объекты должны быть тщательно и детализированно прорисованы, то сопло выбираются меньшего диаметра. Чем меньше сопло, тем выше вероятность его засорения, поэтому лучшее выдавливание пластика обеспечивается при мощном электрическом двигателе.
Как сделать своими руками
Чтобы сделать экструдер для 3D-принтера экструдер своими руками, потребуется подобрать шаговый двигатель. Однако в этом качестве можно использовать и моторы от старых сканеров или принтеров. Для крепления двигателя потребуется корпус, прижимной ролик и хот-энд. Корпус создается из разных материалов, при этом его конструкция может быть самой разной. Прижимной ролик должен регулироваться пружиной, поскольку толщина прутка не всегда идеальна. Материал сцепляется с подающим механизмом, но сцепление не должно быть слишком сильным – в ином случае кусочки пластика будут откалываться.
Хот-энд можно купить (покупка обойдется примерно в 100 долларов), а можно скачать чертежи и создать его самостоятельно. Радиатор создается из алюминия и нужен для того, чтобы отвести тепло от ствола хот-энда. Это позволит предотвратить преждевременное нагревание материала для печати. Хорошее решение – светодиодный радиатор, а охлаждение выполнять посредством вентилятора. Ствол хот-энда создается из полой металлической трубки, которая служит для соединения радиатора и нагревательного элемента.
Тонкая часть трубки – это термобарьер, который исключает попадание тепла в верхнюю часть экструдера. Главное в хот-энде – добиться того, чтобы филамент не плавился раньше времени, что приведет к засорению сопла.
Нагревательный элемент в 3d-экструдере своими руками создается из алюминиевой пластины. В ней сверлится отверстие для крепления ствола хот-энда, затем сверлятся еще отверстия для болта крепления, резисторов, терморезистора. Пластина нагревается резистором, а задача темистора – регулировать рабочую температуру. Сопло можно создать из глухой гайки с закругленным концом. Лучше, если гайка латунная или медная – эти металлы отличаются простотой обработки. В тисках крепится болт, затем на него накручивается гайка, а в центре сверлится отверстие. Таким образом, легко создается экструдер в домашних условиях.
Некоторые модели принтеров оснащаются двойными экструдерами – это позволяет печатать двухцветные объекты или создавать структуры поддержки из растворимого полимера. То есть одновременно на таком устройстве можно использовать сразу два вида пластика. Правда, одновременная печать все равно невозможна, поэтому каждый экструдер задействуется в случае необходимости.
Техасская компания re:3D принимает предварительные заказы на крупноформатные FDM 3D-принтеры Gigabot нового поколения и специализированные экструдеры для печати гранулированными пластиками.
На Kickstarter небольшой, но преуспевающий производитель из Остина выходит в третий раз, успев провести краудфандинговые кампании в поддержку 3D-принтера Gigabot в 2013 году, а затем Open Gigabot в 2015. Как подсказывает название линейки, предприятие специализируется на крупноформатных 3D-принтерах.
Не стал исключением и новый аппарат Gigabot X – по сути вариант флагманского Gigabot 3+, но с новым экструдером. В настоящее время компания выпускает три варианта 3D-принтера третьего поколения, отличающиеся размером области построения – 590х600х600 мм (Gigabot 3+), 590x760x600 мм (Gigabot 3+ XL) и 590х760х900 мм (Gigabot 3+ XLT).
Инженеры re:3D изначально ориентировались на создание систем для 3D-печати пластиковыми отходами, и не только из соображений экологичности, но и экономии. Разработчики постепенно продвигаются к цели, а следующий этап – переход на печать гранулятом, ведь себестоимость филамента в сравнении с гранулированным пластиком той же массы с легкостью вырастает на порядок. Кроме того, гранулированный пластик доступен в более богатом ассортименте, чем готовые филаменты.
Появление первых 3D принтеров поспособствовало ускоренному развитию сегмента IT. Уникальность оборудования, способного воспроизводить конструкции в трехмерном формате, стала причиной его высокой стоимости.
Поэтому появление самодельных устройств, обладающих подобными функциями, не стало неожиданностью. Их используют в бытовых условиях, а при работе с ними требуется расходный материал. Чаще к нему относят нитевидный пластик, к примеру, ABS или PLA. Человек, который хочет своими руками собрать 3D принтер или его отдельную часть (экструдер), должен обладать необходимыми знаниями и опытом. Он обязан знать о калибровке экструдера, охлаждении Cool-end и Hot-end.
О чём пойдет речь:
Механические компоненты
Детали для сборки реально приобрести в комплекте, но те, кто не ищут легких путей, часто решаются на самостоятельное изготовление. Им понадобятся:
- крепежные детали для формирования каркаса;
- рабочая площадка;
- устройство для нагрева и регулировки температурного режима;
- направляющие из металла;
- шестерни для электроприводов;
- экструдер.
Главной трудностью при изготовлении 3D принтера считается правильная конфигурация последних трех элементов. Большое значение имеет привод, который устанавливают для передвижения платформы на одной оси. Вторая становится залогом перемещения печатающей головки.
Самостоятельная сборка механической части осуществляется благодаря использованию листов из фанеры, шурупов подходящего размера и зажимов, обеспечивающих фиксацию. На фото стандартный набор для изготовления 3D принтера с двумя печатающими головками.
Электротехнические составляющие
Особенностью конструкции является экструдер нити для 3d принтера. Благодаря ему происходит выход расходного материала и непосредственно создание рисунка. Чаще его не рискуют делать самостоятельно, а приобретают в специализированных магазинах. Сборку начинают с подготовки необходимых деталей.
К его функциям относится подача филамента (нити из пластика). Он состоит из электрического мотора, прутка и шестерней. Нити намотаны на предусмотренную для этого катушку.
Hot-end
Он представляет собой дуэт сопла и элемента для нагрева. Филамент проходит через последний и изменяет агрегатное состояние, превращаясь в вязкую массу, которая после выдавливается с помощью сопла. Завершающим этапом становится послойное нанесение данного состава.
Детали этой части 3d принтера с двумя экструдерами производятся из сплавов латуни или алюминия. Благодаря этому тепло проводится достаточно быстро. Блок состоит из проволочной спирали, термопара (он регулирует температуру) и двух резисторов. Охлаждение элеватора осуществляется из-за термоизолирующей вставки. Она располагается между Cool-end и Hot-end. Данная деталь изображена на фото.
Сборка экструдера
Производство экструдера для 3D принтера своими руками происходит следующим образом.
Подбирается двигатель
Чаще данную деталь заменяют рабочим мотором от принтера или сканера, приобрести его можно на радиорынке.
Если двигатель для экструдера оказался слишком слабым, дополнительно потребуется редуктор. Подходящей заменой покупной детали станет та, что ранее была частью шуруповерта. Также редуктор понадобиться экструдеру прутка для 3d принтера. Присоединение двигателя происходит за счет корпуса, прижимного ролика и хот-энда, располагать их нужно как на фото.
Регулировка прижимного ролика
Обязательным условием является продуманное взаимодействие этого элемента и пружины. Последняя устанавливается из-за возможных недочетов в расчете параметров прутка 3D принтера.
Слишком сильное сцепление нитей с механизмом подачи провоцирует отделение частиц расходного материала.
Создание хот-энда
Его гораздо проще приобрести, большинство мастеров так и поступают. Для самостоятельного изготовления потребуется чертежи, которые можно скачать из интернета. Для радиатора понадобиться алюминиевый сплав.
Этот элемент отводит теплый воздух от ствола прибора, который представляет собой полую трубку. В ее функциях соединение элемента нагрева и радиатора. Это предупреждает перегрев принтера.
Удачным вариантом считается светодиодный радиатор, при этом охлаждение прибора будет происходить с помощью вентилятора. Ствол хот-энда 3D принтера представляет собой металлическую полую трубку. При создании экструдера необходимо учитывать время плавления нитей. Если они плавятся раньше, чем положено, то произойдет засорение сопла.
Сборка элемента нагрева
В первую очередь понадобиться алюминиевая пластина. В ней делают ходы для крепления терморезистора, хот-энда и резистора.
В принтере, работающем в формате 3D, может быть больше одного экструдера, например, как на фото. Данный факт следует учитывать при создании чертежа устройства. Функциональность такого оборудования на порядок выше, чем у стандартного, например, печать в двух цветах и изготовление конструкций из растворимых полимерных материалов.
К завершающему этапу создания 3D принтера своими руками относят калибровку экструдера, подключение электроники, регулировку процесса печати, внедрение подходящего ПО.
Обзор принтера Bigrep One
Данная модель характеризуется наличием двух экструдеров, наличием подогрева рабочей платформы и внушительными габаритами. Bigrep One (изображен на фото) предназначен для профессионалов, специализирующихся на производстве качественных изделий в 3D формате.
Еще одним плюсом 3d принтера Bigrep One 2 с двумя экструдерами считается его стоимость. На фоне цен на аналогичные устройства она более приемлема, поэтому пользуется большим спросом.
Отмечают следующие преимущества принтера Bigrep One:
- Рабочий объем 1,3 м3.
- Низкая себестоимость 3D моделей.
- Отсутствие необходимости в оснастке готовых изделий.
- Повсеместность применения.
- Экономичность и производительность.
- Наличие камеры 3D печати.
- Обширный ряд возможных филаментов (нити ABS и PLA, нейлон, гибкие эластомеры).
Bigrep One представляет собой новое поколение принтеров, употребление которых расширяет сферу использования 3D технологий.
Вывод
Экструдер – это значимый узел 3D принтера. Он влияет на качество готовых предметов, саму процедуру печати. Неполадки в нем влекут за собой потерю дорогостоящих нитей из пластика. Недочеты в расчете диаметра прутков, отсутствие калибровки, неправильное расположение осей корпуса приводят к отрицательным результатам производства. Пример на фото.
Поэтому, перед тем как начинать сборку принтера, проведите обзор возможных конструкций этого устройства, определите точные параметры прутка и количество экструдеров (один, два или более).
Экструдер является одним из самых важных узлов 3D принтера. От его работы зависит не только качество печатаемой детали, но и успех процесса 3D печати в целом. Ведь известны случаи, когда процесс печати на 3D принтера аварийно прерывается именно из-за неполадок в механизме экструдера 3D принтера, заставляя выбрасывать в мусорную корзину уйму дорогущего пластика.
Именно поэтому создавая экструдер для 3D принтера своими руками, нужно подойти максимально ответственно к этому процессу. И не смотря на то, что экструдер 3D принтера представляет собой довольно примитивную конструкцию, малейший недочет в ней может привести к описанным выше неприятным последствиям.
Я все откладывал и откладывал изготовление экструдера, но вот мой 3D принтер уже почти готов, а экструдера все нет! Откладывать больше нельзя, поэтому начинаем делать экструдер 3D принтера своими руками.
Основная задача экструдера 3D принтера — подача прутка в разогретое сопло (HotEnd). Количество подаваемого пластика должно очень точно совпадать с рассчитанным в слайсере (специальной программе для нарезки печатаемой детали на слои). Если пластика будет подаваться больше, чем надо, деталь получится неровной, волнистой. Ее может вовсе сорвать со стола, если сопло в процессе печати ударится об излишки пластика, которого вообще не должно там быть. Если пластика будет подаваться меньше, чем надо, то слои могут вообще не склеиться между собой, и у печатаемой детали будет одна дорога — в мусорную корзину. Если, конечно, у вас нет собственного . С таким экструдером испорченную деталь можно размолоть на гранулы и надавить из нее пруток повторно.
Еще экструдер может случайно перегрызть пруток. Его может заклинить в канале подачи. В общем, с ним может произойти все, что угодно! Всего и не предусмотришь. Поэтому иногда даже не хочется браться за изготовление экструдера для 3D принтера, но деваться некуда — делать придется!
Конструкция экструдера проста до безобразия. Шаговый двигатель с надетым на его вал зубчатым колесиком проталкивает пластиковый пруток в трубочку. Чтобы колесико не проскальзывало по прутку, его поджимают с другой стороны другой штучкой, обычно подпружиненной.
У меня в качестве зубчатого колесика под рукой оказалась обычная латунная шестеренка. Я пробовал использовать пластиковую шестеренку, но она никак не хотела цеплять пластиковый пруток, и постоянно проскальзывала. Отсюда я сделал вывод, что толкатель прутка должен быть обязательно металлическим, чтобы зубчики вгрызались в пластик.
Но тут есть и опасность. Если мы будем слишком сильно вгрызаться в пруток, то есть вероятность его перегрызть! Поэтому, конечно, хорошо бы иметь колесико с остренькими, но как можно более маленькими зубчиками
В интернете я встречал варианты изготовления экструдера для 3D принтера своими руками, где в шестеренке экструдера протачивали полукруглую канавку. Так по идее должна была увеличиться площадь соприкосновения, да и пруток будет зафиксирован и не съедет никуда с такого экструдера. Я тоже попробовал проточить свою шестеренку, но в результате получил проскальзывание прутка. Еще бы — ведь я в итоге просто сточил остренькие зубчики, и они перестали вгрызаться в пластиковый пруток.
Хорошо у меня был второй моторчик с такой же шестеренкой. На нем я заточил зубчики поострее при помощи надфиля. Но для более острого колесика пришлось ослабить поджим прутка пружинкой, чтобы его зубчики не перекусили пополам.
Шаговый двигатель для экструдера 3D принтера я взял из старого принтера. Маркировка его указана на фото. Угол поворота на один шаг у него оказался 3,6°, поэтому на один оборот он делает всего 100 шагов. Это обязательно надо учитывать при настройке экструдера 3D принтера в прошивке контроллера управления.
Также делая экструдер 3D принтера своими руками никак нельзя рассчитать подачу на один оборот шагового двигателя. Если померить диаметр шестеренки экструдера и применить формулу L = π*D, то мы получим лишь примерное расстояние, которое пройдет пруток пластика при полном обороте подающей шестеренки. Тут совершенно не учитывается глубина «вгрызания» зубчиков в пластик. А какая это глубина — да кто ж его знает! У меня по расчетам получилась подача 28 мм на один оборот, а экспериментально я подобрал что-то около 23 мм.
Теперь про то, куда подается пруток. В своей статье про я писал о том, что для максимального облегчения печатающей головки я решил сделать выносной экструдер с подачей через фторопластовую трубку. Это так называемый Экструдер Боудена (экструдер Эрика Боудена). С такой конструкцией экструдера 3D принтера можно добиться максимальных скоростей печати с высоким качеством, потому как приводным механизмам 3D принтера не придется таскать тяжелые шаговые двигатели.
