Экструдер для 3d принтера своими руками

Температурный режим модели

Расплавленные полимеры, выдавливаемые из сопла экструдера, застывают постепенно, а потому они подвержены деформациям. Особенно это критично при наличии «мостов» в виде горизонтальных протяжённых перемычек с опорами по краям модели: ещё не застывшие полимерные нити неизбежно проседают и требуют создания дополнительных поддержек, которые после окончания печати придётся удалять. Но даже если модель печатается без «мостов», то у неё могут завернуться углы с малым радиусом кривизны, а у элементов небольшого размера – оплыть предыдущие слои, которые не успели затвердеть до момента нанесения следующего слоя полимерной нити.

Предотвратить подобные проблемы можно, если заблаговременно принять меры для скорейшего отверждения полимерной нити. Это можно сделать лишь одним способом: охлаждая объект с помощью дополнительных вентиляторов. Пользователь может выбрать любую из множества моделей вентиляторов, предназначенных для компьютеров

Очень важно выбрать для вентилятора такое место, чтобы поток прохладного воздуха обдувал модель равномерно, но не слишком быстро, и при этом не охлаждал подогреваемый рабочий стол

Некоторые FDM-принтеры оснащены защитными кожухами, которые оберегают пользователей от ожогов о разогретые части устройства. Но под такими кожухами создаётся замкнутое пространство, воздух в котором нагревается от горячей платформы и работающих двигателей. В таких условиях отверждение полимеров замедляется, и готовая модель испытывает повышенный риск деформации.

Применение технологии экструзии

Химическая промышленность. Почти все термопласты и их композиции могут перерабатываться экструзией в готовые изделия (пленки, трубы, оболочки изоляции, сайдинг, листы).
Производство комбикорма. Измельченное сырье для производства комбикорма поступает в экструдер, где подвергается уплотнению, сжатию и температурной обработке при температуре до 200 0 С. Этот способ переработки повышает питательность и усвояемость корма, сохраняет в нем витамины и препятствует размножению микроорганизмов.
Брикетирование твердого биотоплива. Переработка биомассы (торфа, угольной пыли, шелухи подсолнечника, отходов сахарного производства, соломы сои, щепы) и прессование ее в гранулы или брикеты производится на экструдерах;
Пищевая промышленность. Макароны, кукурузные палочки и хлопья, жевательная резинка и чипсы, соевые продукты— все эти продукты изготавливают с помощью пищевой экструзии.

Развитие экструзионного производства сейчас идет сейчас по трем направлениям. Это: усовершенствование существующего оборудования, применение новых композиций полимеров, совершенствование автоматизированных систем управления. Последнее направление представляется наиболее актуальным — уже сейчас в России появились установки оборудованные АСУ на основе микропроцессора. Они позволяют автоматически контролировать не только работу экструдера, но и системы подготовки сырья, калибровки и обрезки готовых изделий.

Ошибки и способы их избежать

После перезагрузки принтера калибровка не сохраняется. Причина: не была дана команда на запись изменений в ПЗУ EEPROM. По окончании калибровки и внесения изменений в параметры нужно запустить G-код M500.
После проведенных манипуляций качество печати изменилось незначительно или даже ухудшилось. Причина: неверно сделаны измерения. Для увеличения точности следует выполнять цикл замеров и высчитывать среднее значение, это позволит минимизировать погрешности измерения.

Калибровка экструдера даст возможность добиться высокого качества 3D-печати. Не стоит пренебрегать этим этапом настройки принтера. Педантичное следование алгоритму настройки и тщательное измерение необходимых для калибровки показателей обусловят максимально точный результат.

22 марта 2021
234

Виды

Шнековые. В них проволока для присадки плавится в шнековом резервуаре экструдерного аппарата и выдавливается сквозь стержень с винтовой поверхностью вдоль оси — шнек. Вместо проволоки используют и материал в гранулированном состоянии. Он находится в специальном отделении, где соединяется в однородную расплавленную массу и становится пригодным к подаче.
Безшнековые. Прут в этих моделях накаляется электронагревателями в участке нагрева. Задний конец проволоки в этом варианте остается твердым и подталкивает нагретый вязкий материал на участок образования шва.
Скомбинированные. В них совмещаются шнековы и безшнековый типы.

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.

Принтер Bigrep One

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.

Пролог

Немало поломано копий о том, какой экструдер лучше — direct или bowden. Лично мне bowden всегда казался подозрительным, поскольку сама идея как таковая проталкивать нить пластика через довольно длинную трубку, и при этом рассчитывать на хорошее качество печати, выглядит очень странно. Тем не менее, когда решил обзавестись 3D-принтером, выбор пал на самую популярную на сегодняшний день модель Ender 3 Pro с bowden-экструдером. В целом, выбором я остался доволен, принтер действительно хорош. Однако, желание испытать в деле direct-экструдер так никуда и не пропало. К этому дополнительно подталкивало намерение в перспективе попробовать печать гибкими резино-подобными материалами, для которых bowden не то чтобы совсем не подходит, но точно не лучший выбор. После некоторых изысканий по теме попалось вот это видео, в котором даётся обзор комплекта деталей, позволяющих переделать Ender 3 с bowden на direct-экструдер. Причём никаких дополнительных затрат не требуется, используются стоковые части и прошивка платы. Не радовало лишь одно — совсем немаленькая цена $39, плюс непонятно сколько за доставку. Многовато как-то для эксперимента, который ещё неизвестно чем закончится. К тому же, в наборе присутствуют пластиковые детали, никак не производящие впечатление надёжных.

Однако, ушлые инженеры из Китая идею уже позаимствовали и сделали свой набор. Почти такой же, только в четыре раза дешевле. О том, каков он оказался в деле, какие обнаружились проблемы и как их решить — поведаю далее.

Подающий механизм

Схема униполярного шагового двигателя

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.

Двигатели от принтеров

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.

Экструдер с прозрачным корпусом

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.

Экструзионные линии

В промышленных условиях экструдер является одним из основных компонентов всей экструзионной линии, которая помимо него включает ряд других установок и механизмов:

Система подготовки и подачи сырья — иногда полуфабрикаты необходимо предварительно высушить и откалибровать перед подачей в загрузочный бункер.
Система охлаждения — устанавливается на выходе из экструдера для ускорения полимеризации продукта. Она может быть различных типов, например, в виде системы воздушного охлаждения или охлаждающей ванны.
Механизмы, используемые для протягивания готового профиля через станок.
Системы маркировки и ламинирования с различными принципами работы.
Механизмы намотки и резки, придающие изделиям необходимую форму для хранения и транспортировки.

Для автоматизации процесса непрерывного производства могут использоваться и другие механизмы и технологическое оборудование.

Основные преимущества и недостатки двух типов экструдеров

И те и другие имеют как свои недостатки так и достоинства.

В direct экструдерах к весу печатающей головки добавляется еще и вес шагового мотора с механизмом подачи пластика. Лишний вес будет увеличивать силы инерции при остановке и разгоне печатающие головки, что может негативно сказаться на качестве 3D печати, особенно на высоких скоростях, а также вызывает повышенный износ элементов кинематики валов и подшипников. Зато подача и откат пластика (так называемый retract) происходит точнее, что делает настройку проще.

Bowden лишён недостатков direct экструдеров относительно лишнего веса, так как по каретке бегает только печатающая головка, что дает возможность печатать на более высоких скоростях. Но взамен мы получаем проблемы с точной дозировкой пластика, что усложнит настройку и калибровку.

Принцип работы экструдера

Само по себе такое оборудование представляет электромеханическое устройство, основным предназначением которого является осуществление процесса формовки профильных деталей из пластика или его полуфабрикатов. В своем составе общее устройство экструдера для пластика содержит следующие компоненты:

корпус системы нагрева полимерных материалов. В качестве основного источника тепловой энергии при осуществлении этого технологического процесса могут выступать обычные резистивные или индукционные системы. При использовании последних возникновение высоких температур происходит за счёт наведения на корпус высокочастотных индукционных токов Фуко;
узел нагрузки. Через этот элемент в полость корпуса различными способами поступает исходное сырье;
рабочий орган. Он создает в оборудовании необходимое давление, благодаря которому обеспечивается перемещение сырья непосредственно от узла загрузки до насадок, которые формуют из полимерных материалов готовые изделия. При использовании экструдера применяются разнообразные физические принципы, поскольку это устройство может иметь разные варианты исполнения — шнековый, дисковый, поршневый. В настоящий момент чаще других применяются шнековые экструдеры;
экструзионная головка. По-другому специалисты называют ее фильерой. Именно она обеспечивает форму изделий, которая получается по завершении технологического процесса;
механический привод. В этом оборудовании он представлен двигателем и редукторной системой. Благодаря ему обеспечивается создание и передача необходимого усилия на рабочий орган;
система контроля и управления. Благодаря ей обеспечивается поддержание необходимого технологического режима.

В качестве исходного материала обычно выступают гранулы и порошок. Они загружаются в оборудование, а далее под действием рабочего органа происходит их перемещение в рабочую зону корпуса. Там под воздействием давления, силы трения и температуры подаваемое извне исходное сырье нагревается, а в процессе его плавления возникает состояние, которое требуется по условиям технологического процесса.

Во время движения исходного сырья в полости корпуса происходит его тщательное перемешивание до состояния однородной гомогенизированной массы.

В условиях высокого давления происходит продавливание расплава при помощи формующих головок и сетчатых фильтров. В результате обеспечивается окончательная гомогенизация и придание материалу заданного профиля.

После этого материал естественным образом охлаждается или же применяется принудительный способ с последующей полимеризацией. В конечном итоге получаются изделия, имеющие необходимую конфигурацию и обладающие заданными механическими и физическими свойствами.

Самодельное устройство

Сварочный экструдер относится к сложным механизмам для профессионального использования. Его цена начинается от 30 тысяч рублей за самую простую модель, и может доходить до ста тысяч и более за мощную и высокопроизводительную. Отечественные разработки также представлены на рынке, они на 10-20% дешевле импортных, но все равно стоят достаточно дорого.

Поэтому при возникновении разовой необходимости сварить, к примеру, две водопроводных трубы (их обычный материал изготовления — полипропилен) проще воспользоваться экструдером, сделанным своими руками. Самый простой вариант конструкции представляет собой мощный строительный фен, снабженный насадкой для прутка — либо самодельной, из жести, либо промышленного изготовления.

Подача прутка в этом случае будет производиться вручную. Мощности фена хватит для его расплавления, но качество шва, конечно, будет ниже, чем у промышленных моделей.

Если позволяют возможности, фен можно соединить со шнековым или плунжерным приводом для подачи питания. В этом случае, если смонтировать приемную камеру, можно будет использовать гранулированное сырье.

Двигатель для привода рекомендуется коллекторный, так как работа экструдера подразумевает постоянное изменение крутящего момента. Двигатели других типов хуже выдерживают такой режим работы.

Общая информация

Этот аппарат работает по такой системе: нагретая воздушная масса, идущая из сопел экструдера и увеличивает температуру промежутка (канавы или стыка) между соединяющимися деталями, делая последние пластичнее.

Параллельно в рабочую зону аппарата подходит прут. Он плавится и соединяется с диском (его называют также шнек), образуя однородную пластиковую массу.

Через фильерный инструмент или сварочный башмак выходит расплавленная полимерная смесь. Шов получается, когда вся масса остывает до комнатной температуры. Это похоже на выдавливание кетчупа из упаковки.

Прут для сварки по этим характеристикам также должен быть похож на элементы.

Производство ПВХ-профилей

В настоящий момент востребованным видом изделий являются пластиковые и композитные профили. В большинстве случаев производители изготавливают их, используя метод экструзии. Для изготовления такой продукции в зависимости от применяемого материала, а также сложности и формы изделия задействуются одно- или двухшнековые аппараты, которые имеют соответствующие формовочные головки.

Ассортимент выпускаемых с использованием экструдеров изделий довольно широкий, начиная от тонких нитей и полос и заканчивая листами крупных панелей, которые имеют профиль сложной геометрии. Пластиковые окна и двери, выпускаемые сегодня многими компаниями, собираются с использованием именно ПВХ-профилей, которые изготовлены на экструзионном оборудовании.

https://youtube.com/watch?v=US7skJB9Q3o

При производстве ПВХ-профилей многие производители добавляют в полимерный состав специальные компоненты, что дает возможность изготовления сложных композитов. Например, сегодня многие производители выпускают дерево-пластиковые изделия, которые довольно часто используются для изготовления разных строительных конструкций.

Принцип работы экструдера

Чтобы понять, как работает экструдер, достаточно представить себе привычную мясорубку. Принцип действия этих устройств во многом совпадает. Экструдер представляет собой электромеханический аппарат, который состоит из нескольких главных блоков:

Цилиндр, в котором сырьё, перемешиваясь внутри, прогревается до заданной температуры. Уровень нагрева обычно устанавливается оператором. Он зависит от типа сырья, а точнее от температуры плавления полимера. Обычно это несложные резистивные системы, отличающиеся надёжностью и долговечностью. Так, на нагрев цилиндра используют кольцевые нагреватели.
Фильерная пластина (экструзионная головка), дающая готовому изделию форму. Она устанавливается на экструдерах, производящих профиль. В случае если производятся различного вида пластмассовые изделия, разогретая полимерная масса через сопло поступает в пресс-форму. Для нагрева сопла устанавливаются отдельные хомутовые нагреватели на сопло
Узел загрузки сырья. Через него гранулированное или измельчённое полимерное сырьё попадает внутрь цилиндра.
Рабочий орган. Сердцем экструдера является червяк (шнек) — вал с винтовой поверхностью, который, вращаясь, увлекает с собой сырьё, проталкивая его по цилиндру к формирующим насадкам. Это самый распространённый вид экструдера. Реже встречаются устройства, оснащённые поршневым рабочим органом, а также его дисковым аналогом.
Механический блок, состоящий из электродвигателя и системы редукторов, с помощью которых осуществляется вращение шнека в цилиндре.
Блок управления и контроля.

Возможно ли сделать самодельный экструдер для 3d принтера

Если вы все-таки решились самостоятельно смастерить экструдер к 3d принтеру, необходимо выбрать двигатель. Но, здесь возможно применение и старых моторов от принтера или сканера (рабочий, естественно). Если вы не уверены, с каким именно мотором лучше всего будет работать самодельный экструдер для 3d принтера форум со специалистами, в этой области, поможет вам во всем разобраться. Чтобы закрепить двигатель, необходим корпус из подходящего материала, хот-энд, а так же ролик – его функция прижимание. Чтобы сделать сам корпус, могут быть использованы разные материалы, как и его форму, вы можете сделать по своему усмотрению. Для регулирования прижимного ролика обязательно использовать пружину, так как по толщине прутик не обязательно идеально соответствует требованиям. Материал обязательно сцепляется с подающим компонентом. Но оно так же нельзя делать тесным, так как в этом случае частички пластика могут отколоться в процессе печати.

Хот-энд вы можете приобрести, хотя это и не самое дешевое приобретение, в таком случае самодельный экструдер для 3д принтера станет неплохим вложением денег. Хотя вы можете найти и изучить его чертежи и сделать самому. Итак, из алюминиевого сплава создают радиаторы, он необходим для отведения теплого воздуха от ствола прибора. Тогда можно будет легко избежать чрезмерного перегрева устройства во время печати. Очень практично использование светодиодного радиатора, а охлаждение производить вентилятором. Для создания ствола хот-энда используется полая трубка из металла. Она соединяет радиатор с нагревательным элементом.

Здесь тонкая сторона трубки играет роль термо-барьера, который не даст теплу проникнуть к верхней части экструдера. Ваша основная задача при создании хот-энде это не дать филаменту плавиться раньше положенного процессом времени, иначе сопло будет быстро засоряться. Источник http://chinatourr.ru

Для самостоятельного конструирования элемента нагревания в 3d-экструдере выбирается пластина из алюминиевых сплавов. В этой пластине сверлите дырку для того, чтобы закрепить хот-энд. После чего просверливаются отверстия для болтов крепления, резистора и терморезистора. Резистор нагревает пластину, а терморезистор, как раз эту температуру нагревания регулирует. Для создания сопла, как правило, используется гайка с закруглённым концом. Проще всего поддается обработке гайка из латунного или медного сплава. Болт закрепляется тисками, после чего накручиваете на него гайку и сверлите в центре отверстие. Это и есть способ не слишком хлопотного создания экструдера в домашних или полевых условиях.

Для некоторых моделей таких принтеров в оснащение входят два экструдера, это дает возможность печати изображения в двух цветах или создавать структуры из растворимого полимера. Но, если у вас получилось сделать один экструдер для 3d принтера своими руками то и двойной смастерить так же станет возможным.

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.

Блок Cool-end

К его функциям относится подача филамента (нити из пластика). Он состоит из электрического мотора, прутка и шестерней. Нити намотаны на предусмотренную для этого катушку.

Блок Cool-end

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.

hotend насадка

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.

Корпус экструдера

Кроме хотенда, в экструдере присутствует сам корпус с подающим механизмом, в котором используются различные зубчатые шестерни, подшипники, возможность регулировки прижима прутка. Корпус играет также немаловажную роль в выборе экструдера, так как благодаря выбору хорошей конструкции подающего механизма, вы сможете печатать без проблем не только обычными пластиками ABS, PLA, HIPS и другими твердыми материалами , но и гибкими (FLEX, резина).

Так какой же выбрать?

Мы пробежались по основным параметрам и характеристикам экструдера, и в следующей статье мы хотим рассказать про нашу разработку экструдера DOUBLE GEAR — TITAN PRO. В данном экструдере мы постарались учесть все нюансы и у нас это получилось!

Детали для сборки экструдера

О сборке принтера Mosaic из набора деталей от компании MakerGear рассказано в статье Собираем 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).