Свершилось!

     Всем привет и добро пожаловать в мой блог, посвященный созданию 3D-принтера своими руками. 

     Проект основывается на технологии Reprap. Если кратко - печать трехмерного объекта осуществляется при помощи наложения расплавленной нити пластика слой за слоем, согласно программе. Программа, называемая слайсером, "режет" модель на слои заданной толщины и на основе целого ряда параметров (толщина нити, температура плавления пластика, скорость перемещения) генерирует алгоритм позиционирования печатающей головки (экструдера). 

     Именно с этой части принтера я и начну более детальное описание.

     Экструдер - это основной механизм 3D - принтера, задача которого из пластикового прутка диаметром 3мм (бывает еще 1,75мм) получить расплавленную нить, которой мы и будем печатать. Экструдер состоит из двух основных элементов: механизма подачи и горячего сопла (hotend).

     На картинке один из самых распространенных экструдеров от компании MakerBot. 

     В интернете можно найти огромное множество разновидностей этого узла от самый разных производителей и умельцев (Гугл), у всех вариантов свои достоинства и недостатки, но принцип работы у всех одинаковый - выдавливать пластик через "горячий конец".
   

     Попробуем разобраться в том, как, не наступая на лишние "грабли", сделать экструдер своими руками.

     Для начала экспериментов нам нужен исходный материал, - тот самый пластик, которым мы впоследствии будем печатать. Правильное его название филамент и продается он в бухтах и мотках от 1 кг. Производится также в виде гранул, но их мы пока трогать не будем. Филамент для печати (чаще всего) используется двух видов:

- ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) - из него делается практически все, что есть под рукой из пластика. Он твердый и долговечный, его можно обрабатывать, красить и т.д. Важный для нас параметр - это температура, при которой можно печатать: 230°С. При печати присутствует запах, но токсичных веществ не выделяется.

- PLA (полиактид), который производится из кукурузы и сахарного тростника. Биоразлагаемый, соответственно, недолговечный и, к тому же, дорогой. Печатается при температуре около 180°С, источая сладковатый запах.

     Бывает также водорастворимый PVA пластик, но его гораздо труднее найти, да и используется он только для печати поддержки (о ней позже).

     Производится, в основном, в Китае, откуда его можно купить через ebay, но можно и в России, прямо у производителя: НПО ПЛАСТИК. У них, правда, меньше 6 килограмм за раз купить нельзя.

     Если самим не найти - пишите в комментариях свой email, вышлю почтой России по цене 1000 руб./кг. В наличии пластик семи цветов (черный, металлик, белый, красный, синий, зеленый, желтый).

     С пластиком разобрались, вернемся к экструдеру. Т.к. он состоит из двух частей, то и делать мы их будем по-отдельности. Начнем:

     На картинке "горячий конец" прототипа mk7 (вернее, его клон от компании QU-BD). Его мы возьмем за образец того, к чему мы должны в итоге придти. Сразу скажу, что некоторые элементы проще купить готовыми, чем делать "на коленке". Ну или завести знакомство с неплохим токарем, готовым за идею (или за еду) помочь вам в этом деле.

     Почему именно этот образец был (в итоге) взят за основу? Предлагаю обсудить такое понятие как "термобарьер". Для чего он нужен и что это вообще такое.

     Термобарьер - это часть конструкции экструдера, которая отделяет горячую часть (сопло с нагревателем) от холодной (механизм подачи и крепление экструдера). Материал, который применяется для этих целей, носит название полиэфирэфиркетон (РЕЕК). Из особенностей - материал выдерживает до 300°С и при этом очень плохо проводит тепло, что нам в данном случае и нужно. Но, достать его в России практически нереально, а из-за бугра его привезут за очень дорого. Если планируется печатать только PLA, то, в принципе, можно использовать фторопласт. У некоторых его разновидностей температура плавления достигает 250°С. Для ABS в любом случае не пойдет, т.к. размягчается он при гораздо меньших температурах.
   
     Вот один из вариантов, созданный на основе фторопласта:

     Выглядит просто, делается тоже очень быстро (за исключением возни с наматыванием нихромовой проволоки).
     Печатать им конечно можно, но до сегодня ни один из вариантов на основе фторопласта не дожил. А самым удачным из них можно считать hotend, сделанный на основе Budaschnozzle от компании Lulzbot:

       Этот вариант был наиболее удачным, однако, из-за неточности изготовления сопрягаемых деталей в процессе печати пластик "вылезал" часто не там, где нужно. В итоге все это дело пришло в нерабочее состояние.

     В поисках вариантов я наткнулся на интересный образец:

     Это чудо называется Arcol.hu Hot-End v4. Здесь в качестве термобарьера применяется резьбовая шпилька из нержавеющей стали. И весь смысл применения нержавейки в ее низкой теплопроводности (относительно других марок стали). 

     Создатель самого знаменитого принтера Josef Prusa в итоге тоже пришел к варианту использования нержавейки: 

     Сложность тут только одна - очень трудно по всей длине шпильки (я использую М6) просверлить отверстие Ø 3,2мм (Это для пластика Ø 3мм. Для филамента Ø 1,75 мм отверстие делается диаметром 2 мм).

     Зато, в итоге, мы получаем hotend, способный без проблем выдержать высокие (более 300 градусов) температуры.

     С термобарьером вроде разобрались - закупаемся шпилькой или болтами М6 длиной от 40мм. Теперь надо определиться с соплом.

     Если делать как на последнем фото, то там термобарьер и сопло - один элемент:

     Категорически не советую так делать - намучаетесь в будущем. Сопло должно быть отдельным от всего остального, чтобы его можно было снять / почистить / поменять. Связано это с тем, что при печати некоторыми пластиками сопло забивается и вычистить его снаружи просто нереально. Поэтому мы остановимся на правильном варианте:

     Сопла лучше покупать готовые (например, в Китае). На момент написания цена на них была чуть больше 300 руб. Можно, конечно, изготовить и руками, но отверстие в 0,3 - 0,5 мм токаря сверлить не любят, а самому его сделать ровно по центру у меня получилось далеко не с первого раза.

     Теперь надо каким-то образом нагреть все это дело до нужной нам температуры (230°С). Идеально было бы использовать нихромовую проволоку в стеклотканевой изоляции:

     Если получится найти отрезок такой проволоки - изготавливаем из меди или латуни "бочонок" как на фото (высотой примерно 10мм, внутри нарезаем М6). Если есть в наличии обычный нихром (Ø 0,3 мм), можно попробовать его намотать, но это очень хлопотно, т.к. нужна хорошая термостойкая изоляция (Каптон). Снаружи это дело обязательно надо "залить" чем-нибудь застывающим, например, герметиком для каминов и вдобавок обмотать стеклотканью, чтобы сопло быстрее нагревалось и лучше удерживало тепло. 

     Мне показалось удобнее сделать блок из алюминия, в который вставляется нагревательный элемент. Самый простой варинт - использовать мощный резистор (5W 5,6 Oм)

     А лучше приобрести (все в том же Китае) нагревательный патрон, мощность которого при напряжении 12В составляет 40W, что очень даже неплохо:

     Кстати, комплект как на фото стоит в районе 1000 руб. Уже готовый к употреблению. Плюсом идет термодатчик. В качестве термодатчика везде используется NTC-термистор номиналом 100 кОм. Марка: B57560G104F. Термисторы с меньшим сопротивлением у меня не заработали, т.к. они имеют большую погрешность при высоких температурах. 

     Термодатчик (именно такой, как на фото) - это, пожалуй, единственная деталь в горячем конце, которую придется купить. Все остальное можно найти / сделать самому. 

     

     В следующей части расскажу как сделать "холодную" часть - привод филамента, а также начнем обзор того, чем все это дело приводить в движение, нагревать и контролировать.