Изготовление пластика для 3d принтера своими руками. Экструдер для самостоятельного изготовления филамента

Поставила себе целью превратить технологию 3D-печати в общественное достояние и всеми силами способствует распространению дешевых и простых в работе 3D-принтеров и запчастей к ним.

Экструдер – это устройство для экструзии расплавленного пластика, который слой за слоем укладывается на платформу, постепенно превращаясь в трехмерное изделие. Надо заметить, что разработчики составили очень простые и понятные инструкции, чтобы любой желающий смог собрать свой экструдер. Сотрудники ATOM 3D собрали несколько прототипов, прежде чем удовлетворились полученным результатом, сборка которого и была описана в руководстве.

Для начала нужно найти необходимые материалы. К счастью, в основном список состоит из простых вещей вроде фанеры, болтов, гаек и алюминиевого лома. Однако в нем есть и несколько достаточно специфичных пунктов (например, нагревательный картридж и небольшой шаговый двигатель).

Когда все материалы будут у вас на руках, фанеру нужно разрезать и сделать из нее корпус для экструдера. Далее следует небольшое видео о том, как собрать экструдер. В нем наглядно показан каждый этап сборки, так что вы вряд ли запутаетесь. Весь процесс уложился в четыре минуты! Также ниже можно посмотреть фотографии 3D-принтера и экструдера ATOM 3D.

Достаточно высокая стоимость расходных материалов для 3d принтеров все еще остается серьезной проблемой, как для производителей, так и для потребителей.

Принтеры, способные превращать трехмерные чертежи в физические предметы из или ряда других материалов становятся все доступнее. Готовых 3d-моделей, становиться все больше, но без доступа к действительно дешевым расходным материалам, бурного развития рынка 3d-печати, по мнению специалистов, ожидать не стоит.

Шаг на пути снижения стоимости расходных материалов сделала британская компания Noztek, представив свою последнюю разработку: экструдер для ABS / PLA нити Noztek Pro.
Как отмечают в компании, большинство выпускаемых сегодня экструдеров существую лишь в виде комплектов для сборки, и доступны только энтузиастам. В отличии от них, Noztek Pro это экструдер, готовый к работе через 15 минут после распаковки. Все, что необходимо, это засыпать специальные гранулы и выставить на панели управления необходимые параметры экструзии.

Аппарат позволяет производить 1кг пластиковой нити за 45 минут используя гранулы для производства ABS и PLA пластмасс. В зависимости от температуры экструзии и типа используемого пластика аппарат производит до 1 м метра нити диаметром 1,75 мм с допустимым отклонением не более 0,04 мм.

В Noztek считают, что экономия для конечного потребителя составит около 70%.

Тестирование прибора проводилось именно на ABS и PLA гранулах, но это не значит, что его возможности на этом ограничиваются. По заявлениям компании некоторые клиенты с успехом используют HDPE, HIPS, UPV материалы. Кроме того экструдер способен перерабатывать другие виды пластмасс и даже сами 3d-модели.

Еще одним плюсом использования экструдера является более свободный выбор цветов нитей, экспериментируя и смешивая гранулы различных цветов можно добиться интересных цветовых решений, недоступных в продаже.

Команда инженеров Noztek непрерывно работают над улучшением скорости экструзии и повышением уровней допуска. Аппарат оснащен модернизированным мотор-редуктором и возможностью изменять скорость экструзии, именно это позволяет настраивать его для экструзии различных видов пластика. Экструдер разработан с учетом возможности дальнейшей модернизации, это означает, что пользователи в скором времени смогут приобрести обновление для контроля всего процесса с помощью USB интерфейса. Кроме того, компания планирует оснастить следующее поколение Noztek Pro механизмом для автоматической намотки нити на бухту.

Мы надеемся, что люди будут иметь возможность печатать столько моделей, одежды, инструментов, игр и так далее, сколько захотят, не беспокоясь о стоимости материалов.
Стивен Форстер

Технические характеристики

• Преобразует разнообразные пластиковые гранулы: (протестирован только на ABS и PLA) в нить толщиной 1.75mm или 3мм (Обе головки в комплекте)
• Температура экструзии: 180-220 Цельсия
• Допуски для нити: 1.75mm (+ 0,04 / — 0,04)
• Полностью собран и готов к работе прямо из коробки (не сборочный комплект)
• Производит до 1 метра нити в минуту (в зависимости от температуры экструзии и типа пластика)
• Производительность: 1 кг за 45 мин

Цена на экструдер Noztek Pro составляет: £595 ($992, €723)

Мнение редакции:
Сегодня на рынке стоимость 1 кг ABS нити для 3d-принтеров составляет 30-60 долларов (производство КНР, Россия), цена на нить производства США может составлять более 100 долларов. Стоимость цветных гранул для производства ABS пластика варьируется в пределах 3-4 долларов. При использовании вторичное сырья цена может быть еще ниже. Поэтому экономия от применения экструдеров налицо, остается только вопрос с качеством производимой нити.
сайт

Видео рабочего процесса Noztek Pro

Известный под ником ‘RichRap’, выложил в открытый доступ чертежи деталей и инструкции по сборке экструдера для гранулированного пластика. Он занялся разработкой Universal Paste Extruder еще в 2011 году. Теперь он надеется, что мировое сообщество по достоинству оценит его разработку и поможет улучшить ее. В случае успеха новый экструдер может стать отличной альтернативой для пользователей, которым не по карману излишне дорогостоящие материалы для печати.

Ричард Хорн “RichRap”

«Я испытываю искреннее удовольствие, когда вижу, как люди придумывают разные устройства для печати пастообразными материалами, – пишет Хорн у себя в блоге. – Применение гранулированных материалов для 3D-печати – это следующий шаг к упрощению и повсеместному распространению этой замечательной технологии».

Изначально Хорн экспериментировал с сахарным спиртом изомальтитом, который применяется в кулинарии. Так как он растворяется в воде, изобретатель решил, что он станет отличным поддерживающим материалом, если найдется способ превратить его в филамент. Потом он перешел к PLA-пластикам и экспериментировал с разными гранулированными материалами, в том числе производства ColorFabb .

Экструдер, собранный их напечатанных на 3D-принтере комплектующих и деталей, которые можно найти в любом магазине, является воплощением идеологии RepRap и самого Хорна. Дело в том, что в своей работе изобретатель всегда старается обойтись без фабричной обработки или дорогостоящего оборудования. Хотя экструдер Хорна далек от совершенства, он работает, так что это отличная точка отсчета, с которой может начать мировое сообщество разработчиков.

Хорн выложил чертежи для изготовления двух разных моделей экструдера. В основе одного из них лежит шаговый двигатель NEMA17 с 5-миллиметровым валом, второго – шаговый двигатель NEMA17 с планетарным редуктором и 8-миллиметровым выходным валом. Все инструкции можно найти на сайте YouMagine.com . Хорн напечатал все детали из ABS и даже попробовал покрыть некоторые из них металлом, чтобы они лучше выдерживали нагрев. Полное описание проекта можно найти

Продолжим на тему того, каким образом филамент подается в зону плавления (HotEnd"а).

На фото классический репраповский экструдер - родоначальник всех 3d-печатающих механизмов у самодельщиков.

Стоит отметить тот факт, что редуктор (с отношением не менее1:5) обязательно нужен для привода филамента диаметром 3,0 мм. Назначение редуктора - повысить момент на валу за счет уменьшения частоты вращения. Другими словами, будет крутить сильнее, но медленнее, а нам, как раз, большая частота вращения и не нужна - пластик должен успевать плавиться.
Если имеем дело с прутком 1,75 мм либо еще меньшего диаметра, то редуктор нам делать необязательно. Хотя, если используется совсем слабый двигатель (например, от старого принтера Epson, который я использовал поначалу), то редуктор все-таки придется делать.

На фото как раз такой двигатель и экструдер, сделанный на его основе из деталей от старых принтеров.

В промышленных 3D-принтерах экструдер выглядит очень даже похоже:

На фото сердце принтера компании Stratasys - тех самых товарищей, которые и придумали (и запатентовали) технологию печати расплавленным пластиком.

Есть, конечно, и более навороченные варианты, но они сложноваты в реализации, поэтому не годятся для самостоятельного (кустарного) изготовления:

Так как пластик 3 мм значительно (!) дешевле более тонких вариантов (к тому же распространеннее), то и привод мы будем делать, рассчитывая на более тостый филамент. А уже пластик 1,75 (и подобные) мы сможем "толкать" этим экструдером вообще без проблем. В этом случае потребуется лишь небольшая модификация хотэнда (об этом позже).

Итак.

Для начала нам нужен двигатель. Причем шаговый и очень желательно биполярный, иначе с управлением придется повозиться. Отличить его от униполярного (еще одна разновидность шаговиков) можно по количеству выводов. Их должно быть 4. В этом случае можно будет использовать типовой драйвер управления (Pololu). Схема такого двигателя:

Цвет проводов может быть абсолютно любым, поэтому проверяем где какие обмотки тестером. По поводу начала/конца обмотки - это мы будем определять экспериментально при подключении и движка.

В принципе, можно подключить и двигатель, который имеет 6 выводов - главное правильно определить где какие обмотки, после чего просто останется 2 ненужных провода, которые можно просто отрезать.

В данном случае у нас останутся неподключенными "желтый" и "белый" провода.

Из старых принтеров можно наковырять много полезного, но движки там стоят очень слабые, особенно в новых струйниках, поэтому годятся для применения только с редукторами с очень большим передаточным отношением. Вот пример таких двигателей:

Из всего этого многообразия для использования в качестве привода филамента пойдет разве что Epson EM-257 - он как раз имеет нужное количество выводов (4), а также более-менее неплохой момент на валу. Вот еще несколько подобных двигателей:

Они конечно слабоваты для нашей цели, и, в идеале, лучше использовать аналог Nema17 (тот, что применяется в оригинальном репрапе), зато их можно купить за копейки на любом радиорынке или выковырять из старого железа. К слову - не стоит брать за основу экструдера советские ДШИ-200, которые очень популярны у станкостроителей, т.к. они слишком тяжелые, чтобы их тягать в качестве печатающей головы.

Из доступных в России можно выделить сайт магазина "Электропривод" , на котором продают аналог Nema17 - FL42STH. Я выбрал для принтера двигатели FL42STH47-1684A, которые прекрасно подходят не только для экструдера, но и для привода всех осей.

Теперь нам необходим редуктор.

Понятно, что, чем меньше его габариты, тем лучше для нас - меньше будет общая масса печатающей головки, соответственно и скорость позиционирования (как и скорость печати в целом) будет выше.

Изначально планировалось использовать шаговый двигатель с планетарным редуктором промышленного изготовления, наподобие вот такого:

Но найти его в России по нормальной цене просто нереально, да и в Китае они продаются совсем не по доступным средствам, поэтому, как всегда, все своими силами.

Для себя я определил (в итоге) идеальный вариант - планетарный редуктор, вытащенный из старого шуруповерта, переделанный для использования с шаговым двигателем.

Донор выглядит примерно так как на фото. А в разобранном виде что-то вроде:

Фото не мое, но принципиально эти планетарные редукторы сильно друг от друга не отличаются. Поэтому ищем дохлый шуруповерт и вперед - разбирать.

Как и раньше, нам понадобится толковый токарь, который поможет насадить приводную шестерню от оригинального шуруповертного движка на наш шаговик. Также необходимо будет выточить крышку-корпус для подшипника выходного вала. Фотографии моего варианта выложу позже (придется разобрать готовый экструдер). Можно, в принципе, сделать чертеж крышки, которая была выточена из алюминия, хотя токарю обычно хватает простого объяснения "на пальцах" чего именно мы хотим от него получить.

Вроде бы пора брать фотоаппарат в руки и начинать детальную фотосессию всех тонкостей процесса, а то в интернете кончились картинки, которые идеально подойдут к моему описанию.

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.