ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ РАБОТЫ 3D-ПРИНТЕРОВ И СПОСОБЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье раскрываются самые частые проблемы при использовании 3D принтеров, анализируются причины их возникновения, а также способы устранения, появившихся проблем. Помимо этого, в статье представлена альтернативная конструкция строения термобарьера.

Ключевые слова: 3D принтер, горло хотенда, засорение сопла, термобарьер.

В последнее время 3D принтеры стали широко использоваться во многих сферах нашей жизни. Они используются в авиастроении, медицине, архитектуре, ювелирной отрасли и космической промышленности. 3D-принтеры помогают дизайнерам, инженерам и даже обычным людям создавать сложные объекты способами, на которые не были способны прежние методы производства. Еще недавно модель установки стоила больших финансовых и временных вложений и только в последнее десятилетие 3D-печать стала доступна всем потребителям. Спрос на принтеры увеличился благодаря разработке современных отечественных и зарубежных моделей эконом-класса с интуитивно понятным интерфейсом.

За время использования 3D-принтеров стали видны проблемы, возникающие в процессе его эксплуатации. Наиболее частая из них это образование пробок в экструдере.

Экструдер состоит из сопла, нагревательного блока, термобарьера, радиатора и трубки, по которой проходит пластик, рис. 1. Экструдер подразделят на горячею (хотенд) и холодную часть (колдент).

Рисунок 1. Устройство типового экструдера

Существуют несколько причин образования пробок в экструдере:

1. Использование грязного филамента. Если вы не храните филамент в полиэтиленовом пакете, мелкий мусор и пыль могут попасть на филамент, а потом и в хотенд.
2. Еще одна распространенная причина засорения сопла — не соответствующий спецификации филамент. Допуски внутри хорошего хотенда близки к 2 мм, особенно в зоне термобарьера, поэтому, когда участок филамента увеличенного диаметра достигает термобарьера, он застревает, не успев расплавиться, что приводит к засорению. Экструдер начнет измельчать нить и пластик не будет экструдироваться через хотенд.
3. Плохое охлаждение экструдера, а именно в переходной части между хотендом и колдендом, также может привести образованию пробки в 3D-принтере во время печати, и это происходит из-за того, что филамент становится мягким на большом расстоянии. Обычно это происходит с дешевыми или плохо спроектированными хотендами, где термобарьер не справляется со своей задачей, не обеспечивая достаточную разность температур между горячей и холодной частью хотенда. Когда пластик плавится слишком рано, его распирает в трубке и экструдер не может его протолкнуть.

Способы решения данных проблем

Для предотвращения первой проблемы рекомендуется хранить филамент в полиэтиленовом пакете и избегать попадания пыли и влаги. Для защиты от засорения сопла можно также напечатать дополнительный фильтр для защиты от пыли.

Чтобы избежать второй проблемы, требуется использовать филамент от компаний, которые известны хорошими допусками на филамент. Один из лучших допусков на филамент — ±0,02 мм.

Для решение третьей проблемы необходимо установить такой термобарье, который способен изолировать теплую часть экструдера от холодной так, чтобы обеспечить нужную нам разность температур. Далее рассмотрим, какие варианты термобарьеров сейчас представлены на рынке, и определим их положительные и отрицательные стороны.

Виды темобарьеров

1. Цельнометаллические термобарьеры, (рис. 2)

Самые простые термобарьеры, как в использовании, так и в изготовлении. Из-за легкости в изготовления отличаются своей низкой стоимость. Конструкция цельнометаллическая, поэтому более надежна к внешним нагрузкам, чем представленные модели ниже. Однако есть существенный недостаток, из-за высокой теплопроводности, такие теплобарьеры не могут обеспечить резкий градиент температуры между хотендом и колдендом. Что ведет к образованию пробок.

Рисунок 2. Цельнометаллические термобарьеры

2. Тефлоновые термобарьеры, (рис. 3)

Решение использовать тефлон в качестве температурного изолятора до сих пор является наиболее популярным, так как обеспечивают достаточную разность температур, рис. 3. Тефлоновые трубки выдерживают температуру до 300 градусов Цельсия, что подходит для большинства популярных пластиков, таких как: PLA, ABS, PETG, HIPS и др.

Тефлоновая трубка имеет свой ресурс, со временем она плавиться, разбухает, подгорает и приходить в негодность. Поэтому её необходимо менять на новую. Хуже дело идет при работе с композитными материалами углеродные или стеклянные волокна, а также металлические включения. С ними срок службы тефлоновой трубки будет короче. При замене на новую тефлоновую трубку важно правильно подобрать размер, чтобы не образовался зазор. В противном случаи, туда попадет расплавленный филамент, а через некоторое время образуется пробка.

Рисунок 3. Тефлоновые термобарьеры

3. Биметалические термобарьеры

Биметаллические термобарьеры изготавливаться из двух разных металлов. Цель совместить лучшие качества каждого металла в одно целое. Горячая часть горла изготавливается из твердого материала с низкой теплопроводностью. Холодная, из более плотного и теплопроводного. Это сделано для реализации наиболее резкого температурного перехода от хотенда к колденту, который соединен с радиатором. Часто горячую часть изготавливают из титана, холодную из меди или латуни.

Сложность конструкции заключается в соединении двух разных металлов с разной температурой плавления. Место стыка оказывается наиболее уязвимым местом, не выдерживающие больших нагрузок. При сборке сломать такое горло гораздо проще чем монолитное.

Рисунок 4. Биметалические термобарьеры

4. Керамические термобарьеры, (рис. 5)

В таких термобарьерах, керамическая трубка, соединяет две части холодную и горячую. У керамики низкая теплопроводность, но высокая термостойкостью и твердость, поэтому она подходит для работы с инженерными пластиками.

Основная проблема заключается в установке керамической трубки в металлическом корпусе. Между частями делали не должно возникнуть зазора, при этом сцепка должна быть крепкая. Помимо этого, керамика очень хрупкий материал, а значить работать с ним нужно предельно аккуратно. Как показывает практика, данные теплобарьеры ломаются даже при относительно небольшой внешней нагрузки. А цена такого термобарьера выше, чем у другим представленных моделей.

Рисунок 5. Керамические термобарьеры

Оптимальная конструкция термобарьера

Проанализировав положительные и отрицательные стороны разных термобарьеров, мы предлагаем усовершенствованную конструкцию одного из видов термобарьера, рис. 6.

Рисунок 6. Конструкция термобарьера

За основу взят термобарьер с тефлоновой трубкой, в отличии от стандартной конструкции входной торец термобарьера, выполнен с переходом с 3,5 на 2 мм, это позволит исключить свободный ход трубки в соединениях с экструдером, вследствие чего повыситься жёсткость конструкции, тем самым исчезнет холостой ход филамента в экструдере, повыситься точность дозирования филамента и как следствие качество печати. Предложенная конструкция проста в изготовлении, а значит является более дешевой и долговечной, в отличии от других более сложных конструкций. Изготовлен из цельного металла, а значит более устойчив к внешним нагрузкам. Тефлоновая трубка имеет определенную длину 26 мм, она полностью входит в термобарьер и упирается в одну из его стенок. Трубка является расходным материалом, поэтому подготовка тефлоновых трубок по 26 мм является легкой задачей и при техническом обслуживании, позволит потребителю просто и быстро произвести замену.

Список литературы:

1. База знаний — [Электронный ресурс] — URL: https://www.3diy.ru/support/knowledge-base (дата обращения: 25.11.2023).
2. Термобарьеры — [Электронный ресурс] — URL: https://3d-diy.ru/wiki/3d-printery/termobarery-dlya-3d-printerov/#link5 (дата обращения: 25.11.2023).
3. Рэдвуд Б., Шофер Ф., Гаррэт Б. 3D-печать. Практическое руководство / пер. с анг. М. А. Райтмана. – М.: ДМК Пресс, 2020. – 220 с.: ил.
4. Дефекты 3D печати. Проблемы 3D принтеров: причины и решения — [Электронный ресурс] — URL: https://3dradar.ru/post/607/ (дата обращения: 25.11.2023).