Печатные войны. Эпизод IV. Новая надежда

Сегодня мы расскажем вам о том, по какому пути мы шли, разрабатывая собственный модуль печатающей головы для своего 3D-принтера, так как считаем, что это довольно интересный опыт. Началось всё с изучения проблем китайских печатающих головок. Основные их проблемы связаны с залипанием печатного материала, его проскальзыванием в приводном механизме и выходом из соединения экструдера. Проведя несколько ночей на форумах, мы установили причину — некачественный термобарьер между горячим соплом и холодной направляющей трубкой. Термобарьер на китайских комплектующих очень капризный и как будто специально сделан так, чтобы вызывать постоянные проблемы.

Для качественной 3D-печати необходим термобарьер минимальной длины, обладающий высокими теплоизолирующими свойствами. Это позволяет нагревать только те зоны экструдера, которые нужно, не передавая тепло на холодные. В этом случае печатный материал расплавляется непосредственно в сопле, перед выходом из экструдера, что существенно облегчает эксплуатацию и снижает вероятность застревания и вытекания пластика. На практике термобарьеры в «домашних» принтерах обычно значительно длиннее, чем нужно. Из-за этого точка плавления пластика смещается то в холодную зону, то в горячую, а это первый шаг к провалу. Простой и рациональный способ охлаждения — применение радиатора. Но само по себе наличие радиатора накладывает ряд конструктивных неудобств. Это проблемы с его креплением, качеством соприкасающихся поверхностей, с подачей/отводом воздуха. С подачей воздуха отдельные нюансы: воздух, очевидно холодный, берётся либо из рабочей зоны, либо извне.

Первый способ гораздо проще — вентилятор размещается в непосредственной близости от радиатора. Однако это неприемлемо для печати инженерными пластиками, так как для правильной усадки им требуется тёплый и сухой воздух. Для этого в «домашних» 3D-принтерах используют подогреваемый стол, который локально греет воздух вблизи области печати. Но на практике всё это работает далеко не всегда. Второй способ, с внешней подачей воздуха, накладывает ряд трудностей конструкторско-технологического характера, неминуемо увеличивающих стоимость принтера. Долгие ночи на форумах помогли нам сделать выбор в пользу первого способа.

Мы заменили материал трубки термобарьера со стали на фторопласт. Этим мы хотели получить возможность сделать закрытую рабочую область с дополнительным обогревом. В итоге оно даже как-то работало, но всплыли разные проблемы с вытеканием пластика из соединений фторопласта с металлом. Дальше — только лучше. Мы обнаружили новые проблемы нашей головы: сопло неактивного материала цеплялось за свеженапечатанный материал. Нас снова ожидали долгие ночи на форумах. Вскоре вторая версия головы уже была в наших руках. Она максимально переняла в себя всё из первой за исключением того, что экструдеры стали теперь непараллельными, появился развал и механизм качения, который попеременно один из экструдеров ставил вертикально.

При тестировании мы обнаружили, что разработанный термобарьер не выполнял своего прямого назначения — пластик постоянно залипал и сочился из всех щелей. Настал переломный момент, навсегда изменивший нашу стратегию и подход к делу. После уймы проблем со второй версией бюджетной головы мы решили уйти от китайских комплектующих, уйти с форумов с обсуждением «домашних» принтеров и сосредоточить своё внимание на промышленный уровень. Задача звучала чётко: создать 3D-принтер, который печатает любыми пластиками «из коробки» и не доставляет пользователю никаких проблем. Реализация такого наполеоновского плана ставила перед нами всё больше и больше инженерных задач. Нам требовалась серьёзная переработка конструкции. Создание третьей версии головы было лишь вопросом времени. Первый макет нового экструдера показывал существенный прирост скорости подачи материала. Отсутствие каких-либо проблем, например залипания пластика, позволяло говорить, что мы на правильном пути.

Однако при испытаниях у нас получилось настроить только один экструдер, второй по разным причинам переставал нормально функционировать. Причиной стала наша излишняя экономия. Из-за ограниченных ресурсов и желания максимально увеличить технологичность деталей оказалось, что диапазоны калибровки экструдеров недостаточны для одновременной работоспособности обоих. Это потребовало очередной переход к более точным, а следовательно, и дорогим деталям. Четвёртая голова получилась суровой, точной и дорогой, но, в отличие от всех прошлых версий, она работала. Теперь проблемы с печатной головой отступили с переднего плана и открыли нам все остальные.

Началась переработка печатного стола. Благодаря подогреву рабочей камеры мы отказались от его подогрева. Наша задача «печатать из коробки» требовала уйти от калибровки стола пользователем, заменив на разовую калибровку при сборке. Благодаря этому на голове появился датчик для автоматического выравнивания минимальных отклонений программными средствами без участия пользователя. Именно этот датчик показал всю кривизну стола. Конструкцию стола потребовалось переделать, в очередной раз повышая стоимость. Сейчас наш стол представляет собой фрезерованное алюминиевое основание с вакуумным захватом подложки. В настоящее время проводятся испытания с различными материалами для достижения лучшей адгезии пластика с подложкой.

Началась разработка собственных сопел. Модернизация китайских сопел показала свою неэффективность в связи с их изначально низким качеством изготовления. Да и минимальное отверстие сопла — 0,2 мм — нас не устраивало. В настоящее время мы активно работаем над технологичностью сопел. Сейчас наша голова с лёгкостью переключает активные экструдеры и печатает любым из них. Температура в рабочей камере стабильно держится в нужном диапазоне. Макет 3D-принтера полностью функционирует с точки зрения конструкции, но аппаратные и программные средства её требуют доработки. Дизайн и интерфейс управления также в процессе разработки. Следующим этапом работы станет первый опытный образец, который планируется представить широкой публике.

Тормозит разработку устоявшийся стереотип, что отечественных разработок нет, а если они и есть, то это калька с иностранных. Это мешает привлечению инвесторов и приводит к практически полному отсутствию внешнего финансирования. Несмотря на это, наша работа продолжается, а надежда на создание 3D-принтера, полностью разработанного и изготовленного в нашей стране, уже давно не кажется фантастикой