Способ печати хотендом с фторопластовой трубкой при температуре сопла 300 градусов.

Хочу поделиться результатами экспериментов по печати нейлонами на моём Ender-е. Нейлоны я получил в качестве пробников, и почти для всех из них была указана температура печати 260-310 градусов :(

На всякий случай уточню, что мой принтер уже оснащён активной термокамерой и водяным охлаждением экструдера. Однако, его предельная температура печати - 260С. Она программно ограничена прошивкой, а физически - температурой деградации фторопластовой трубки хотенда, упирающейся в торец сопла.

Мне давно не давала покоя мысль, что раз принтер (хоть и на предельных режимах) хорошо печатает Nylon.htp, то пора его приобщать к более высокотемпературным пластикам. Решение же вначале напрашивалось одно: редактировать прошивку и менять горло на цельнометаллическое. А этого мне не хотелось - считаю фторопластовое горло очень удобным и универсальным. И, к тому же, ещё понадобилось бы менять термодатчик с нагревателем...

Новое решение появилось после обдумывания задачи: а что, если не греть нагреватель вместе с соплом до 300 градусов, а оставить нагреватель 250-градусным и догревать само сопло ещё на 50 градусов? Точнее - догревать лишь кончик конического участка сопла.

Кстати, надо сказать об одном важном обстоятельстве: все выше упомянутые пробники-нейлоны при температуре 250-260C свободно выдавливались из сопла. Выдавливались, наносились на модель и... практически не слипались в монолитную деталь :(( А чего ещё ждать от недогретого пластика?

С другой стороны, половина важного дела уже была сделана - пластик из твёрдого стал жидким и успешно покинул сопло - это хорошо!

Возвращаюсь к новому решению, опускаю историю рассуждений, и вот что получается:

Представим дюралевый нагреватель CR10 с температурой 300C и вкрученное в него стальное сопло MK8. Конический конец сопла (около 4 мм) погрузим в холодную среду для отбора тепла. Можно ли подбором свойств этой среды добиться в канале на выходе из сопла температуры на 50С ниже, чем в теле нагревателя? Да без проблем! Вот и путь к решению задачи.

Поскольку теплообмен обратим, давайте умозрительно прогревать конец сопла, вкрученного в 250-градусный нагреватель. Очевидно же, что температура этого кончика будет выше температуры собственно нагревателя, а градиентом температуры по длине сопла можно управлять, изменяя соотношение температур/мощностей нагревателей участков (сопла и CR10).

Получится как в термобарьере: ощутимый перепад температур на участке небольшой длины. В чём будет отличие от термобарьера? В том, например, что в термобарьере нам не обязательно знать точную температуру холодного участка, а у догреваемого сопла температуры торца и кончика надо знать обязательно. Вокруг этого и начнём выстраивать конструкцию.

Итак, требуется научиться прогревать кончик стального сопла и требуется измерять температуры сопла в области контакта с фторопластовой трубкой и в области кончика. Я выбрал вот какие решения:

1. Поскольку пока речь идёт об эксперименте, то греть сопло будем простейшим электронагревателем из нихромовой проволоки диаметром 0.4. С этого момента буду называть его «догреватель», чтобы не путать с нагревателем хотенда.

Сначала подготовим догреваемое сопло. Надеваем на коническую часть обычного стального сопла нержавеющую шайбу под М3. Она окажется на расстоянии от кончика около 2 мм. Припаиваем шайбу к соплу твёрдым припоем.

Берём кусочек термостойкой диэлектрической оплётки-чулка (я использовал стеклотканевую оплётку диаметром 2 мм). Вдеваем в оплётку нихромовый провод и наматываем два витка на сопло в желобок между шайбой и конической поверхностью сопла. Концы нихрома скручиваем с питающими проводами и обжимаем медными гильзами. Всего длина нихрома получается около 40 мм.

Питать этот догреватель будем переменным напряжением 1.2 В от трансформатора 20-Ваттного электровыжигателя. Догреваемое сопло готово.

2. Измерять температуры будем термопарами. Я выбрал дифференциальное измерение дифференциальной же термопарой. Практически, это значит, что мерять мы будем разность температур между двумя точками: кончиком сопла и блоком нагрева. Условно назовём эту разность дельтой сопла. Она будет положительной, если сопло горячей нагревателя.

Температуру нагревателя будем задавать/измерять как обычно, с помощью системы управления принтера.

Итак, свариваем две термопары из хромелевой и константановой проволоки диаметром 0.15 - 0.2 мм. Термопары соединяем между собой хромелевыми выводами (можно хромелевую проволоку вообще оставить цельной). Константановые концы получившейся дифференциальной термопары обжимаем медными гильзами с измерительными проводами. Готово.

Достаём из радиолюбительского арсенала микроамперметр (измерительную головку) на 25 мкА с нулём посередине. Не перестаю восхищаться: это механический прибор 1970-го года, и на его шкале указан класс точности для измерения 0.5 микровольт, и 1 наноампера! И он не китайский!! Ладно, восторги в сторону. Калибруем термопару по нескольким точкам в диапазоне 0-80С и убеждаемся, что результаты калибровки совпадают со справочной таблицей для хромель-константановых термопар. Значит сварили удачно, без скрытого брака).

Подключаем термопару к микроамперметру, один спай вводим в догреваемое сопло на всю глубину, второй спай оставляем висеть в воздухе. Запитываем догреватель. До 200С сопло нагрелось за 2 минуты. Пока это говорит только о том, что имеется запас по мощности догревателя. Но мы заранее рассчитываем, что во время печати будем питать его через ЛАТР.

Теперь начинается самое интересное.

Выкручиваем из многострадального принтера обычное сопло и вкручиваем вместо него догреваемое сопло. В нём один из спаев термопары прижат к коническому участку у конца в желобке намотанным догревателем. Второй спай пока висит в воздухе. Измерительная головка показывает исходный «0».

Первое измерение: задаём на принтере температуру сопла 100С. Показания микроамперметра начинают расти и останавливаются на 80 градусах. Всё правильно, недостающие 20 - это температура висящего в воздухе второго спая термопары. В корректности измерения температуры принтером теперь сомнений нет, т.к. ещё до прикрепления термопары к соплу я этой же термопарой поизмерял разные температуры нагревателя, и они совпадали с показаниями принтера.

Теперь второй спай вводим в контакт с нагревательным блоком. Микроамперметр возвращается в «0» - с этого момента он показывает дельту сопла. Постепенно повышаем температуру нагревателя, наблюдая за дельтой сопла. Во время нагрева она, как и положено, колеблется до минус десяти градусов. Когда нагреватель остановился на 250С дельта плавно вернулась в ноль.

Что ж, наступает момент истины. Задаём на принтере температуру сопла 220С. Это пока не максимум, чтобы случайно не перегреть фторопласт. Вот достигнуто тепловое равновесие: на дисплее видим измеренные принтером 220 градусов блока нагрева, а на микроамперметре - 0 дельты сопла. Подаём питание на догреватель... Триумф! Дельта сопла ползёт в плюс, а температура сопла на дисплее стабильно остаётся на 220С.

Надо перевести дух. Во-первых, мы получили сопло горячей, чем CR10, в который это сопло вкручено на целых 5 мм. Во-вторых, принтер без видимых проблем удерживает заданную температуру нагревателя, несмотря на приток «чужого» тепла со стороны сопла. Это ожидаемо, но всё равно приятно видеть.

Остаётся только подобрать мощность догрева для получения на нагревателе 250С и дельты сопла 50С. Подобрал. Напряжение ЛАТРа, через который запитан догреватель, получилось 200 Вольт.

Теперь напечатаем первую тестовую нейлоновую деталь соплом с температурой 300С. Вот она:

Сразу видно, что это не пучок соломы, получившийся из этого же нейлона в предыдущей печати при 260С. Вообще-то, внешне и по ощущениям рук деталь очень похожа на упомянутый в начале «Nylon.htp». Интересно, какие преимущества она покажет при детальном тестировании.

А пока, прежде чем публично объявлять эксперимент успешным, снимем догреваемое сопло и посмотрим (в зеркало, конечно) на торец фторопластовой трубки. Всё чисто - значит пластик не подтекал в стык между торцом трубки и торцом сопла. Торец белый - значит фторопласт не перегревался, не деградировал, не пригорал. Понятно, что это лишь поверхностная оценка, но она подтверждает справедливость рассуждений, на которых основывался эксперимент.

Вот и всё. Послушаюсь опытного Штирлица и скажу запоминающиеся последние слова:

* в этой статье был всего-навсего описан конкретный эксперимент

* цель эксперимента - убедиться, что на конкретном принтере можно успешно применить описанный способ печати

* описанная в эксперименте оснастка несовершенна, она изготовлена из подручных материалов и для единичных использований.

Но, по моему скромному мнению, развивать этот способ очень даже есть куда... :)