3д печать
тел.: +7 903 310 0081

Экструдеры пасты

Беглый перевод статьи из журнала RepRap Magazine.

Я начал заниматься экструдерами пасты в нашей дизайн-студии «Unfold» в конце 2009 года, потому что мы занимались идеей 3д печати керамики путем экструзии тоненьких глиняных нитей, процесс очень похожий на традиционную технику, называемую намоткой.
Тогда мы начали работу с поколением Дарвин (1е поколение 3д принтеров RepRap), и в продаже почти не было reprap-производных наборов для сборки. В reprap wiki было изрядное количество разговоров об экструдере пасты, в основном для печати поддержки, электрических цепей, электродвигателей и керамических инсуляторов для хотэндов. И если вы хотите знать, то проект reprap начинался именно с экструдера пасты. Это можно проверить в блоге reprap, 23 марта 2005 года там была размещена фотография прототипа небольшого шприцевого насоса. Сейчас ее там нет, но если все же вам любопытно, то копните поглубже с помощью Internet Archive Wayback Machine.

Но затем интерес к экструдерам пасты быстро угас, технология FFF (Fused Filament Fabrication — распространненый сейчас метод печати путем расплавления пластикового прутка) показывала отличные результаты. К тому же необходимость печати поддержки можно устранить правильным дизайном детали, так чтобы ее можно было распечатать вовсе без поддержек.
Значительно вырос потенциал проекта RepRap, как серьезного 3д принтера. Появились десятки коммерческих проектов выросших из reprap и наборов для самостоятельной сборки, давшие старт революции домашней 3д печати. Взрывной интерес публики к 3д печати несколько отвлек от оригинальной идеи Эндриана Бойера создать самореплицирующую машину в сторону создания 3д принтеров профессионального класса, которые являются более отказоустойчивыми, стандартизованными, их легче использовать и техническое обслуживание проще.
Я никогда не был заинтересован в разработке аппаратных средств и, честно говоря, мне не хватает для этого навыков. Меня волнует новый «язык форм» созданный с помощью этого инструмента и его применения. Именно из-за этого я продолжал исследования экструдеров пасты.
В этой статье я хочу показать развитие эксрудеров пасты с неинженерной точки зрения, и показать различные их варианты прототипов.

1. Stepper-Driven Syringe Pump — Шприцевой насос с шаговым двигателем

Как следует из названия шприцевой насос использует двигатель, чтобы толкать поршень внутри шприца. Иногда их называют «Direct drive». У нас есть несколько различных вариантов. “Fab@Home Model 1 Syringe Tool” использовал дорогой линейный шаговик. Прочие модели использовали обычные шаговики с некоторым набором дополнительной механики, вроде зубчатой передачи. Ранние примеры этого подхода использованы в Fab@Home Model 2 Syringe Tool, Zach Hoeken’s Frostruder MK1, Viktor’s(VMX) Syringe Tool. И совсем недавно в моделях David’s Paste Extruder и Universal Paste Extruder от RichRap.
Концепцая очень проста. Хотите опустошить шприц? Просто нажмите на поршень с помощью мотора! Наверное эта простота объясняет популярность данного подхода. Но у него есть недостатки. Первый из них это то, что экструдер становится громоздким. Общая высота экструдера должна быть по крайней мере в 2 раза больше длины шприца, чтобы было место под поршень, и должно еще быть место для механики. 60 мл шприц с поршнем превышает по длине 30 см. Добавьте дополнительные насадки на двигатель, сопло и ваш экструдер легко может оказаться выше 40 см.
Предпринимались различные попытки уменьшить конструкцию. Для примера, в универсальном экструдере пасты от RichRap поршень толкается за счет вытягивания ремня. К сожаленью его крошечного 10 мл шприца едва хватает для печати печеньки. Bonsai-Brain подготовил версию с 20 мл, но по его же словам — это просто чудовищная конструкция! Требуется такой крутящий момент, что используется шестерня четвертной передачи. Но емкость шприца очень важный фактор. 60 мл один из крупнейших стандартных объемов, но в него помещается всего около 40 мл керамической глины, чего достаточно для печати маленькой кофейной чашки. Для всего более крупного требуется больший объем шприца, либо набор шприцов, что означает еще больший и сложный экструдер. Можно попробовать менять шприцы на середине печати или както убирать шприц, но это не является наиболее эффективным решением.

Другой неприятной проблемой является то, что конструкции шприцев разных производителей рознятся. Ваш экструдер, разработанный под конкретную модель, может не работать с другим размером шприца либо со шприцом другого производителя.
Некоторые разработчики предложили что-то наподобие Боудена, проталкивать массу через PTFE-трубку. Тогда громоздкую конструкцию можно вынести за пределы принтера. Правда растет сила трения и требуется еще более увеличивать крутящий момент. Тем не менее теоретически можно использовать даже гигантские 310 мл, что хватит для печати автоматного рожка.
Другим недостатком шприцевого насоса является то, что контроль объема экструзии путем давления на всю массу — не совсем хорошая идея. Этот подход может работать с небольшими 10 мл шприцами, но конструкция становится слишком громоздкой, когда мы пытаемся смасштабировать ее до 100 мл и более. Это сродни тому, если бы вы пытались печатать не вытягивая пластиковый пруток из бабины, а толкая весь моток с самого его конца. Когда мы масштабируем шприц, диаметр его поршня также растет, и становится все труднее выдавливать малые дозы с прецизионной точностью. Смещение поршня на миллиметр, при удвоении его диаметра, увеличивает количество экструдированного материала в 4 раза. Зависимость квадратичная! Поэтому резко вырастает требование к качеству приводного механизма. Это также увеличивает время старта и остановки экструзии, мы видим что уже на 20 мл шприцах часть материала сочится.


Требуется большое усилие, чтобы протолкнуть массу через шприц. И чем более вязкая масса, тем большее усилие требуется. Используя пруток, мы можем, например, повысить температуру, для облегчения его продавливания сквозь сопло, с вязкой массой это не получится. Паста должна иметь достаточную вязкость при комнатной температуре, чтобы обеспечить стабильность печати. И при этом, если время печати велико, она должна суметь поддержать свою форму и не обрушиться под собственным весом. Это особенно важно для печати высокиз объектов. У нас были частые механические поломки, когда мы испытывали «RichRap=E2=80=99s Paste Extruder» вкупе с «Precious Metal Clay» (идеальный материал для маленького шприца) и наш собственный дизайн для объема 60 мл. Шестерни разболтались, шаговые двигатели пропускали шаги, ремни рвались, и в конце концов фиксатор шприца провалился под давлением.


На фотографии Fab@Home — Model_1.1 SyringeTool

Вы наверное удивитесь, если я скажу что-либо положительное о шприцевом насосе с шаговым двигателем. На самом деле, да! Он идеально «объемный», это важная характеристика любого экструдера пасты.
«Объемный» подразумевает, что можно рассчитать количество шагов двигателя для экструзии всей массы. Так же как и при экструзии прутка, вы можете рассчитать объем и массу выдавливаемую из шприца на один шаг двигателя. Это позволяет легко и просто контролировать процесс печати. Использользование шагового двигателя означает полную совместимость с распространенными наборами электроники и программного обеспечения. Universal Paste Extruder от RichRap — это отличный набор для первого шага и для тестирования различных материалов в небольших объемах.
Но для любой другой серьезной печати потребуется совершенно иной подход.

Один из потенциальных путей улучшить шприцевой насос и который, насколько нам известно, никто не реализовал, это использование небольшой камеры, что-то вроде шприца на 10 мл, с возможностью пополнения камеры со стороны. Когда поршень протолкнет всю массу наружу, печать останавливается, сопло отводится из печатной области, поршень втягивается и камера пополняется материалом из контейнер большой емкости под давлением, и, наконец, перед продолжением печати происходит выдавливание небольшого количества массы.
Клапан на линии питания будет переключаться между режимами выдавливать и пополнить. С некоторой ловкостью, использование двух чередующихся поршней может позволить печатать непрерывно. Такой подход мог бы сохранить простой объемный принцип, сохраняя при этом размеры небольшого экструдера и дать высокую точность.
Во второй части рассмотрим воздушные экструдеры «Direct Air Pressure Extruder». Выложу чуть позже. Оказывается, даже беглый перевод с перепечаткой занимает гораздо больше время, чем просто чтение оригинала))

комментария 2
Добавить комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться.