Многоцветная FDM 3D печать. Разновидности

Многоцветная FDM 3D печать

В этой статье мы поговорим об ФДМ печати в её более продвинутых вариантах, которые связаны с использованием нескольких нитей филамента одновременно. Тема довольно разносторонняя и неоднозначная. Использование нескольких нитей пластика может обеспечить ряд преимуществ, таких как:

• Отделяемые поддержки
• Дополнительные возможности для креатива при 3D печати
• Повышение удобства постобработки свеженапечатанных 3D моделей
• Улучшение механических характеристик результатов 3D печати, возможность повышения функционала напечатанных моделей
• Уменьшение расходов на материалы.

Однако, печать с использованием нескольких нитей пластика – штука непростая, и на практике нередко сопряжена с разного рода трудностями.
Для того, чтобы обеспечить такой процесс печати, разработано немало различных технологических решений. Они находятся в разных ценовых диапазонах. Некоторые из них являются модификациями, которые можно установить на большинство 3D принтеров самостоятельно, другие же, напротив – должны быть заложены в 3D принтер на стадии его проектирования. Все эти технологические решения варьируются по себестоимости и своему функционалу, и далеко не все из них предназначены обеспечить все перечисленные выше преимущества.
Давайте начнём с самых простых вариантов совместного использования нескольких нитей филамента при 3D печати.

Купить 3D принтеры как многоцветные так и одноцветные можно в магазине https://3d-diy.ru/catalog/3d-printery/

Друзья, напоминаю, что эта статья есть в формате видео на нашем YouTube канале!

Разветвитель тефлоновой трубки

Итак, самый простой способ получить многоцветную печать – это использовать разветвитель тефлоновой трубки. Для этого необходимо иметь два шаговых двигателя, два механизма подачи, сам разветвитель, и плату управления принтера, на которой хватит разъёмов для управления двумя механизмами подачи. Через разветвитель обе пластиковые нити подаются по очереди в обычный хотэнд, и мы получаем двухцветную печать. В настройках такого устройства надо будет настроить большие ретракты при переключениях цвета, чтобы нити не сталкивались друг с другом. Так как лишний расплавленный пластик будет оставаться в канале хотэнда, для качественной смены цветов нужно будет использовать и вспомогательную башенку. В связи с долгими ретрактами и необходимостью печатать башенку данный способ печати работает довольно медленно, и если сравнивать с аналогичной одноцветной печатью, длительность двухцветной примерно в два-три раза больше. Однако этого довольно простой способ получить двухцветную печать, поэтому мы решили не обходить его стороной.

Смешивающие хотэнды

Взгляните на эти хотэнды. В радиатор поступают несколько нитей пластика, однако в нагревательный блок установлено только одно сопло. Это так называемые миксеры. В большинстве случаев такие хотэнды используются в боудэн системах, чтобы облегчить каретку печатной головы. Разновидностей таких смешивающих хотэндов немало, они различаются по форме и количеству нитей которые можно использовать одновременно. На сайте reprap.org можно найти проект миксера шесть в одном, ссылку мы добавим в описание.
Возможность установки такого хотэнда может быть ограничена возможностями платы управления на 3D принтере. Дело в том, что для каждой нити пластика необходимо использовать свой механизм подачи с отдельным шаговым двигателем, а шаговик должен управляться с этой самой платы принтера. Соответственно, на плате должно быть достаточно портов для подключения всех этих шаговых двигателей.
Со слайсерами тоже не совсем простая ситуация. Большинство слайсеров могут обеспечить печать несколькими цветами через миксер, с использованием черновой башни. Но далеко не все слайсеры поддерживают функцию смешивания цветов, благодаря которой можно получать красивый градиент благодаря параллельному использованию сразу нескольких нитей пластика. Смешивание цветов подразумевает более сложную настройку потока каждой пластиковой нити, с возможностью параллельной экструзии в хотэнд сразу нескольких нитей.
Основной плюс смешивающих хотэндов заключается как раз в смешивании нитей пластика разных цветов. Если печатать на нём цветную модель без градиента, на полный переход с одного цвета на другой будет уходить довольно много времени, потому что для этого канал хотэнда должен полностью очиститься от первого пластика, и заполниться другим. Если бы каналов для филамента и сопел на выходе было больше, то смена цвета пластика происходила бы быстрее.

Хотэнды с несколькими независимыми каналами

Что ж, давайте перейдём к хотэндам, которые могут решить проблемы смешивающих хотэндов. На каретку печатной головы можно расположить хотэнд, содержащий несколько независимых каналов подачи пластика или уместить несколько независимых хотэндов одновременно, главное – не получить слишком большой вес печатной головы, так как это негативно отразится на качестве напечатанных моделей. Таким образом, нити пластика при печати не будут смешиваться внутри хотэнда, что ускорит процедуру переключения цвета пластика. Если для каждой нити филамента будет использоваться свой нагревательный блок, то к функционалу добавится ещё одна приятная возможность – печатать разными материалами одновременно.
Разработка такой печатной головы с нуля – дело весьма время затратное, рядовому 3D печатнику намного проще будет использовать для такой модификации уже готовый хотэнд с несколькими каналами. Самым популярным примером такого решения, пожалуй, является хотэнд Chimera. В интернете есть немало различных статей, отзывов и примеров из личного опыта, которые могут помочь в установке этого хотэнда. У Chimera есть ещё одно заметное преимущество - возможность работать в директ-системе, используя сдвоенный механизм подачи BMG.

В этом хотэнде есть два параллельных канала для пластиковой нити, которые проходят через общий радиатор. Каждый канал заканчивается своим отдельным нагревательным блоком. Таким образом, можно использовать два разных филамента с разными температурами плавления при печати одного объекта. Такая возможность значительно повышает функционал принтера. Например, это позволяет печатать поддержки для сложных моделей отдельного материала. Если правильно подобрать материал на роль поддержек, то это значительно упростит их удаление после печати, облегчая базовую постобработку напечатанной модели.
Есть и другие преимущества. С таким хотэндом можно комбинировать материалы основной модели, улучшая её итоговые механические характеристики, или удешевляя процесс производства. К примеру, части детали, которые воспринимают больше нагрузки, чем другие, можно напечатать из более прочного филамента. Или же другой пример: необходимо напечатать большую модель из красивого дорогостоящего пластика. Этот процесс можно удешевить, выполнив заполнение модели из более дешевого материала.
Помимо этого, можно комбинировать гибкие и твёрдые пластики, получая, например, сгибаемые механизмы, или дополнив напечатанную модель прорезиненной ручкой для удобства.

Если вам нужно приобрести хотенды для вашего 3д принтера, можете перейти в наш магазин https://3d-diy.ru/catalog/hotends-3d-printer/

Качающиеся хотэнды

Переходим к следующему варианту. Это разновидность двойной печатной головы с встроенным сервоприводом, который используется для переключения хотендов между собой в процессе печати. Такое решение называют качающимся хотэндом. Этот хотэнд по функционалу аналогичен Chimera, при этом его строение сложнее, однако он решает распространённую проблему хотэндов Chimera. Дело в том, что нить пластика в обоих каналах этого двойного хотэнда остаётся разогретой до рабочей температуры на протяжении всего цикла печати, из-за чего с сопла неактивного хотэнда могут стекать капли расплавленного пластика, которые будут портить модель прямо в процессе печати. Помимо этого, даже если пластик из неактивного сопла не представляет угрозу, само сопло постоянно находится над моделью, и может зацепиться за неё, оторвав её от стола и испортив печать. У качающегося хотэнда эта проблема решена весьма интересным способом, и да, это сделано как раз благодаря его качению! В процессе печати сервомотор направляет перпендикулярно столу 3D принтера только активный хотэнд, через который осуществляется печать, тем временем другой хотэнд дожидается своей очереди, находясь под углом к печатному столу и упираясь наконечником сопла в специальную заглушку, которая не позволяет стекать лишнему пластику. Такое решение можно встретить и в боуден, и в директ-формате. Конечно, сборка такого хотэнда – занятие не из простых, и относительно готовые KIT наборы такого хотэнда тоже непросто найти, но всё же, такое решение существует, и оно весьма интересно.

В 3D принтерах коммерческого уровня можно встретить ещё одну разновидность двойного хотэнда, которая отдалённо напоминает качающийся. В такой системе один из хотэндов способен перемещаться вверх-вниз относительно второго, а также присутствуют заглушки, закрывающие неактивный хотэнд в процессе печати. Хоть его устройство довольно сильно отличается от качающейся печатной головы, функционал здесь полностью аналогичен.

Модульная печатающая голова (Tool Changer)

 Это ещё одно интересное решение. Принцип её работы тоже довольно интересный. У одной из стенок принтера расположены хотэнды, находящиеся в парковочных гнёздах с заглушками для сопел. Все хотэнды не имеют жёсткого крепления к каретке печатной головы, но на каждом из них расположена металлическая пластина, восприимчивая к воздействию магнитных волн. На самой каретке располагаются кулеры охлаждения и магнит, или какое-нибудь другое крепление. При печати каретка отправляется к хотэнду с нужным материалом и при помощи крепления фиксирует его на каретке на протяжении печати. При смене материала, каретка паркует обратно в гнездо первый хотэнд, крепление отсоединяется, каретка переезжает к хотэнду с другой нитью пластика, затем крепление фиксирует на каретке уже другой хотэнд. Данное решение интересно тем, что теоретически, парковочных мест с хотэндами может быть сколь угодно большое количество, лишь бы размеры принтера позволяли. При этом вес самой печатной головы от этого никак не страдает, что позволяет сохранить хорошую скорость печати, при этом используя разные цвета и материалы.

IDEX

Ну и самое сложное с технологической точки зрения решение – это IDEX, что дословно означает «независимый двойной экструдер». Такое решение лучше учитывать на стадии проектирования принтера, ведь второй экструдер потребует от управляющей платы не только разъём для шаговика на механизме подачи, но и второй разъём – для второго шаговика на оси X. Без него в этом решении никак. В собранном варианте вдоль направляющей оси X будут расположены два независимых шаговых ремня, каждый из которых передаёт усилие свою печатную голову. Не будем сильно углубляться в конструктив, какие преимущества нам даёт такой механизм? Здесь мы получаем всё и сразу, и двухцветную печать, и печать двумя разными материалами одновременно, и даже параллельную печать двух одинаковых или симметричных деталей. Неактивная печатающая голова в процессе печати находится в своей точке парковки, чтобы не задеть модель, а сопло обычно упирается в заглушку, чтобы избежать стекания пластика. IDEX имеет наибольший функционал среди всех решений, перечисленных в данной статье. Этот способ, бесспорно, является одновременно и дорогим, и технически сложным. Для того, чтобы модифицировать 3D принтер, добавив в него IDEX, нужно быть весьма хорошо технически подготовленным, запастись большим количеством времени, и ещё большим запасом терпения. На наш взгляд, такое решение явно лучше приобретать в уже готовом варианте, при этом чётко понимая, для каких целей будет использоваться такой 3D принтер.
И напоследок нельзя не упомянуть аппараты, которые используются в качестве надстройки к принтерам, обеспечивая их многоцветной печатью.

MultiMaterial Upgrade

MultiMaterial Upgrade от Джозефа Пруши предназначен для использования совместно с принтерами от того же производителя. На данный момент актуальной является версия 2.0, которая позволяет одиночному директ-экструдеру использовать в одном процессе печати до пяти разных катушек пластика. Само устройство является, по сути, большим экструдером, в котором используется каретка для переключения между нитями пластика. Этот апгрейд имеет целый ряд полезных функций, который включают в себя как печать одинаковым филаментом разных цветов, так и разными филаментами. Имеется также интересная функция, позволяющая автоматически переключаться с одной катушки на другую, когда пластик на первой катушке полностью заканчивается. На популярных торговых интернет площадках можно встретить и клоны этого механизма, однако не совсем понятно, имеет ли реплика этого устройства полностью аналогичный функционал.

Palette

Ещё одно устройство этого класса – это Palette от компании Mosaic. Относительно недавно вышла третья версия этого аппарата, давайте её и затронем. Это устройство выполняет примерно те же функции, что и MultiMaterial Upgrade для Prusa, но является уже универсальным апгрейдом для любого принтера и стоит дороже. Набор включает в себя необходимое ПО для более сложной нарезки модели на печать, прибор оснащён собственной электроникой, Wi-Fi модулем и сенсорным экраном, и по сути, становится дополнительным звеном между компьютером и 3D принтером. Обычный Palette способен работать одновременно с четырьмя нитями пластика, а версия Pro и вовсе способна контролировать подачу одновременно восьми нитей филамента.
Эти устройства по стоимости могут сравниться и перегнать многие китайские принтеры, но их функционал это вполне оправдывает. Безусловно, такие решения сложно назвать вариантом для развития своего хобби, и предназначены они для использования в коммерческой 3Dд печати.

Итоги

Сложно сказать, какое из решений могло бы быть оптимальным для печати несколькими нитями пластика. Каждое из них имеет свои преимущества и недостатки. Сложные хотэнды дают возможности цветной 3D печати и даже позволяют использовать одновременно несколько материалов, но длительность самого процесса печати сильно возрастает, а на практике можно столкнуться с различными «подводными камнями», такими как подтёки пластика, сложности с установкой и сборкой конструкции и так далее. Относительно готовые решения для такого типа печати стоят уже довольно внушительные суммы, а собрать что-то подобное в домашних условиях является либо весьма сложной, либо непосильной задачей. Соответственно, такие решения подойдут уже только компаниям, который используют 3D печать на производстве, или занимаются предоставлением услуг по 3D печати.
3D печать несколькими нитями только начинает набирать обороты в пользовательском сегменте и в будущем мы наверняка увидим намного более эффективные и недорогие способы её осуществить!