Термобарьеры для 3D принтера

Содержание

• Назначение термобарьера.
• Гладкий или резьбовой.
• Термобарьер с тефлоновой трубкой.
• Цельнометаллический термобарьер.
• Биметаллический термобарьер.
• Керамический термобарьер.
• Прочие конструкции.
• Вывод.
• FAQ.

Назначение термобарьера

Термобарьер, также известный в народе под названием “горло” - пограничная деталь печатной головки принтера, проходя сквозь которую пластик попадает из “холодной” зоны в “горячую”. Горячая зона состоит из нагревательного блока и сопла, в котором пластик превращается в жидкость. “Горло” снизу плотно прижато к соплу и эта его часть в процессе печати нагрета до рабочей температуры сопла. Задача термобарьера быстро остыть на дистанции от сопла до холодной зоны так, чтобы пластик, находящийся выше блока нагревателя, не плавился раньше времени и не забивал каналы разбухшими пробками. В этом непростом деле термобарьеру помогает радиатор с вентилятором, которые крепятся к верхней его части и активно отводят тепло в окружающее пространство.

Изменение температуры внутри одной металлической детали в пару-тройку сотен градусов на дистанции одного сантиметра - задача не самая простая. Решается она комбинацией формы, размеров и материалов термобарьера.

Во-первых, для снижения теплопередачи количество участвующего в процессе материала должно быть как можно меньше. По этой причине почти любой термобарьер имеет так называемую “проточку” - зону с минимальной толщиной, балансирующей на грани минимального размера и достаточной прочности.

Во-вторых, материал должен иметь как можно меньшую теплопередачу без ущерба для остальных характеристик детали.

Разумеется, за многолетнюю историю принтеростроения конструкторы создали несколько разновидностей термобарьеров, каждая из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Попробуем разобраться в этом немного подробнее.

Купить термобарьеры для 3D принтера можно в нашем магазине https://3d-diy.ru/catalog/heatbreak-3d-printer/

Гладкий или резьбовой

Первое, что бросается в глаза, когда видишь все разнообразие, это внешняя форма. Холодная часть барьера бывает гладкой или резьбовой. Гладкая фиксируется одним-двумя болтами в радиаторе, резьбовая, как правило, держится сама.

По слухам, да и по трезвому размышлению, резьбовой барьер должен справляться с задачей отвода тепла лучше гладкого аналога, за счет большей площади соприкосновения с радиатором. Гладкий же проще, дешевле и легче в монтаже-демонтаже. В головках с двумя и более экструдерами резьбовой отрегулировать по высоте вообще практически невозможно, а гладкий легко и просто.

Термобарьер с тефлоновой трубкой

Далее, присмотревшись к картинкам выше, внимательный читатель заметит внутри обоих барьеров из примеров какую-то белую трубку. Это трубка из тефлона, скользкого и жаростойкого полимера, обладающего низкой теплопроводностью.

Решение использовать тефлон в качестве температурного изолятора является самым очевидным и до сих пор является наиболее популярным. Горла с тефлоном отлично работают с большинством самых распространенных пластиков: PLA, ABS, PETG, HIPS и т.д., но плохо переносят нагрев выше 300 градусов Цельсия и потому не используются при печати тугоплавкими инженерными пластиками. Кроме того, тефлон, даже будучи очень скользким материалом, довольно быстро изнашивается при работе с композитными материалами, имеющими в составе углеродные или стеклянные волокна, а также металлические включения. Да и в штатном режиме работы он не вечен, со временем плавится, подгорает, разбухает, образует зазоры и тем самым создает проблемы. Термобарьер с тефлоновой трубкой следует регулярно проверять и обновлять, что, конечно же, добавляет немного хлопот.

Термобарьер с тефлоновой трубкой единственный, который может позволить себе не иметь проточку, так как быстрое падение температуры на металлической части не имеет критического значения. Барьеры без проточки не имеют ограничений по глубине вкручивания в термоблок и радиатор, а потому могут работать с соплами, нагревательными блоками и радиаторами почти любых размеров и производителей. Это решение спорной эффективности, но высокой универсальности.

Цельнометаллический термобарьер

Перечисленных недостатков лишены цельнометаллические термобарьеры (на фото справа).

Не имея полимерной трубки, они практически вечны, ибо лишены ресурсного элемента. Платой за бессмертие является не такой резкий переход от “горячего” к “холодному”, а значит пластики с низкой температурой плавления (типа PLA) и липучие полимеры (вроде TPU и FLEX) могут застревать в переходных зонах, особенно при длинных ретрактах, образуя трудноудаляемые пробки. Для подобных материалов такой термобарьер нежелателен. Даже для скользких пластиков (ABS и PETG) приходится делать ретракты покороче, что иногда чревато “сопливостью” печати. Зато сплошные барьеры легко переносят любые температуры и почти равнодушны к абразивности филамента.

В качестве материала для цельнометаллических термобарьеров используется нержавеющая сталь и титан. Благодаря отличным физическим свойствам, второй вариант лучше, но дороже.

Биметаллический термобарьер

Биметаллические термобарьеры составлены, как следует из названия, из двух разных металлов. В них предпринята попытка совместить лучшие качества каждого металла в одно целое совершенство. Нижняя, горячая часть горла изготавливается из твердого материала с низкой теплопроводностью. Верхняя, холодная, из более плотного и теплопроводного. Идея в том, чтобы максимально резкий перепад температуры приходился на район стыка и был оптимальным по протяженности.

Формы они обычной, подходят каждый для своей печатной головки. Горячая часть, как правило, изготавливается из титана, так как он тверд, прочен и плохо проводит тепло, верхняя часть из меди или латуни, так как ее проще сохранять холодной целиком при плотном контакте с радиатором.

В целом, биметаллическое решение считается довольно удачным и заслуженно пользуется уважением у продвинутых 3D-печатников. Недостатки тоже есть, особенно у барьеров низкого качества. Зачастую у нонеймов компоненты сочетаются не плотно и даже вращаются относительно друг друга, что, разумеется, недопустимо, никаких зазоров и люфтов между титаном и медью быть не должно. При сборке не следует усердствовать, сломать такое горло гораздо проще чем монолитное. Биметалл дороже обоих предыдущих видов термобарьеров, так как сложнее в изготовлении. Ретракты предпочтительны средние.

Керамический термобарьер

Разумеется, керамический он не полностью, керамическая трубка соединяет две части верхнюю холодную и нижнюю горячую. Керамика обладает достаточно низкой теплопроводностью, термостойкостью и высокой твердостью, что делает ее пригодной для работы с инженерными пластиками.

Задача фиксации керамического элемента в металлическом корпусе непроста, поэтому только высококачественные термобарьеры не прокручиваются и не имеют люфта. Кроме того, керамика очень твердый, а потому довольно хрупкий материал, может треснуть даже от слабого удара, поэтому конструкция печатной головки должна предусматривать дополнительные опоры для нагревательного блока, что, разумеется делает это решение значительно дороже и сложнее остальных.

Прочие конструкции

Разнообразие форм и размеров печатных головок и их компонентов, созданных за последние годы принтеростроения, впечатляет. По сути, решения повторяют ранее описанные, большинство отличий проявляется в мелочах, понемногу улучшающих ту или иную характеристику.

Например, горло с конической “холодной” зоной. Призвано быть на несколько грамм легче, а значит менее инерной.

Биметаллический термобарьер со сквозной титановой трубкой, вероятно, тоже создан для облегчения конструкции скоростных принтеров.

Облегченный цельнометаллический резьбовой аналог.

Биметаллический трехсоставной термобарьер с водяным охлаждением. Недешевое, но интересное решение.

Разборный биметаллический термобарьер в комплекте с соплом собственной конструкции, должен обеспечивать плотное прилегание, исключать зазоры, протечки и, как следствие, пробки.

Подобная “экзотика”, конечно, изначально предназначается не для обычных бытовых и любительских принтеров, хотя никто не запрещает их покупать и устанавливать, даже если стоимость барьера с соплом превысит стоимость всего остального принтра. Такие термобарьеры предназначены для работы в экстремальных условиях - высоких температурах, абразивных пластиках и сверхвысоких скоростях печати, а значит, оправданы при соответствующих непростых деталях и механизмах во всем остальном принтере. Насколько “нестандарт” имеет реальные преимущества перед традиционными конструкциями - вопрос для исследований и обсуждений, но одно то, что прогресс не стоит на месте с лихвой оправдывает их существование.

Вывод

Если вы недавно купили новый принтер из низовой или средней ценовой категории, вероятнее всего он укомплектован стальным термобарьером с тефлоновой трубкой. Пока работает хорошо, менять его смысла нет, это вполне разумное инженерное решение. Когда начнутся проблемы с экструзией, вызванные подгоранием трубки, можно пойти двумя путями: заменить трубку на новую, благо стоит она копейки, и пользоваться пока проблемы не повторятся, или сразу заменить горло целиком на монолитное или биметаллическое и забыть о нем навсегда. Заменять термобарьер на металлический сразу после покупки принтера имеет смысл в случае перспектив долговременной работы с тугоплавкими или композитными пластиками. Устанавливать редкие и экзотические термобарьеры на обычные любительские принтеры нет смысла вообще, разве что из любопытства и с образовательной целью.

FAQ