Высокотемпературную 3D-печать – в массы

Существует поразительный вид термопластиков, которые можно печатать на настольных трехмерных принтерах. Тем не менее, пользователи чаще всего обращаются к нити Plat (PLA). Это не только самый дешевый материал, но и самый простой в обработке. Он может быть вытянут уже при 180°C и дает хорошие результаты без необходимости нагревать стол; недостатком материалов PLA является то, что они относительно хрупкие и не выдерживают высоких температур. Для изготовления прототипов или печатных компонентов, которым не придается особого значения, PLA отлично подходит. Однако многие пользователи быстро превышают его возможности.

Следующим шагом обычно является полиэтилентерефталап (PETG). Он менее сложен в обработке, чем PLA, но при этом более прочен и может выдерживать более высокие температуры. Как правило, он больше подходит для механически заряженных аксессуаров. Однако если вам нужно создать еще более прочный, термостойкий компонент, вы можете использовать акрилонитрил-бутаден-стеллин (ABS), поликарбонат (PC) или нейлон. И вот здесь начинаются проблемы. Этот материал растягивается при температуре выше 250°C, и для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать закрытую камеру. Такие принтеры находятся в верхней части бюджетного диапазона, где с удовольствием работают любители. Стоимость промышленных 3D-принтеров, таких как Apium P220, начинается от 30 000 долларов США.

Однако в самых дорогих промышленных 3D-принтерах могут использоваться еще более прочные пластики, такие как полиэтимид (PEI) или что-то из семейства полиаллоизита (Paek, Peek, Pekk). Аксессуары, изготовленные из этих пластиков, подходят для аэрокосмических применений.

Эти пластмассы необходимо извлекать при температуре около 400°C, для этого требуются герметичные камеры с постоянной температурой выше 100°C. Самые дешевые принтеры такого рода стоят десятки тысяч долларов, а стоимость некоторых моделей достигает шестизначной суммы.

Конечно, некоторое время назад то же самое можно было сказать обо всех трехмерных принтерах. Когда-то они использовались в хорошо оснащенных исследовательских лабораториях, а сейчас находятся на рабочих столах хакеров и энтузиастов по всему миру. Трудно предсказать, начнут ли снижаться цены на одинаковые высокотемпературных 3D-принтеры, но первые шаги к демократизации технологии уже сделаны.

Инженерные трудности

Проще говоря, оборудование, которое их поддерживает, должно представлять собой гибрид между 3D-принтером и печью. Это, конечно, создает основные проблемы Сам принтер — тот вид и качество, которые мы привыкли видеть в офисе, — не выживет в такой среде. Потребителям принтеров необходимо перепроектировать их для создания аксессуаров из PEI и PEEK; NASA сделало это с принтером Lulzbot Taz 4 в 2016 году.

Принтер Lulzbot Taz 4 был перепроектирован для поддержки высокотемпературной печати

Первоначально необходимо было построить подходящий изолированный корпус для TAZ 4 и установить набор инфракрасных ламп мощностью 35 Вт для нагрева. Разумеется, в таких условиях электроника принтера перегревается. Поэтому их пришлось разместить на открытом воздухе.

Шаговый двигатель также перегревается. Однако команда Исследовательского центра Лэнгли решила построить охлаждающий плащ для каждого двигателя вместо того, чтобы запускать их.

Как и многие настольные 3D-принтеры, Taz 4 использует множество напечатанных аксессуаров. Поскольку это были мышцы живота, они быстро распадаются на камеры, предназначенные для поддержки пиков. Они были напечатаны на ПК, но даже этого материала оказалось недостаточно для постоянного использования: согласно классическому отчету REPRAP, команда напечатала последний третий набор компонентов самого модифицированного принтера из пластика PEI, называемого в торговле Ultem Команда напечатала последний третий набор компонентов самого модифицированного принтера из торгового ПЭИ Ultem.

Парадоксально, но у группы возникла небольшая проблема с заменой сопел принтера на те, которые могут работать при температуре 400°C. Популярный экстрасенс E3D-V6, цена которого составляет менее 100 долларов, оказался способен поддерживать такую температуру. Однако команде пришлось заменить термистор на более качественный и изменить прошивку Merlin, чтобы иметь возможность достигать более высоких температур. В обычных принтерах очень высокие температуры должны были привести к аварийному отключению.

Результаты использования Ultem 1010 на переработанном принтере Lulzbot Taz 4.

В конечном счете, отчет NASA показал, что переделка Lulzbot Taz 4 была абсолютно успешной. Они отметили, что попытки напечатать PEI с помощью инфракрасного света оказались ошибочными — следовало ожидать расслоения и искажения модели. Они не уточнили стоимость редизайна, но поскольку Taz 4 стоит $2200, весь проект может оказаться примерно в десять раз дешевле аналогичных коммерческих предложений.

Начиная с нуля

Эксперименты НАСА показали, что существующие 3D-принтеры могут быть переоборудованы для печати высокотемпературными механического пластика и очень недорого. Однако почти никто не считает такой подход идеальным решением. Существует множество итераций, вынуждающих инженеров NASA отказаться от некоторых решений, созданных разработчиками Lulzbot. Тем не менее, эксперимент послужил ценной основой для других проектов, созданных с нуля.

В сентябре 2020 года команда из Мичиганского технологического университета продемонстрировала Cerberus – высокотемпературный трехмерный принтер с открытым исходным кодом, способный создавать изделия из PEI и PEKK при стоимости сборки всего $1000. Вместо того чтобы пытаться адаптировать существующие планы, команда начала расти с нуля. к высокотемпературной Печать. Вся электроника размещена отдельно от герметичной камеры, в которой используется силовой элемент мощностью в один киловатт для быстрого повышения температуры камеры до рабочей температуры.

Все шаговые двигатели также вынесены из камеры. Поэтому, хотя кинематика сложнее, чем у настольного 3D-принтера, Cerberus не требует специальной системы охлаждения для двигателей.

Cerberus может быть легко изготовлен для преданных любителей: есть простая схема на основе Arduino Mega 2560 и Ramps 1. 4, готовая электронная система управления, плюс тот же выход E3 D-V6, что и у TAZ 4. Кроме того, команда установила четкие и подробные инструкции по сборке принтера. Этого нет в экспонате NASA.

Расширяя возможности

Будь то переделанный NASA TAZ 4 или новая схема Cerberus, очевидно, что техника печати PEI и Peek от Home Lab уже доступна тем, кому она действительно нужна. Пока что это не так просто, как купить 3D-принтер за 200 долларов на Amazon, но если будет спрос, на рынке появятся более дешевые машины, основанные на тех же принципах. Эта ситуация не сильно отличается от нынешней волны доступных лазеров, появившихся на рынке в последние годы.

Любители по всему миру печатают PPA

Есть ли спрос на такие машины? Год назад ответ мог бы быть иным, чем сегодня. Однако в борьбе с пандемией Коронаи возник новый спрос на быстрое производство средств индивидуальной защиты (PAPS), который никто не может предсказать.

Как объясняется в документе Cerberus, группа участвовала в разработке доступных по цене высокотемпературного 3D-принтеры могут быть использованы именно потому, что с их помощью можно печатать ППС, которые можно стерилизовать при высоких температурах. Команда считает, что маски, напечатанные ПЭКК, могут быть использованы повторно, а не отбракованы.

Очевидно, что существуют и другие возможные медицинские применения компонентов, которые можно печатать и стерилизовать многократно. Портативные, недорогие машины, способные производить такие аксессуары, могли бы спасать жизни в тех частях перчатки, где нет доступа к расходным материалам или быстрого доступа к оборудованию.

Критики трехмерной печати часто заявляют, что главным недостатком этих машин является надежность объектов, которые они редко производят и которые можно использовать для чего-либо, кроме создания грубых прототипов. Однако, когда принтеры стоимостью $1, 000 начинают производить комплектующие из аэрокосмических материалов, кажется, что они приближаются к строительной революции беспрецедентными темпами.