Термобарьеры для 3D-принтера: виды и особенности
Как устроено «горло» хотенда и чем различаются термобарьеры с тефлоновой трубкой, цельнометаллические, биметаллические и керамические.
Зачем нужен термобарьер
Термобарьер, или «горло», — деталь печатной головки, через которую пластик переходит из холодной зоны в горячую. Горячую зону образуют нагревательный блок и сопло, где пластик плавится. Нижний торец горла плотно прижат к соплу и нагрет до его рабочей температуры. Задача детали — быстро остыть на коротком участке, чтобы пруток выше нагревателя не размягчался раньше времени и не образовывал разбухшие пробки. Помогают в этом радиатор и вентилятор, закреплённые на верхней части.
Перепад в пару-тройку сотен градусов на расстоянии около сантиметра внутри одной металлической детали обеспечить непросто. Задачу решают формой, размерами и подбором материала. Чтобы тепло передавалось хуже, металла на пути должно быть как можно меньше, поэтому почти у любого термобарьера есть проточка — участок с минимальной толщиной стенки на грани достаточной прочности. Сам материал тоже выбирают с возможно более низкой теплопроводностью.
Гладкая или резьбовая холодная часть
Снаружи холодная часть бывает гладкой или с резьбой. Гладкая фиксируется в радиаторе одним-двумя болтами, резьбовая обычно держится сама. Считается, что резьбовой вариант лучше отводит тепло благодаря большей площади контакта с радиатором. Гладкий проще, дешевле и удобнее при монтаже и демонтаже. В головках с двумя и более экструдерами резьбовое горло почти невозможно выставить по высоте, а с гладким это делается легко.
Вариант с тефлоновой трубкой
Самое распространённое решение — вставка из тефлона, скользкого жаростойкого полимера с низкой теплопроводностью. Такие термобарьеры хорошо работают с PLA, ABS, PETG, HIPS и другими популярными пластиками, но плохо переносят нагрев выше 300 °C, поэтому для тугоплавких инженерных материалов не подходят.
Тефлон довольно быстро изнашивается от композитов с углеродным или стеклянным волокном и металлическими включениями. И в обычном режиме он не вечен: со временем подгорает, разбухает, появляются зазоры. Трубку приходится периодически проверять и менять. Зато только этот тип может обходиться без проточки: резкое падение температуры на металле для него не критично. Барьеры без проточки не ограничены по глубине вкручивания в термоблок и радиатор и совместимы с соплами, блоками и радиаторами почти любых размеров — решение спорной эффективности, но очень универсальное.
Цельнометаллические термобарьеры
Без полимерной вставки в конструкции не остаётся расходного элемента, и служит она практически неограниченно. Плата за это — менее резкий переход от горячей зоны к холодной. Пластики с низкой температурой плавления, такие как PLA, и липкие материалы вроде TPU и FLEX могут застревать в переходной зоне, особенно при длинных ретрактах, образуя трудноудаляемые пробки. Для них цельнометаллическое горло нежелательно. Даже со скользкими ABS и PETG ретракты приходится укорачивать, из-за чего возможны «сопли» на модели.
Преимущества — устойчивость к любым температурам и почти полное безразличие к абразивности филамента. Изготавливают такие барьеры из нержавеющей стали или титана; титан по свойствам лучше, но дороже.
Биметаллические термобарьеры
Здесь соединены два металла. Нижняя горячая часть делается из твёрдого материала с низкой теплопроводностью, как правило из титана. Верхняя холодная — из меди или латуни: её проще поддерживать холодной при плотном контакте с радиатором. Идея в том, чтобы самый резкий перепад температуры приходился на область стыка.
Решение считается удачным, но зависит от качества изготовления. У дешёвых изделий части могут прилегать неплотно и даже проворачиваться друг относительно друга, что недопустимо: зазоров и люфтов между титаном и медью быть не должно. Сломать такое горло при сборке проще, чем монолитное, поэтому затягивать его нужно без лишнего усилия. По стоимости биметалл выше двух предыдущих типов. Ретракты предпочтительны средние.
Керамический термобарьер
В керамическом термобарьере керамическая трубка соединяет верхнюю холодную и нижнюю горячую части. Керамика плохо проводит тепло, термостойка и тверда, что позволяет работать с инженерными пластиками. Надёжно закрепить её в металле сложно, и только качественные изделия не прокручиваются и не имеют люфта. Кроме того, керамика хрупкая и может треснуть даже от слабого удара, поэтому головке нужны дополнительные опоры для нагревательного блока. Это делает решение заметно дороже и сложнее остальных.
Что выбрать и как заменить трубку
Новые принтеры начального и среднего уровня чаще всего комплектуются стальным термобарьером с тефлоновой трубкой, и менять его, пока он работает нормально, незачем. Когда из-за подгоревшей трубки начинаются проблемы с экструзией, можно заменить трубку или сразу перейти на цельнометаллическое либо биметаллическое горло. Ставить металлический барьер сразу имеет смысл, если предстоит долгая работа с тугоплавкими или композитными пластиками. Выбор между цельнометаллическим и биметаллическим однозначного ответа не имеет и зависит от используемого пластика.
- нагреть хотенд и извлечь пластик из головки;
- выкрутить термобарьер из радиатора либо, если он гладкий, ослабить болты и вынуть его вместе с хотендом;
- нагреть хотенд до рабочей температуры и выкрутить барьер из нагревательного блока;
- после остывания извлечь старую трубку, в крайнем случае выжечь её горелкой;
- вставить новую трубку (подходит обычная трубка подачи пластика) и обрезать вровень с торцом;
- собрать всё в обратном порядке, снова нагрев хотенд, и при необходимости отрегулировать высоту стола.