Głowica drukarki 3D to zbiór elementów, spośród których każdy jest ważny. Nie ma tu miejsca na komponenty zbędne. Dzięki głowicy filament zostaje przetworzony w wydruk. Musi ona zatem pracować sprawnie i precyzyjnie. Do przetworzenia filamentu wymagana jest odpowiednio wysoka temperatura. Gospodarka cieplna ma tu duże znaczenie. Bardzo istotną rolę w gospodarowaniu taką formą energii odgrywa gardziel drukarki 3D. To mały, niepozorny element. Jego rola jest jednak bardzo istotna. Jak działa gardziel? Jakie są jej rodzaje? Tutaj znajdziecie odpowiedzi na te pytania.

Spis treści:

1. Gardziel - definicja elementu drukarki 3D
2. Rola gardzieli (bariery termicznej)
3. Gardziel - rodzaje barier termicznych
1. Bariera termiczna z rurką PTFE
2. Gardziel all-metal
3. Gardziel BiMetal
4. Gardziel tytanowa
4. Podsumowanie

Gardziel - czym jest?

Gardziel to element głowicy drukarki 3D, którego jeden koniec znajduje się w bloku grzejnym, drugi zaś umiejscowiony jest w radiatorze. Wykonuje się ją z metalu o odpowiedniej przewodności cieplnej. Wewnątrz gardzieli często umieszczana jest również rurka wyprodukowana z teflonu (PTFE). Jeśli jednak jest ona nieobecna, mamy do czynienia z rozwiązaniem typu all-metal. Gardziel określa się także innymi nazwami. Jedną z nich stanowi hasło bariera termiczna. Często korzysta się również z angielskiej nazwy tego komponentu: heat break.

Gardziel - jaka jest jej rola?

Gardziel (heat break bariera termiczna) odpowiada za kontrolowanie warunków termicznych, jakie panują wewnątrz głowicy drukarki 3D w czasie, gdy urządzenie wykonuje swoją pracę - drukuje trójwymiarowy wydruk z filamentu. W obrębie głowicy wyodrębniamy dwa obszary. Są to

1. Strefa chłodna

   Ekstruder odpowiada za przesuwanie filamentu w głąb głowicy - w kierunku hotendu. Wewnątrz ekstrudera materiał termoplastyczny nie uległ jeszcze transformacji do formy półpłynnej, czyli takiej, która wydobywa się poprzez dyszę drukarki 3D na stół roboczy maszyny. Jednak właściwym elementem strefy chłodnej jest radiator. To metalowy element głowicy, dzięki któremu ciepło wytworzone w strefie gorącej oddane zostaje do otoczenia. Radiator posiada charakterystyczną budowę, dzięki której proces ten przebiega optymalnie - z możliwie największą wydajnością.

2. Obszar gorący

   Miejscem tym jest hotend drukarki 3D. W jego skład wchodzi m.in. blok grzejny. Znajduje się tu także dysza drukarki 3D. W hotendzie filament poddany zostaje działaniu odpowiednio wysokiej temperatury. Staje się on wówczas półpłynnym materiałem. Taki filament zostaje następnie przetransportowany poprzez dyszę na platformę roboczą drukarki 3D.

Jakie jest zatem działanie gardzieli (bariery termicznej)? Gardziel odprowadza ciepło powstałe podczas termicznego przetwarzania filamentu do radiatora. Dalszy etap stanowi wymiana cieplna pomiędzy radiatorem i otoczeniem. Gardziel umożliwia zatem bezkolizyjną pracę drukarki 3D, pozwalając układowi na umiejętne zarządzanie ciepłem powstałym w głowicy maszyny.

Gardziel ma wiele oblicz - rodzaje barier termicznych

Istnieją różne rodzaje barier termicznych. Każda z nich ma zarówno zalety, jak również wady. Gardziel może być wykonana tylko i wyłącznie z metalu. Istnieją też bariery termiczne utworzone z dwóch różnych materiałów. Jednym z nich jest metal (zwykle stal nierdzewna). Drugi surowiec stanowi teflon (PTFE). Na które z przedstawionych rozwiązań technologicznych warto się zdecydować? Oto jest pytanie! Poniższe informacje pomogą Wam podjąć decyzję, jaka gardziel będzie dla Was słusznym rozwiązaniem.

Gardziel z rurką PTFE

Jednym z elementów składowych takiej gardzieli jest rurka, która wykonana została z teflonu, czyli PTFE. Umieszcza się ją wewnątrz łącznika, który produkuje się zwykle ze stali nierdzewnej. Gardziel wyposażona w rurkę PTFE ma zarówno zalety, jak również wady. Element wykonany z teflonu oddziela wytłaczany filament od metalowej części gardzieli. Termoplastyczny materiał nie ma z nią bezpośredniego kontaktu. Zmniejszone zostaje zatem ryzyko zatkania się bariery termicznej. Co istotne - filament i gardziel oddziałują ze sobą w mniejszym stopniu poprzez tarcie. Teflonowa rurka odgrywa tu bardzo istotną rolę. Cechuje się ona bowiem niskim współczynnikiem tarcia. Rurka wykonana z politetrafluoroetylenu zużywa się jednak szybko. Należy ją zatem regularnie wymieniać na nowy komponent. Po drugie - gardziel z rurką PTFE nie pozwoli na przetwarzanie filamentów, których temperatura druku przekracza około 260°C. Powód? No cóż - o ile teflon przechodzi w stan ciekły w temperaturze o wartości równej około 327°C, o tyle temperatura wynosząca ok. 260°C wpływa na jego twardość. Zaczyna się ona wówczas zmniejszać. Teflon przeistacza się w miękkie ciało, co będzie bardzo problematyczne, gdy użytkownik chce tworzyć wydruki 3D z bardziej wymagających termicznie filamentów. Czy zatem gardziel z rurką PTFE to kiepskie rozwiązanie? Niekoniecznie! Należy jednak mieć na uwadze, jakie ograniczenia wiążą się z jej używaniem.

Gardziel z rurką PTFE - plusy

• płynne przesuwanie się filamentu przez rurkę PTFE (teflon ma niski współczynnik tarcia)
• wytłaczany filament nie oddziałuje bezpośrednio z metalowymi powierzchniami wewnętrznymi gardzieli (ryzyko zatkania się elementu jest zasadniczo mniejsze)

Gardziel z rurką PTFE - minusy

• co jakiś czas należy wymienić rurkę teflonową na nowy egzemplarz - zużywa się ona względnie szybko
• uniemożliwione drukowanie obiektów 3D z filamentów, do przetworzenia których wymaga się temperatury większej niż 250°C - teflon traci twardość w temperaturach większych (bądź równych) od ok. 260°C

Gardziel, która wyposażona została w rurkę wykonaną z teflonu (PTFE). Na ilustracji znajduje się egzemplarz M6 o długości 40mm.

Gardziel all-metal

Gardziel all-metal to komponent do drukarki 3D, który zgodnie z nazwą wykonano tylko i wyłącznie z metalu. Rurka PTFE jest tu zupełnie niepotrzebna. Gardziel all-metal ma bardzo istotną zaletę - taką, której nie posiada bariera termiczna, wewnątrz której umieszczono element wykonany z teflonu. Mowa tu o możliwość drukowania trójwymiarowych obiektów z filamentów, do przetworzenia których wymaga się temperatury większej niż 250°C. Po drugie - brak rurki teflonowej wewnątrz gardzieli all-metal sprawia, iż w niepamięć odchodzi konieczność regularnej wymiany elementu bariery termicznej, który wytwarza się z PTFE. Zwiększa to poziom wygody korzystania z drukarki 3D. Gardziel all-metal ma swoje zalety - to prawda. Nie oznacza to jednak, że jest ona pozbawiona wad. Korzystanie z możliwości, jakie oferuje gardziel all-metal, wymaga od użytkownika drukarki 3D pewnej wprawy w umiejętnym dobraniu ustawień drukowania obiektu trójwymiarowego. Kluczowa jest tu retrakcja. Ważną kwestię stanowi także prędkość druku. W skrócie - trzeba tu nieco poeksperymentować. Najlepszym rozwiązaniem jest rozpoczęcie testów od wybrania niskich wartości wspomnianych parametrów, a następnie manipulować nimi aż do osiągnięcia pożądanych rezultatów. Czy gardziel all-metal ma jeszcze jakieś wady? Tak! Mowa tu m.in. o jej możliwym zatkaniu się. Pomiędzy ścianą wewnętrzną gardzieli all-metal i filamentem nie ma strefy pośredniej. To rodzić może pewne problemy, do których zaliczyć należy potencjalne zatkanie się elementu. Warto mieć to na uwadze, decydując się na gardziel all-metal.

Gardziel all-metal - plusy

• brak rurki PTFE (nie trzeba jej zatem co jakiś czas wymieniać na nowy, teflonowy element)
• możliwość pracy z filamentami, których temperatura druku przekracza 250°C

Gardziel all-metal - minusy

• możliwe zatykanie się elementu
• konieczność bardzo precyzyjnego dobrania ustawień druku, co może wymagać dużej wprawy

Gardziel all-metal do drukarki 3D Ender-3

Bariera termiczna typu all-metal II: gardziel BiMetal

Gardziel BiMetal to bariera termiczna, która utworzona została z dwóch różnych stopów metalicznych/metali. Wnętrze takiego elementu wytwarza się ze stali nierdzewnej. Zewnętrzna część gardzieli BiMetal wykonana jest z miedzi (lub mosiądzu). Miedź charakteryzuje się bardzo wysokim poziomem przewodności cieplnej. Dzięki niej gardziel BiMetal szybko odprowadza ciepło do radiatora. Duża przewodność cieplna miedzi/mosiądzu ma jeszcze jeden, istotny atut. Dzięki niej zostaje zwiększony obszar, w którym filament przechodzi w stan półpłynny. Sprawia to, iż filament przesuwa się bardzo płynnie w głąb głowicy. Co ważne - płynność ta nie znika nawet wtedy, gdy prędkość druku jest wysoka. Stal nierdzewna - materiał, z którego wykonane jest wnętrze gardzieli BiMetal, pełni dwie ważne funkcje. Po pierwsze - dzięki niej bardzo precyzyjnie zachodzi wymiana cieplna pomiędzy strefą gorącą głowicy i radiatorem. Drugim atutem tego stopu metalicznego są jego względnie niskie współczynniki tarcia, dzięki czemu filament bez problemu przesuwa się poprzez gardziel BiMetal w gląb głowicy drukarki 3D. Taka bariera termiczna ma jednak także wady. Część mosiężna gardzieli BiMetał łatwo może zostać uszkodzona. Po drugie - zadbać należy o to, aby radiator, z którym połączona zostanie bariera termiczna, efektywnie pełnił swoją funkcję. W przeciwnym razie wystąpić mogą problemy z ekstruzją filamentu, co może doprowadzić nawet do zatykania się gardzieli.

Gardziel BiMetal - plusy

• precyzyjnie zachodząca wymiana cieplna pomiędzy gardzielą i radiatorem
• duża przewodność cieplna (dzięki części miedzianej/mosiężnej)
• zwiększenie obszaru topienia się filamentu
• płynne przesuwanie się filamentu w głąb głowicy nawet przy dużych prędkościach druku

Gardziel BiMetal - minusy

• niska trwałość części miedzianej/mosiężnej
• konieczność zadbania o to, aby gardziel była połączona z możliwie najefektywniej działającym radiatorem (dobór odpowiedniego radiatora jest zatem bardzo ważny)

Gardziel BiMetal - ten konkretny model przygotowano z myślą o drukarkach 3D z serii Ender

Bariera termiczna typu all-metal III: gardziel tytanowa

Gardziel tytanowa to wersja bariery termicznej typu all-metal. Wykonana jest z tytanu. Metal ten cechuje się niższą przewodnością cieplną niż stal nierdzewna (to zwykle ze stali nierdzewnej tworzy się gardziele). Dużą zaletą gardzieli tytanowej jest wspomniany już niższy poziom przewodzenia ciepła w porównaniu do tego, jakim cechuje się analogiczny, stalowy element. Filamenty, które wymagają wysokich temperatur do ich optymalnego przetwarzania, nie stanowią dla niej żadnego problemu. Gardziel tytanowa radzi sobie lepiej w trudnych warunkach termicznych niż jej stalowa wersja. Bywa ona jednak problematyczna z co najmniej jednego powodu. Wynika on z sił tarcia - to poprzez te oddziaływania filament i gardziel wchodzą ze sobą w interakcję. Na pierwszy plan ponownie wysuwa się kwestia retrakcji, a wraz z nią - potencjalne tworzenie się zatorów wewnątrz bariery termicznej wykonanej z tytanu. Gardziel tytanowa to świetne rozwiązanie, gdy chcemy tworzyć wydruki 3D z filamentów, których temperatura druku jest wysoka. Na uwadze trzeba mieć jednak kwestie powiązane z ustawieniami retrakcji.

Gardziel tytanowa - plusy

• doskonałe rozwiązanie, jeśli drukarka 3D ma wykonywać wydruki z tworzyw wymagających bardzo wysokich temperatur druku
• duża trwałość elementu

Gardziel tytanowa - minusy

• duże współczynniki tarcia
• duże prawdopodobieństwo wystąpienia zatorów gardzieli, gdy parametry druku zostaną dobrane niedokładnie (retrakcja, retrakcja i jeszcze raz retrakcja)

Gardziel tytanowa marki E3D - element do głowicy E3D Hemera

Gardziel drukarki 3D - podsumowanie

Gardziel to bardzo ważny element drukarki 3D. Warto zadbać więc o to, aby wykonany był z wysokojakościowych materiałów. Musi być on także dostosowany do potrzeb użytkownika drukarki 3D. Nie każda gardziel sprawdzi się należycie, jeśli zdecydujemy się wykonywać wydruki z filamentów, które muszą być przetwarzane w wysokiej temperaturze. Dobór odpowiedniej bariery termicznej wpłynie bardzo korzystnie na optymalne gospodarowanie ciepłem powstałym w głowicy maszyny drukującej. Skutki takiego działania zauważymy właściwie natychmiast. Filament będzie przetwarzany optymalnie, czego efektem będą doskonałe jakościowy wydruki 3D. Gardziel to element niepozorny, choć jego znaczenie dla bezkolizyjnego działania drukarki 3D jest ogromne!

W naszym sklepie znajdziecie wszystkie opisane typy gardzieli. Pełną ofertę przejrzycie tutaj!