Zur Entwicklung von 3D-FDM-Druckerköpfen. Teil 1

Ende 2013 entschied ich mich nach langem Nachdenken und Studium des Internets für den Bau eines 3D-Druckers, bei dessen Montage ich mich von der Ideologie des „kleinen Maschinenbaus“ inspirieren ließ und mich, beginnend mit dem kleinen, mit der Entwicklung und Modernisierung meiner Druckerknoten befasste.

Ein Teil des Druckers wie der Kopf erwies sich als ziemlich mysteriös. Dies bedeutet, dass im Detail nicht zu viel über die Prinzipien seiner Konstruktion geschrieben wurde und im Internet viele Beschwerden über festsitzenden und minderwertigen Kunststoff vorlagen. Ich selbst habe keine Probleme mit dem Kopf gehabt - wahrscheinlich, weil ich sofort einen Qualitätskopf von einem guten Hersteller gekauft habe.
Jedenfalls hat mich das Thema Kopfentwicklung interessiert. Ich fing an, Prototypen zu machen. Es ist ganz gut geworden. Aber je mehr ich mich mit dem Thema beschäftigte, desto mehr Feinheiten und Kleinigkeiten wurden darin enthüllt und desto interessanter. Dann kam es vor, dass ich mehrere Monate lang den Kopf- und Vorschubmechanismus für den manuellen 3D-Drucker Lix Pen entwickelte. Es fügte mir Erfahrung und technische Fähigkeiten hinzu. Jetzt studiere ich dieses Thema weiter. Ich glaube, ich habe viele Informationen zu diesem Thema gesammelt und möchte sie teilen, wenn jemand interessiert ist.

Im Allgemeinen besteht das Hauptziel meiner Experimente darin, die Geschwindigkeit und Auflösung des Druckens von 3D-FDM-Druckern erheblich zu erhöhen.


Feige. 11 Kopftyp 3.1
BEACHTUNG! Die unten beschriebenen Beispiele für Druckköpfe sind kein Produkt, sie stehen nicht zum Verkauf, da es sich um Hochgeschwindigkeits- / Schallplatten- / Versuchsprodukte handelt und niemand sie herstellt.
In diesem Teil werden wir Folgendes betrachten: 1. Den Kopf, die allgemeine Struktur und die darin ablaufenden Prozesse. Extrusion. Reibung. - 1.1 Kopfzonen - 1.2 Berechnung der Schmelzgeschwindigkeit des Filaments und seiner Wirkung. - 1.3 Die Wirkung der Reibung. Seine Bewertung. Wärmebarriere. Heißer Heizkörper. - 1.4 Staus. - 1.5 Berechnung von Wärmeströmen und Gradienten in Ruhe und Bewegung im Kopf. Heiße Heizkörperberechnung mit ihm und ohne ihn.

Einführung
Das Funktionsprinzip von FDM-3D-Druckern besteht darin, dass eine Kunststoff-Angelschnur (üblicherweise als Filament bezeichnet) von einem Extruder in den Druckkopf (HotEnd) gedrückt wird, aus dem sie in Form einer dünnen Angelschnur extrudiert wird. Der Mikrocontroller steuert die Bewegung des Kopfes und des Desktops (das gedruckte Produkt befindet sich darauf), so dass das Produkt aus dieser Angelschnur gebildet wird. Es gibt viele Feinheiten in diesem Prozess, aber das Wesentliche liegt genau darin. Es ist klar, dass die Genauigkeit des Druckprodukts durch die Genauigkeit der Positionierung des Kopfes relativ zum Tisch bestimmt wird, aber nicht nur das! Der Durchmesser der zusammengedrückten Angelschnur spielt ebenfalls eine Rolle. Nicht einmal der Durchmesser, sondern die Breite der Angelschnur. Aus der Düse des Kopfes wird die Schmelze in Form eines Zylinders extrudiert, dies ist so, aber um die Schichten miteinander zu verbinden, wird die Höhe des Kopfes über dem Teil etwas kleiner als der Durchmesser der Düse genommen.Gleichzeitig ist die Angelschnur leicht verschmiert und verbreitert.

In der Praxis wird die Dicke der Schicht je nach Verwendungszweck gewählt - 1,5 bis 2 Mal weniger als der Durchmesser der Düse.


Abb. 1 Quetschschnur
Im unteren Teil von 1 ist zu sehen, dass die Kontaktfläche mit dem Substrat sehr klein ist und eine Verbreiterung der Angelschnur fast nicht auftritt. Im oberen Teil der Abbildung sehen Sie die Abflachung der Angelschnur, während die Kontaktfläche wächst, sowie die Breite der Angelschnur. In Druckerbeschreibungen wird häufig der Parameter für die minimale Schichtdicke angegeben. Dies kennzeichnet jedoch die Druckauflösung nur auf einer Achse ... Auf den anderen beiden ist der Düsendurchmesser (die Breite der Angelschnur, die sich aus dem Durchmesser der Düse und der Dicke der Schicht ergibt) weitgehend bestimmend. Zur Veranschaulichung habe ich versucht, kleine Details in Abbildung 2 mit dicken Linien zu zeichnen. Es ist zu beachten, dass eine Änderung der Düsenbewegung im rechten Winkel unerwünscht ist, da Kunststoff in einigen Bereichen zweimal aufgetragen wird. Dies führt zu Schwellungen und Extrusionen entlang der Kanten, wodurch die Druckqualität beeinträchtigt wird.Daher werden häufiger Winkel mit bestimmten Verrundungen gedruckt.

Abb. 2
Wir können die Abrundung der Ecken im Bild sehen. Eine unvollständige Füllung im Inneren hat wenig Einfluss auf die Festigkeit. Im Allgemeinen wird normalerweise ein Füllgrad von 40-60% verwendet, dies hängt jedoch von vielen Faktoren ab. Beim Drucken mit trockenem Polyamid habe ich eine Füllung von 15-20% verwendet. In diesem Fall werden nur die Außenkontur, die Ober- und Unterseite des Teils in einer kontinuierlichen Schicht gedruckt. Standardmäßig - 3 Ebenen vom Rand entfernt, dann füllen. Für ein hochauflösendes druckbares Objekt benötigen Sie den kleinstmöglichen Düsendurchmesser. Dies wirft ein weiteres Problem auf - die Druckgeschwindigkeit. Angenommen, unser Kopf ergibt eine anständige Extrusionsgeschwindigkeit von 100 mm / s bei einem Düsendurchmesser von 0,3 mm. Dies bezieht sich auf die Extrusionsgeschwindigkeit von Kunststoff am Düsenausgang. Berechnen wir, wie viel es in Kubikzentimetern sein wird, was zu Zentimetern führt:

V = L * 3,14 * D² / 4 = 10 * 3,14 * 0,03² / 4 = 0,007068 cm³ / s

Angenommen, eine Fülldichte von 0,4 reicht natürlich nicht aus, aber ...

0,007068 / 0, 4 = 0,01767 cm³ / s

Es stellt sich heraus, dass 1 Kubikzentimeter des Teils mit einem Füllgrad von 0,4, ein Drucker mit einer Düse von 0,3 mm, 56,5 Sekunden druckt. Ungefähr - 1 Minute. Teilvolumen eines Liters - 1000 Minuten, ungefähr 16 Stunden. Das Ergebnis ist nicht inspirierend. Es ist klar, dass sich die Druckgeschwindigkeit vervierfacht, wenn der Durchmesser bei gleicher Extrusionsgeschwindigkeit verdoppelt wird.
Wenn wir also eine perfekte Druckermechanik haben, um bessere Ergebnisse zu erzielen, müssen wir die maximale Extrusionsgeschwindigkeit für die dünnste Düse haben. Bei einer Düse mit einem Durchmesser von 0,3 mm kann der tatsächliche minimale Rundungsradius der Flächen meiner Meinung nach einen halben Millimeter betragen. Dies ist auf eine gewisse Ausdehnung der Angelschnur beim Quetschen des Kopfes zurückzuführen. Schon in geringem Maße - aber das ist notwendig, damit die Kraft nicht zu stark abfällt. Viele bemerkten die ungleichmäßige Festigkeit der Produkte entlang der X-, Y- und Z-Achse. Die Festigkeit entlang der Z-Achse ist geringer, da die Schichten nicht ausreichend miteinander verbunden werden können. Bei einem guten Quetschen der Angelschnur, beispielsweise einer Schichthöhe ½ des Durchmessers der Düse, ist dieses Problem nicht erkennbar.
Ein weiteres mit diesen beiden verbundenen Ziel besteht darin, die Masse der Druckkopfanordnung zu verringern. Bei den meisten Druckern bewegt sich der Kopf in einer oder zwei Ebenen. Je früher es sich bewegt, desto schneller wird gedruckt. Es gibt jedoch Modelle, bei denen sich der gesamte Desktop bewegt. Eine erstaunliche Sache. Der Desktop ist selbst mit einem Extruder viel schwerer als der Kopf. Außerdem klebt das gedruckte Teil daran. Konstante Wechselbeschleunigungen müssen unermüdlich danach streben, sie abzubrechen. Und der Kopf ist aus Eisen, es ist schwierig, ihn abzubrechen.
Jetzt ist der Kopf selbst HotEnd. Im Allgemeinen ist es nicht zu schwer, aber es gibt eine, aber - die häufigste Verbindungsoption - Greg oder Wade - besteht darin, einen Extruder zu platzieren - eine Einheit, die das Filament in HotEnd konstruktiv mit dem Kopf drückt. Dies erhöht die Masse dramatisch. Anschlussmöglichkeit Bowden, wenn der Extruder fixiert und mit einem langen beweglichen Teflonrohr (Teflon gibt wenig Reibung) mit dem Kopf verbunden ist, durch das das Filament in den Kopf eintritt. Diese Lösung ist nicht zu zuverlässig, die übertragene Kraft ist nicht so groß, außerdem ist es schwierig, den Kunststofffluss in den Kopf schnell zu steuern. Für sehr hohe Druckgeschwindigkeiten ist es meiner Meinung nach nicht geeignet.
Andererseits verursacht die große Masse des beweglichen Kopfes mit dem Extruder bei schneller Bewegung große Belastungen des Druckerrahmens und es erfordert auch zusätzliche Energie, um all diese Masse zu bewegen. Dies bedeutet, dass ein Aspekt der Überlegung die Verringerung der Gesamtmasse der Druckeinheit sein sollte.
Schlussfolgerungen:
Drei Hauptaufgaben, die sich auf die Geschwindigkeit und Qualität des Drucks
auswirken : 1. Eine funktionsfähige Düse mit einem möglicherweise kleinen Durchmesser erhalten.
2. Gleichzeitig mit einer hohen Geschwindigkeit.
3. Und gleichzeitig, damit die Masse der Druckeinheit so klein wie möglich ist.
Dies sind Probleme, deren Lösung meiner Meinung nach für die Verbesserung von FDM-3D-Druckern wichtig ist und deren Lösungen hier erörtert werden.

Kapitel 1. Der Kopf, das allgemeine Gerät und die darin ablaufenden Prozesse. Extrusion. Reibung.

1.1 Zone des Kopfes. Um die oben genannten Probleme zu lösen, müssen Sie die Prozesse im Kopf verstehen, um sie zu optimieren. Nehmen wir also ein vereinfachtes Diagramm der Innenseite des Kopfes. cm. Abb.3

Abb.3
sehen, welche Prozesse in bestimmten Bereichen stattfinden.
In Zone A sehen wir einfallendes kaltes Filament. Seine Eigenschaften haben sich durch Erhitzen noch nicht geändert, so dass sein Bewegungswiderstand durch Reibung an den Wänden bestimmt wird. Es kann durch Verwendung eines Teflon-Liners gut reduziert werden - ein Rohr, da Teflon bei nicht sehr hohen Temperaturen, wenn es nirgends auslaufen kann (nur der Liner), gut funktioniert und die Gleitreibung darauf sehr gering ist.
Nun Abschnitt B.- grüne Farbe. In diesem Teil wird der Kunststoff bereits leicht von den Wänden erwärmt und seine mechanischen Eigenschaften verschlechtern sich, aber die Fließfähigkeit hat sich noch nicht manifestiert.
Ich vermutete die Existenz dieser Stelle aufgrund der Ergebnisse von Experimenten mit einer sehr langen Schmelzkammer mit einem engen Kanal (für einen besseren thermischen Kontakt).

Plötzlich sank die Extrusionsrate dramatisch. Der Spalt im Durchmesser betrug ca. 0,1 mm. Ich nahm an, dass bei teilweiser Erwärmung die Festigkeit des Kunststoffstabs abnimmt und er sich unter dem Einfluss des Drucks des Extruders mit einem kleineren Biegeradius im Kanal zu biegen beginnt, dh zu viele Reibungspunkte gegen die Wand erzeugt werden oder sogar ein leichtes Aufblasen die Bildung eines Korkens verursacht, aber nicht wo Es ist notwendig, nicht in der Zone eines hohen Temperaturgradienten (mehr dazu weiter unten).
Für die Bildung einer solchen Schlangenfeder spricht, dass während der Extrusion eine große Nachextrusion beobachtet wurde. Das heißt, nachdem der Extruder von der Düse angehalten hat, drosselt der Kunststoff weiter. Zur Überprüfung und Eliminierung wurde der Kanal mit 1,8 mm auf 2,0 mm gebohrt. Der Abstand betrug 0,3 mm. Die Geschwindigkeit hat sich deutlich erhöht. Dieses Phänomen ist wahrscheinlich charakteristischer für ein Filament mit kleinem Durchmesser, da die Steifheit des Stabes beim Biegen mit einer Abnahme des Durchmessers gemäß dem Gesetz des dritten oder vierten Grades abnimmt. Mit absoluter Sicherheit kann dies in diesem Fall jedoch nicht als Hauptgrund für das Versagen angesehen werden, da ein weiterer Fehler beseitigt wurde - der Düsenauslassabschnitt war zu lang. 4-5 mal länger als empfohlen und normal. Aufgrund eines Herstellungsfehlers. Gemessen an den Berechnungen der Reibungskräfte in der Düsennase (unten angegeben)Ein langer Abgaskanal hätte eine solche Geschwindigkeitsabnahme nicht bewirken dürfen.
Abschnitt C. Die Temperatur wird höher und die plastische Verformung des Stabes beginnt. Unter Druck wird es seitlich verteilt und bildet einen Kolben. Ich habe eine Beschreibung dieses Phänomens auf der Seite http://reprapology.info/archive/1422/rheology/ gefunden. Vielen Dank, Kollegen! Dieser Moment war leicht zu überprüfen - bei einem Angelschnurdurchmesser von 3 mm reichte es aus, den Kopf nach dem Drucken abkühlen zu lassen und dann mit schnellem Erhitzen die Angelschnur mit einem gehärteten Zufluss zu entfernen. Das Design des Kopfes ermöglichte es mir, dies leicht zu tun.
Der resultierende Kolben dient also als Hindernis für die heißeren flüssigen unteren Kunststoffschichten und lässt sie nicht aufbrechen. Solche Durchbrüche ereigneten sich unter bestimmten Bedingungen, ich konnte sie auch beobachten. Daher ist dieses Phänomen nützlich, daher nenne ich es den „Arbeitsstau“. Unter einer Reihe von Bedingungen beginnt der Korken jedoch an Länge zu wachsen. Eine enge Passung an den Wänden über einen großen Teil der halbfesten Masse erhöht den Widerstand stark. Es gibt einen "Stau" - Stau. Dieses Phänomen konnte ich auch an meinen Versuchsköpfen feststellen, allerdings unter bestimmten Bedingungen.
Tatsache ist, dass natürlich hauptsächlich ein Korken aufgrund einer erfolglosen Konstruktion des Kopfes auftritt und nur infolge dessen häufiger während der Leerlaufzeit in einem erhitzten Zustand. Aus der Abbildung geht eindeutig hervor, dass der Abschnitt des „Arbeitssteckers“ eine bestimmte Länge haben sollte - nicht kürzer und nicht länger als optimal. Ich konnte den Defekt "zu kurz arbeitender Stau" nicht feststellen, aber "zu lang" kommt häufig vor. Es ist klar, dass, wenn wir den stationären Zustand betrachten, die Länge des „Arbeitsstopfens“ durch die Temperaturdifferenz (Gradient) vom Beginn der Zone C bis zu ihrem Ende bestimmt wird. Bei Kunststoffen mit einer Betriebstemperatur von 230 ° C liegt die niedrigere Temperatur zu Beginn ihrer Bildung wahrscheinlich im Bereich über 100-110 ° C. Tatsächlich erklärt diese Tatsache die Verwendung von Lüftern und Wärmebarrieren in den Arbeitsköpfen - wenn der Druck gestoppt wird (und nicht nur).Sie verhindern das Aufsteigen von Wärme und dementsprechend das Wachstum des Korkens und seine Verdrängung in unerwünschten Bereichen.
Abschnitt D. Auch kein einfacher Abschnitt. Tatsache ist, dass in dieser Zone der Kunststoff bis zur Mitte, also vollständig, eingeschmolzen werden muss. Andernfalls wird, wenn sich ein ungeschmolzener Kern der Düse nähert, eine ungleichmäßige Extrusion des Kunststoffs beobachtet - es wird keine durchgehende Angelschnur zusammengedrückt, sondern eine Art Girlande aus Wiener Würstchen mit Verengungen oder für Pessimisten - "Kakaschist". Bei etwas niedrigeren Geschwindigkeiten kann bei Verwendung von frisch getrocknetem Polyamid in einer extrudierten transparenten Angelschnur entlang der Achse kleine Einschlüsse aus ungeschmolzenem trübem Kunststoff von zylindrischer Form gesehen werden. Dieses Phänomen wurde am Kopf vom Typ 3.3 mit einem Filamentdurchmesser von 1,6 bis 1,7 mm und einem Düsendurchmesser von 1 mm bei einer Filamentvorschubgeschwindigkeit von 500 bis 1000 mm / min gut beobachtet. Hier sind einige Bilder.
Ein Beispiel für ein getrocknetes Polyamid bei einer Beschickung von 500 mm / min, einer Temperatur von 225 ° C und einem Schlupf der Angelschnur im Extruder beträgt etwa 10%.

Abb. 4
Es ist zu erkennen, dass die Angelschnur fast überall flach und nur sehr sprudelnd ist. Seien Sie nicht beunruhigt - diese Funktion ist das Ergebnis einer Kombination - eines großen Durchmessers der Ausgangsdüse und einer hohen Vorschubgeschwindigkeit.
Das ist alles das Gleiche, aber der Filamentvorschub beträgt 1000 mm / min und der Schlupfkoeffizient beträgt ca. 50%! Das heißt, das Angebot stieg tatsächlich um kaum 5-10%. SchlupfkoeffizientIch benutze es, um die Tatsache anzuzeigen, dass mit einer Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit die Extrusionsgeschwindigkeit der Angelschnur zunimmt und dementsprechend der Widerstand gegen das Drücken der Angelschnur zunimmt. Irgendwann können die Zähne des Hobbolt nicht mehr mit dem Einfangen der Angelschnur fertig werden und beginnen, sie zu zerreißen oder darauf zu rutschen. In diesem Fall beginnt die eingestellte Vorschubgeschwindigkeit die tatsächliche zu überschreiten - wir bestimmen sie durch das Gewicht der zusammengedrückten Angelschnur. Für 100% betrachte ich die vollständige Einhaltung der Innings, für 0% die vollständige Einstellung der Innings. Dieser Wert charakterisiert den Extrusionsdruck sehr gut, 80% bedeuten normalerweise einen stabilen und gleichmäßigen Prozess.

Abb. 5 Eine
gewisse Klumpenbildung ist sichtbar, obwohl sie aufgrund von Blasenbildung schlecht sichtbar ist.

Abb.6
Hier wird getrocknetes Polyamid, Filamentdurchmesser 1,7 mm, Vorschub 500 mm / min, Temperatur 215º. Es gibt kein Sprudeln, es gibt Verengungen. Das Trocknen wurde übrigens in einem elektrischen Ofen 30 Minuten bei 100 ° C und 30 Minuten bei 120 ° C durchgeführt. Schrumpfung von 5,5% der Masse. Weiteres Trocknen für eine Stunde bei 120 ° C führte zu einer Gewichtsabnahme um 0,5-1,0%. Gleichzeitig war meine Angelschnur teilweise deformiert - wahrscheinlich ist der Ofen nicht das beste Gerät zum Trocknen.
Schlussfolgerung - 1 Stunde mit einem schrittweisen Temperaturanstieg reicht zum Trocknen aus. Das Trocknen hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Extrusionsrate. Ein wichtiger Punkt! Mit der Zeit gewinnen sowohl Polyamid als auch ABS Feuchtigkeit aus der Luft. Beim Drucken entstehen Blasen in der Angelschnur, was zu Vorsprüngen und Unregelmäßigkeiten am Endprodukt führt. Dies muss bekämpft werden.

Abb. 7
Gute, gleichmäßige Angelschnur, Durchmesser geht ein wenig. Vorschub 300 mm / min. Der Schlupf ist fast Null.
Abschnitt E - Strömungskompressionszone.Die Theorie lehrt, dass die Form und Länge dieses Abschnitts nicht zu wichtig ist - je kürzer desto besser. Einige Genossen von Roboforum hatten den Verdacht, dass dies aufgrund der viskoelastischen Natur der Polymerschmelze möglicherweise nicht der Fall ist. Die Experimente bestätigten den Vorteil der einfachsten Düsen mit einem großen Eintrittswinkel, der durch Bohren mit einem herkömmlichen Bohrer in einem Durchgang erhalten wurde. Alle Stufenbohrer, länglichen konischen Düsen (bis zu 1 k13 Dehnung) und Düsen mit parabolischem Profil wurden getestet und erwiesen sich als wesentlich reibungsarmer als die einfachste Düse, die mit einem Bohrer mit einem Schärfwinkel von 118 ° hergestellt wurde. Im Moment denke ich, dass es keinen Sinn macht. Eine Frage mit gefülltem Filament - dies ist möglicherweise nicht der Fall.
Abschnitt F - Düsendüse.Je kürzer, desto besser. Empfohlen bis zu 0,4 mm. Dies ist der Bereich mit dem größten Widerstand, daher beeinflusst seine Länge den Widerstand stark. Wie sich herausstellte, fallen bei einer Länge von 0,4 mm und einem Düsendurchmesser von 0,2 mm 49% des gesamten Widerstands auf diesen Abschnitt. Dies gilt für die letzte Version des V4_1-Kopfes. Die Methode zum Abrufen dieser Daten ist niedriger. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Verlängerung dieses Abschnitts nicht nur die Geschwindigkeit verringert, sondern auch eine glättende Wirkung auf das Rinnsal hat und das Aufblähen bei hohen Geschwindigkeiten verringert. Es ist zwar immer noch notwendig herauszufinden, ob dies die Druckqualität beeinträchtigt - schließlich wird das Rinnsal sofort auf dem Teil verschmiert

Schlussfolgerungen: Die Aufteilung des Kopfes nach den Prozessen, die in Zonen hineingehen, wird beschrieben. Die Hauptprozesse in ihnen sind noch nicht abgeschlossen. Arbeitsstopfenkolben. Reibung. Volles Schmelzen des Filaments. Der Wassergehalt im Filament, seine Wirkung, Trocknung. Alternative Düsenformen sind Stufenbohrungen.
1.2 Berechnung der Schmelzrate des Filaments und seiner Wirkung.
Ich berechnete die Schmelzrate eines zylindrischen Kunststoffstabs von der Oberfläche
nach dem Fourier-Gesetz unter der Annahme, dass bei einem Phasenübergang (wie z. B. schmelzendem Eis) keine Wärme verschwendet wird (was im Fall von Polyamid nicht sehr wahr ist - es hat eine merkliche Kristallinität, aber der Fehler ist gering), dass das Mischen von geschmolzenen Schichten passiert nicht - das ist nah an der Wahrheit, weil aufgrund der hohen Viskosität des geschmolzenen Kunststoffs seine Strömung in einem Rohr mit nicht zu großem Durchmesser (1,7 und 3,0 mm) laminar ist.
Ich habe für eine dünne zylindrische Kunststoffschicht die in diese Schicht eintretende Wärmeleistung in Betracht gezogen: P = λ * S * ΔTdv / l, wobei λ die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs ist, S die Wärmeübertragungsfläche ist, l die Dicke der Wärmeleitfähigkeitsschicht ist, gerechnet von der erhitzten Oberfläche. ΔTdv - die treibende Kraft des Prozesses, die Temperaturdifferenz zwischen Heiz- und Heizfläche. Wenn die Leistung die Leistung des Heizgeräts überschritt, wurde ΔTdv in der Formel berechnet, berechnet aus der Bedingung, dass die Leistung des Heizgeräts gleich ist. Gemäß der Formel Q = M * C * & Dgr; tr wurde & Dgr; Tr berechnet - eine Änderung der Temperatur des erhitzten Materials auf dieser Schicht zu diesem Zeitpunkt. Daher wurde es in Schichten betrachtet, mit einem relativ kleinen Schritt in der Calc-Tabelle aus dem Libre Office-Paket. Ich nahm eine Schrittgröße von 0,15 mm und ein Zeitintervall von 0,02 s.
Nun wollen wir sehen, wie sich das Objekt von einer Heizfläche mit konstanter Temperatur erwärmt - wie in unserem Fall. Aus dem Fourier-Gesetz wissen wir, dass die Heizrate proportional zur Temperaturdifferenz ist, d.h. - "treibende Kraft", Δt. Anzahl. Die Heizfläche beträgt t = 250 º, die Zieltemperatur t = 230 º. Anfangstemperatur t = 20 º. Nehmen wir die Zeit, in der ein Drittel der anfänglichen Temperaturdifferenz ((250-20) / 3 = 77 º) gleich T erhitzt wird. Außerdem beträgt die Endtemperatur im Intervall t = 97 º (20 + 77) und der Durchschnitt Δt = ((250-) 20) + (250-97)) / 2 = 191 º. Während des nächsten Zeitintervalls T = 2 erwärmt sich das Objekt auch auf ein Drittel der verbleibenden "Antriebskraft" Δt = 250-97 = 153 º, und die Endtemperatur im Intervall wird t = 97 + 51 = 148 º und der Durchschnitt Δt = ((250-97) + (250-148)) / 2 = 127,5 º.

Über das Zeitintervall T = 3 ist Δt = 250-148 = 102 º und die Endtemperatur wird t = 148 + (102/3) = 182 º und der Durchschnitt Δt = ((250-148) + (250-182)) / 2 = 85 º.

Über = 4, Δt = 250-182 = 68 º wird die Temperatur t = 182 + (68/3) = 205 º und der Durchschnitt Δt = ((250-182) + (250-205)) / 2 = 56, 5 º.

Über = 5, Δt = 250-205 = 45 º wird die Temperatur t = 205 + (45/3) = 220 º und der Durchschnitt Δt = ((250-205) + (250-220)) / 2 = 37, 5 º.

Über = 6, Δt = 250-220 = 30 º wird die Temperatur t = 220 + (30/3) = 230 º und der Durchschnitt Δt = ((250-220) + (250-230)) / 2 = 25 º . Wenn wir also mit einer leichten Überhitzung (20 ° C) von der Oberfläche erwärmt werden, erhalten wir einen Ausgang zu den eingestellten Parametern für 6 herkömmliche Zeitintervalle T.
Nun wollen wir sehen, was passiert, wenn wir diesen Temperaturunterschied erhöhen. Wir berechnen die gleiche Erwärmung von der Heizfläche mit t = 320 º - eine solche technische Möglichkeit gibt es im Kopf dieser Konstruktion.

T = 1, Δt = 320-20 = 300 º, die Temperatur wird t = 20 + (300/3) = 120 º und der Durchschnitt Δt = ((320-20) + (320-120)) / 2 = 250 º.

T = 2, Δt = 320-120 = 200 º, die Temperatur wird t = 120 + (200/3) = 187 º und der Durchschnitt Δt = ((320-120) + (320-187)) / 2 = 166,5 º.

= 3, Δt = 320-187 = 133 º, die Temperatur wird t = 187 + (133/3) = 231 º und der Durchschnitt Δt = ((320-187) + (320-231)) / 2 = 111 º.

Es stellt sich heraus, dass durch Erhitzen des Kunststoffs, der heißer ist als der Kopf benötigt, die Schmelzrate merklich erhöht wird. Nicht schlecht, diese Lösung kann nützlich sein, obwohl eine Reihe von Schwierigkeiten auftreten werden. Darüber hinaus wirkt sich dies positiv auf die Viskosität von flüssigem Kunststoff aus, da die Schmelzrate von Kunststoff nicht der einzige Faktor ist, der die Fließgeschwindigkeit von Kunststoff aus der Düse begrenzt. Dies wurde bei der Berechnung berücksichtigt, wodurch es möglich wurde, die Funktionsweise bei Überhitzung zu berücksichtigen. Es stellte sich heraus, dass es sich um eine wunderbare Tabelle aus LibreOfficeCalc handelt, mit der Sie die Erwärmung der Bar anhand einer Reihe von Faktoren berücksichtigen und berechnen können, wo und welche Temperatur herrschen wird. Schimpfen Sie nicht mit dem analogen Excel - sie macht ihren Job.

Die Gesamtschmelzzeit von PA6-Polyamid mit einem Durchmesser von 1,7 mm bei einer Heiztemperatur von 280 ° C bis zu einer Temperatur von 200 ° C mit einer Heizleistung von 30 W betrug 2,88 s und im Fall eines Heizgeräts mit einer Temperatur von 240 ° C - 3,24 s. Für denselben Kunststoff mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Heizleistung von 50 W, einer Heiztemperatur von 280 ° C und einer Erwärmung auf 200 ° C - 8,64 s und einer Heizung mit einer Temperatur von 240 ° C - 9,84 s. Dies sind die Berechnungsdaten beim Ersetzen der Parameter der realen Köpfe Typ 4.1 und 3.3. Entsprechend den Berechnungsergebnissen wurde auch ein Profil der Filamentschmelzfront im Kopf erstellt.

Abb. 8
Aus dem Wert der Zeit, die der Stab zum Schmelzen benötigt, kann die erforderliche Länge der Schmelzzone oder die maximal mögliche Geschwindigkeit des Filamentschmelzens berücksichtigt werden.
Zur experimentellen Überprüfung der Berechnungen für ein Filament mit 1,7 mm Durchmesser verwendete ich einen Kopf vom Typ 3,3 mit einer auf 1 mm gebohrten Düse für ein Filament von 1,7 mm und einen Kopf vom Typ 4,1 mit einer Düse von 0,9 mm für ein Filament von 3 mm. Eine solch große Apertur sollte den Berstwiderstand aufgrund der Viskosität signifikant verringern, wobei nur eine Begrenzung des Berstens der geschmolzenen Masse übrig blieb. Da die Fließgeschwindigkeit der Schmelze aus der Düse viel höher ist als die Vorschubgeschwindigkeit des Filaments (proportional zur Differenz zwischen den Quadraten der Durchmesser), kann der ungeschmolzene Teil des Filaments nicht einfach aus dem Loch herausgehen, sondern blockiert die Düse und zerbricht sie durch einen Strom in Stücke, wenn sie kleiner als der Durchmesser der Düse ist . Die Temperatur ist bereits ziemlich hoch, so dass die Festigkeit des geschmolzenen Kerns gering ist.Dieses Phänomen kann während der Extrusion von getrocknetem Polyamid beobachtet werden (ungetrocknete Schmelze ist aufgrund von Dampfblasen trüb), im geschmolzenen Zustand ist es transparent und in der heißen Gefrierlinie von der Düse waren kleine schlammige Einschlussinseln entlang der Achse sichtbar.
Wie der Austritt gemessen wurde, was Schlupf bedeutet: Zuerst wurde der Extruder kalibriert. Bei einer Aufgabe (zum Beispiel) von 50 cm zerdrückte er die Angelschnur mit niedriger Geschwindigkeit, um sicherzugehen, dass kein Schlupf auftritt. Es wurde gemessen, wie viel er wirklich verkaufte. Markierungen wurden mit einem Filzstift auf eine Angelschnur gesetzt. Das spezifische Gewicht des Filaments wurde berechnet - ein 1 m langes Stück Filament wurde abgeschnitten, der Durchmesser wurde an mehreren Stellen sorgfältig gemessen. Dieses Stück wurde gewogen. Aus diesen Daten wurde die Dichte berechnet. - Übrigens kann die Art des Polyamids anhand seiner Dichte ziemlich gut beurteilt werden, und dies ermöglicht es uns, seine anderen Eigenschaften wie Festigkeit, Schmelzpunkt und Wasserabsorption zu beurteilen.
Die maximale tatsächliche Filamentzufuhrrate während des Erhitzens auf 280 ° C für einen Durchmesser von 3 mm betrug 6,52 mm / s. Die tatsächliche Zufuhrrate wird erhalten, indem das Gewicht der gepressten Angelschnur durch die Arbeitszeit des Extruders dividiert, dann durch die Dichte (wir erhalten das Volumen pro Sekunde) und dann durch die Filamentquerschnittsfläche dividiert werden. Für diesen Kopf kann die Länge der Schmelzzone als etwa 50 mm angesehen werden. Die Schmelzzeit aus dem Experiment beträgt also τ = 50 / 6,52 = 7,67 s. Dies ist die Zeit des vollständigen Schmelzens des Filaments mit einem Durchmesser von 3 mm. Genauer gesagt war es kein Filament, sondern eine Trimmer-Angelschnur, deren Durchmesser stabil war. Bei einer Trimmer-Angelschnur mit einem Durchmesser von 1,6 mm "ging" ihr Durchmesser von 1,62 mm auf 1,68 mm. Für ein solches Filament betrug die Geschwindigkeit des vollständigen Schmelzens 4,17 s. Der Unterschied zum berechneten ist etwas größer als im ersten Fall. Ich verstehe, dass dies auf den Widerstand eines engeren Arbeitskanals zurückzuführen ist.Es ist ein guter Zufall mit der Theorie. Die volle Schmelzrate für einen anderen Durchmesser ist wahrscheinlich quadratisch (und dies wird für 3 mm Filament berechnet, was bestätigt).
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1.3 Die Wirkung der Reibung. Seine Einschätzung. Thermobarrier. Heißer Heizkörper. Es manifestiert sich in allen Teilen des Kopfes. Die Reibung von kaltem Kunststoff, die Reibung von etwas erhitztem Kunststoff durch seitliches Quellen, die Reibung des „Arbeitsstopfens“, die Reibung von flüssigem Kunststoff an den Wänden und zwischen den Schichten und der unerwartet hohe Widerstand im letzten Abschnitt der Düse. Es wird zwar normalerweise empfohlen, es kurz zu machen, aber aufgrund der Tatsache, dass die plastische Geschwindigkeit an dieser Stelle am höchsten ist und der Lochdurchmesser klein ist, kann der Widerstand sehr signifikant sein.
Die Reibung auf dem Abschnitt zum Kopf und im Extruder ist ebenfalls wichtig, aber jetzt beschäftigen wir uns mit dem Kopf. Aufgrund der hohen Temperatur scheint die Verwendung eines Tefloneinsatzes im Kopf eine schlechte Lösung zu sein. Aufgrund des Schmelzens des Kunststoffs wird hier jedoch die Reibung verringert, was bedeutet, dass der Bedarf an Teflon verschwindet. Trockenreibung auf Metall sollte jedoch vermieden werden, und wenn Kunststoff auf poliertem Stahl ziemlich gut gleitet, wird Aluminium dies nicht tun.
Zurück zur Zeichnung des Kopfes mit Zonen, Bild 3 - Zone C, die Bildungszone des Arbeitsstopfens.
Um die Reibung in diesem Abschnitt zu verringern, muss ein großer Temperaturunterschied (Gradient) von Zone C - der Bildung des Arbeitsstopfens - bis Zone D - Schmelzen erzeugt werden. Je größer der Gradient ist, desto kleiner ist die Länge des Arbeitsstopfens und desto geringer ist der Reibungswiderstand. Verwenden Sie die Wärmebarriere, um den entsprechenden Gradienten zu erstellen. Ausgehend von den ersten Köpfen vom Typ 1.1 habe ich es mit einem Edelstahlrohr (mit hartem Silberlot) an den Messingkopf gelötet. Ein kleiner Aluminiumscheibenstrahler wurde in einem Abstand von etwa 2 bis 4 mm vom Messingteil des Kopfes auf das Rohr gelegt. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl (Klasse 304 oder X18H10) und der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium erreichte der Kühler eine Temperatur von etwa 100 ° C und heizte die Angelschnur vor, wodurch die Zeit zum Schmelzen verkürzt wurde, ohne dass die Gefahr des Verstopfens bestand. Da der Kühler von einem Ventilator geblasen wurde,es stellte sich als gute thermische Stabilisierung heraus - der Korken konnte nicht aufsteigen, da der Heizkörper mit zunehmender Temperatur viel intensiver Wärme abgab. In dem Abschnitt des Stahlrohrs auf Kühlerebene und höher wurde ein Tefloneinsatz von innen verwendet, so dass die erhöhte Reibung von Abschnitt B verringert wurde.
1.4. Staus. Betrachten wir nach Möglichkeit den Prozess der Bildung von Staus im Kopf und deren Entartung von nützlichen zu böswilligen „Arbeitern“. Berechnen Sie dazu den Wärmefluss in verschiedenen Teilen des Kopfes und denken Sie darüber nach.

Im Allgemeinen wird während des Betriebs des Extruders und des Kopfes die Kunststoffleitung in eine Schmelze umgewandelt und mit einer ausreichend großen Kraft durch eine enge Düsenöffnung durchgedrückt. Das ist klar. Übrigens kann aus bestimmten Gründen geschätzt werden, dass die Schmelze im Kopf unter ausreichend hohem Druck stehen kann. Die Kraft eines guten Extruders kann zehn Kilogramm pro 3 mm Filament erreichen. Ich habe mich so viel Mühe gegeben, als ich Plastik von Hand drückte. Es passierte. Es umfasst eine Fläche von 7 Quadratmillimetern unter 100 Atmosphären. Nun, das ist nicht allzu schwer zu messen - wir führen einen Stab aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit (PEEK, PTFE?) In die Düse ein und messen den Druck des Durchflussstopfens. Für eine Düse mit einem Durchmesser von 0,5 mm - 2 Gramm Kraft pro Atmosphäre. Obwohl es nicht zu wichtig ist. Ich habe nicht gemessen.

Die Angelschnur tritt also mit einer Lücke in den Kopf ein. Nichts bricht zurück. Es ist klar, dass während des Erhitzens eine gewisse Erweichung des Kunststoffs auftritt und unter dem Einfluss der Kraft des Extruders seitlich verteilt wird, während die Wände dies zulassen. Die Fähigkeit, den Kunststoff teilweise zu erweichen, ist leicht zu überprüfen - es ist.

Wiederum ist klar, dass der Korken umso länger ist, je kleiner der Temperaturunterschied entlang der Länge des Korkvorkommens ist. Je länger der Korken vollständig mit den Wänden in Kontakt ist, desto größer ist die Druckfestigkeit. Sie können Bild 3 sehen ... Wenn der Kunststoff schmilzt, wird die Reibung an den Wänden geringer und Sie können sich darüber keine Sorgen machen. Je kürzer der Arbeitsstecker ist, desto weniger störende Reibung.

Stellen Sie sich vor, die Länge des Arbeitssteckers beträgt nur 0,1 mm. Es ist klar, dass eine so dünne Schicht aus im Allgemeinen nicht zu starkem Material dem Gegendruck von flüssigem Kunststoff nicht standhält, zurückplatzt und nach dem Durchbrechen im kalten Teil aushärtet und einen unerwarteten Korken erzeugt. Ein paar Mal habe ich so etwas herausgezogen. Dort können Sie deutlich sehen, wie ein Durchbruch stattgefunden hat und die Flüssigkeit den gesamten Filamentstab aufstieg. Übrigens - in ALLEN Fällen, in denen ich Korken bekam (obwohl ich viele experimentelle Köpfe hatte, aber Korken wurden selten gebildet), habe ich sie ganz einfach losgeworden - abkühlen lassen, dann die Heizung einschalten, nach ein paar Minuten den Befehl „Rückwärts“ zum Extruder geben und damit übergeben von der Angelschnur herausgezogen. Ich schlage vor, dass dies möglicherweise an den Designmerkmalen aller meiner Köpfe liegt.- Vor der aktiven Schmelzzone befindet sich im Rohr ein Tefloneinsatz mit einem Durchmesser, der nicht kleiner als der Durchmesser der Arbeitszone des Kopfes ist.
Schlussfolgerung: Korkwachstum und -stau treten, wie ich glaube, aufgrund der Tatsache auf, dass im Leerlauf Wärme an den Wänden des Kopfhalters aufsteigt (Wärmebarriere?). Und wenn die Arbeit beginnt, wird weicher Kunststoff an den Seiten verteilt. Wahrscheinlich wird es tödlich, wenn kein Teflon-Liner fast bis zum Kopf reicht.

1.5 Berechnung von Wärmeströmen und Gradienten in Ruhe und Bewegung im Kopf. Heiße Heizkörperberechnung mit ihm und ohne ihn.

1.5.1. Das Design des BASS Typ 1.3 Kopfes und die darin enthaltenen Wärmeströme. Der Name der Anfangsbuchstaben der verwendeten Materialien Messing, Edelstahl, Aluminium. 3mm Filament. Betrachten Sie Wärmeströme, Temperaturen und Prozesse am Beispiel dieses Entwurfs.

Ich
füge ein Stück aus meiner alten Publikation „Zd-Drucker: Ein Blick von der Seite des Kopfes“ ein, leicht korrigiert.


Abb. 9 Ein wenig nach dem Schema in Abb. 9: Lila an der Außenseite des Kopfes ist eine Heizspule, es ist besser aus Nichrom, jedoch wird häufig ein Widerstand als Heizung in den Köpfen verwendet - dies ist praktisch in der Produktion, verringert jedoch die Zuverlässigkeit und Gleichmäßigkeit des Heizfelds, da sich der Widerstand lokal befindet und daher eine lokale Überhitzung auftritt. Hier gibt es jedoch keinen grundsätzlichen Unterschied - einen Widerstand oder eine Wicklung. Nur - hohe Gleichmäßigkeit und Heizrate, aber die Leichtigkeit und Genauigkeit des Designs.

Das Rot am Boden des Kopfes ist die Zone des geschmolzenen Polymers, es ist heterogen, da das Polymer die Viskosität über einen weiten Temperaturbereich ändert, und die orange Zone ist der Bereich, in dem das Polymer bereits auf Plastizität erhitzt, aber noch nicht flüssig ist. Diese Zone ist sehr wichtig - darin dehnt sich der Kunststoffstab leicht aus, liegt eng an den Wänden an und verwandelt sich in einen Kolben, der die Schmelze durch den Auslass drückt - die Matrize. Grün ist die Zone, in der noch keine signifikanten Änderungen der Duktilität aufgetreten sind und der Stab den Druck ohne Falten weiter überträgt. Unterschiedliche Schattierungen zeigen einen Messingkopf und einen Aluminiumkühler. Das Fluoroplastrohr ist weiß hervorgehoben - die Führung führt aufgrund der geringen Reibung die Stange entlang mit minimalem Widerstand. Grau - Edelstahlrohr, Lagerkopf und Kühler,Neben einem Ringeinsatz können Sie mechanische Belastungen des Teflonrohrs im heißesten Teil vermeiden. Dies ist wichtig - Teflon ist unter solchen Bedingungen extrem mechanisch instabil, so dass es hier überall an Stahl anliegt - es kann ein wenig auslaufen, aber nicht bald, und dieses Stück Teflonrohr ist sehr einfach zu ersetzen. Das Edelstahlrohr wird mit einem massiven Silberlot auf den Messingkopf gelötet - daher gibt es keine Fragen zur thermischen Stabilität und Festigkeit. Der Ring (von innen poliert, um die Reibung zu verringern!) Wird einfach innen eingebettet und von einem Teflonrohr nach oben gedrückt. Bitte beachten Sie - Edelstahl muss eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, dafür wurde er gewählt. Normalerweise ist das so etwas wie 04X18H10.Daher stößt es hier überall an Stahl - es kann ein wenig auslaufen, aber nicht bald, und dieses Stück Teflonrohr ist sehr einfach zu ersetzen. Das Edelstahlrohr ist mit einem massiven Silberlot auf den Messingkopf gelötet - es gibt also keine Fragen zur thermischen Stabilität und Festigkeit. Der Ring (von innen poliert, um die Reibung zu verringern!) Wird einfach innen eingebettet und von einem Teflonrohr nach oben gedrückt. Bitte beachten Sie - Edelstahl muss eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, dafür wurde er gewählt. Normalerweise ist das so etwas wie 04X18H10.Daher stößt es hier überall an Stahl - es kann ein wenig auslaufen, aber nicht bald, und dieses Stück Teflonrohr ist sehr einfach zu ersetzen. Das Edelstahlrohr wird mit einem massiven Silberlot auf den Messingkopf gelötet - daher gibt es keine Fragen zur thermischen Stabilität und Festigkeit. Der Ring (von innen poliert, um die Reibung zu verringern!) Wird einfach innen eingebettet und von einem Teflonrohr nach oben gedrückt. Bitte beachten Sie - Edelstahl muss eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, dafür wurde er gewählt. Normalerweise ist das so etwas wie 04X18H10.einfach hineinstecken und mit einem Teflonrohr feststecken. Bitte beachten Sie - Edelstahl muss eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, dafür wurde er gewählt. Normalerweise ist das so etwas wie 04X18H10.einfach hineinstecken und mit einem Teflonrohr feststecken. Bitte beachten Sie - Edelstahl muss eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, dafür wurde er gewählt. Normalerweise ist das so etwas wie 04X18H10.

Auf der linken Seite des Bildes sehen Sie ein Temperaturdiagramm (ungefähre Grafik) entlang der Rohrachse. Ich kann nicht für die Genauigkeit der Skala bürgen, aber die Anweisungen sind korrekt. Je weiter von der Achse entfernt die Zonen markiert sind, desto höher ist die Temperatur.
Wir werden nicht wiederholen. Hier ist nur Zone 4 von Interesse. Sie können sehen, wie der heiße Kühler platziert ist.

Zone 4- Zone der aktiven Erweichung von Kunststoff, Zone der Wärmebarriere. Es ist zu erkennen, dass zwischen dem Messingteil des Kopfes und dem Kühler ein kleiner Spalt besteht, bei dem sich die Temperatur sehr stark ändert. Dann erwärmt sich der Kunststoff und bildet einen Korken, der als Kolben dient, der immer weiter drückt. Wie Kollegen von reprapology.info gezeigt haben, wird der Druck aufgrund einer erhöhten Reibung und schmerzhafter Reinigungsprobleme unterbrochen, wenn der Stopfenkolben länger wird. Um zu verhindern, dass dieser Korken wächst, wird in der 5. Zone ein kleiner Heizkörper höher verwendet. Durch den Wärmezufluss entlang der Wärmebrücke aus dem Edelstahl erwärmt es sich, was bedeutet, dass es beginnt, mehr Wärme abzuleiten. Somit ist der Prozess selbststabilisierend und der Einstieg in den Bereich der nachhaltigen Arbeit ist überhaupt nicht schwierig. Die Wärmeableitung durch den Kühler ist groß,und der Wärmewiderstand der Brücke zwischen dem Kopf und dem Kühler ist groß, so dass der Temperaturanstieg mit dem Abstand hoch ist, was bedeutet, dass der Punkt der optimalen Arbeitstemperatur am wahrscheinlichsten in dieses Segment passt, um einen kurzen, effektiven Kolben zu erzeugen. Die Größe des heißen Heizkörpers sollte so gewählt werden, dass seine Temperatur wahrscheinlich im Bereich von 100 bis 110 Grad liegt (dies ist die übliche Temperatur des Drucker-Desktops). Dies geschieht so, dass sich so viel wie möglich der Wärmesperrzone im wahrscheinlichen Arbeitstemperaturbereich befindet (Verkorken!).so dass seine Temperatur wahrscheinlich im Bereich von 100-110 Grad liegt (dies ist die übliche Temperatur des Drucker-Desktops). Dies geschieht so, dass sich so viel wie möglich der Wärmesperrzone im wahrscheinlichen Arbeitstemperaturbereich befindet (Verkorken!).so dass seine Temperatur wahrscheinlich im Bereich von 100-110 Grad liegt (dies ist die übliche Temperatur des Drucker-Desktops). Dies geschieht so, dass sich so viel wie möglich der Wärmesperrzone im wahrscheinlichen Arbeitstemperaturbereich befindet (Verkorken!).

Kurz gesagt, für einen stabilen Betrieb des Kopfes muss eine enge Zone mit hohem Wärmewiderstand (als Wärmebarriere bezeichnet) existieren, in der sich die Temperatur von einer Arbeitstemperatur für kurze Zeit (wir betrachten 235) auf 100 Grad ändern würde - ungefähr die Temperatur des Arbeitstisches. Wir müssen kontinuierlich mit einem kleinen Lüfter blasen und dieser sollte zum Kühler geleitet werden!
Schlussfolgerung: Das Prinzip der Konstruktion und des Betriebs des Kopfes unter Verwendung eines "heißen Strahlers" wird beschrieben.
1.5.2 Berechnung des Wärmeflusses vom Kopf. Berechnung des Wärmeflusses im Bereich vom Kopf zum heißen Heizkörper. - Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl (Güte 304/316) K = 9,4 W / ° * m

Größen des Kopfes: Die Länge der Wärmesperre vom Kopf zum heißen Kühler L = 3 mm, der Außendurchmesser beträgt D = 8 mm, der Innendurchmesser ergibt sich aus dem Einsatzring d = 4 mm

- Wir betrachten die Kopftemperatur 260 ° C.

- Wir betrachten die normale Arbeits- und gewünschte Temperatur des heißen Heizkörpers T = 110 ° C.

- Konvektionsströme im Fall des Kopfes eines 3D-Druckers, der von einem Lüfter geblasen wird und sich ständig schnell genug bewegt, können ignoriert werden. Wir werden die Kühlung durch bewegende Luft des Kühlers und anderer Teile nicht berücksichtigen. Um die Verlustleistung zu berechnen, verwenden wir die ungefähre Formel für Kühler, da der sich bewegende und leicht geblasene Kopf unter normalen Bedingungen einem Kühler ähnlich ist. Von der Oberfläche des beheizten Tisches erwärmt - auch vernachlässigt, da einerseits ein ausreichend großer Abstand zu seiner Oberfläche besteht und andererseits der Kopf geblasen und bewegt wird. Wir glauben, dass sie sich teilweise gegenseitig kompensieren. Bei einem funktionierenden Drucker erwärmen sich die Details auf dem beheizten Tisch jedoch nicht merklich.

- Bis zu einer Temperatur von 100 ° C wird empfohlen, die Wärmeübertragung durch Strahlung überhaupt nicht zu berücksichtigen - zu wenig, wenn die Temperatur proportional zum vierten Temperaturgrad zunimmt. Kühlung des Kopfes durch Strahlung - es ist uns sehr egal, es gibt einen Temperatursensor. Wenn er abkühlt, ist er warm. Die Temperatur des heißen Heizkörpers liegt nahe an der für die Nichtberechnung von 100 ° C empfohlenen Temperatur - Strahlung wird nicht berücksichtigt.
Der Wärmeübertragungsabschnitt vom Kopf zum heißen Heizkörper.

Übertragungsfläche S = 3,14 * D² / 4 - 3,14 * d² / 4 = 3,14 * 8 * 8/4 - 3,14 * 4 * 4/4 = 37,7 mm²

Um sie auf Quadratmeter zu bringen, ist bei dem gegebenen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten die Fläche erforderlich geteilt durch eine Million.

Wir berechnen den Wärmefluss in einem heißen Heizkörper. Aufgrund der Tatsache, dass die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium 50-mal höher ist als die von Edelstahl, betrachten wir die Temperatur im gesamten Kühler als gleichmäßig (entlang der Achse beträgt sie 5 Millimeter). Die Temperatur an den Rändern des Heizkörpers im Rahmen dieser Berechnung interessiert uns nicht.

W = K * S * ΔT / L

L - vergessen Sie nicht, durch 1000 zu dividieren, da der von uns verwendete Koeffizient Maßmeter auf dem Abschnitt vom Kopf zum heißen Strahler ist. ΔT = 260 -110 = 150 °

Es stellt sich heraus, dass W = 9, 4 * 37,7 * 150/3 * 1000 - eine Million (Fläche in mm²) und tausend gingen zurück, tausend blieben übrig.

W = 17,72 W Wärmestrom zu einem heißen Heizkörper.
1.5.3. Berechnung der Wärmebilanz des Heizkörpers. Gradientenberechnung. Berechnung des Wärmeflusses im Bereich vom heißen Heizkörper zur Kopfhalterung:

-

Wärmedämmlänge L = 8 mm - Übertragungsfläche S = 3,14 * D² / 4 - 3,14 * d² / 4 = 3,14 * 8 * 8/4 - 3,14 * 6 * 6/4 = 21,99 mm²
in diesem Abschnitt gibt es keinen Ring - Liner, so dass der Innendurchmesser zunimmt und die Wärmeübertragungsfläche - abnimmt

- die Temperaturdifferenz. Wir betrachten die normale und erwartete Kopfbefestigungstemperatur 30 ° C, was ΔT = 110-30 = 80 ° C bedeutet.

Wir betrachten W = 9,4 * 21,99 *

80/8000 = 2,07 W - 17,72 W Wärme, die in den Kühler eintritt, aber 2 , 07W, Differenz ΔW = 15,65W.
Diese Wärme sollte vom Kühler an die Luft abgegeben werden. Bei der Arbeit wird ein Teil der Wärme vom Filament abgeführt und in diesem Abschnitt von den Rohrwänden erwärmt. Wir werden dies jedoch noch nicht berücksichtigen. Es stellt sich heraus, dass wir davon ausgehen müssen, dass all diese Wärme vom Kühler abgeführt wird.
Berechnung des vom Strahler abgegebenen Wärmeflusses nach einer vereinfachten Formel.

- Q = 50 / √S Wobei Q die Wärmebeständigkeit des Kühlers in Grad pro Watt ist und S die Fläche des Kühlers ist, jetzt in Quadratzentimetern ... eine solche Formel. Ja, die Formel ist schwach und liegt manchmal, aber gemäß den Messdaten können Sie die Korrektur für bestimmte Bedingungen eingeben. Wir berücksichtigen. Dieser Kühler hat einen Außendurchmesser von 20 mm, einen Innendurchmesser von 8 mm. Höhe - 5 mm.

-Berechnen Sie den Arbeitsbereich, er besteht aus der oberen Scheibe, der unteren Scheibe und dem Bereich der Kühlerlamellen. S = 2 * (3,14 * D² / 4 - 3,14 * d² / 4) + 3,14 * D * H = 2 * (3,14 * 20 * 20/4 - 3,14 * 8 *
8/4 ) + 3,14 * 20 * 5 = 841 mm² = 8,41 cm²

- Berechnen Sie die Wärmebeständigkeit des Kühlers Q = 50 / √8,41 = 17,24 Grad / Watt

- Berechnen wir die Temperatur, bei der ein solcher Heizkörper am Ende des zweiten Berechnungspunkts 15,65 W Wärme abgeben kann. ΔT = 15,65 · 17,24 = 270ºC. Außerdem ist dies ein Temperaturunterschied. Wir betrachten die Lufttemperatur im Arbeitsdrucker als 30 ° C, wir bekommen eine unangenehme Temperatur von 300 ° C.
Jetzt wäre es schön, die Berechnungen zu überprüfen.

Mit einem auf 110 ° C eingeschalteten beheizten Tisch und einem 260 ° C-Kopf mit einem
in das Schraubenloch am Kühler eingeführten elektronischen Thermometer wurden die Temperaturen mehrere Minuten lang auf ein Maximum von Messwerten gemessen.

Die Temperatur war viel niedriger als die berechnete - 111,9 ° C statt 300 ° C.

Dies zeigt deutlich die Ungenauigkeit des Modells. Das schwächste Glied hier ist die Formel zur Berechnung des Wärmewiderstands eines Heizkörpers. Sie ist empirisch und wird für einen Heizkörper ohne Zwangskühlung berechnet. In unserem Fall gibt es einen Ventilator, der zwar schwach ist und aus der Ferne bläst. Ich halte es für möglich, einen linearen Lüftungskoeffizienten einzuführen, um die Berechnung des Wärmewiderstands zu verdeutlichen. Wir berechnen es, indem wir es in unseren Formeln in der Form

Q = 50 / (√S * K) einsetzen. Anfangstemperatur 260 ° C. Wir nehmen die Temperatur des heißen Kühlers 111,9 °

W = K * S * ΔT / L Im Abschnitt vom Kopf zum heißen Kühler ΔT = 260 -111,9 = 148,1 °
Es stellt sich heraus, dass W = 9,4 * 37,7 * 148 1/3 * 1000 = 17,49 W.
Berechnung des Wärmeflusses im Bereich vom heißen Heizkörper zur Kopfhalterung:

- Übertragungsfläche S = 3,14 * D² / 4 - 3,14 * d² / 4 = 3,14 * 8 * 8/4 - 3,14 * 6 * 6/4 = 21,99 mm²

- Fahrtemperaturdifferenz. Die Befestigungstemperatur des Kopfes beträgt 30 ° C, was ΔT = 111,9-30 = 81,9 ° C bedeutet. Wir gehen von W = 9,4 * 21,99 * 81,9 / 8000 = 2,11 W aus.

- Es stellt sich heraus, dass der Kühler 17,49 enthält W Wärme und ergibt 2,11 W, die Differenz Δ W = 15,37
Berechnen wir den Wärmewiderstand des Heizkörpers. Wir nehmen K = 3. Das heißt, der Wirkungsgrad unseres Kühlers ist aufgrund des Lüfterblasens dreimal höher. Q = 50 / √8,41 * 3 = 5,75 Grad / Watt.

Berechnen wir die Temperatur, bei der ein solcher Kühler 15,37 W Wärme

abgeben kann. ΔT = 15,37 * 5,75 = 88,37 ° C. Berücksichtigen Sie die Lufttemperatur bei der Arbeit Drucker 30 ° C, erhalten eine Temperatur von 118,37 ° C.
Wenn Sie die Kühlertemperatur für die Kopftemperatur 220 ° C = 94 ° C mit dem erhaltenen Koeffizienten berechnen und mit den gemessenen 97,7 ° C vergleichen, erhalten Sie eine gute Übereinstimmung.
Schlussfolgerung: Der Temperaturgradient für den Fall von 260 ° C G = (260 - 112) / 3 = 49 ° C / mm. Wir können die Temperatur des "heißen Strahlers" mit guter Genauigkeit und den Wärmefluss in die Kopfhalterung ablesen. Dementsprechend können wir die erforderlichen Einstellungen vornehmen, indem wir die entsprechenden Größen ändern.
1.5.4. Berechnung des Wärmeflusses vom Kopf ohne heißen Strahler und Vergleich der Gradienten.

Und wie wird es sein, wenn wir keinen Heizkörper aufstellen? Wir werden die Durchflussmengen ohne Einführring berechnen. Er wurde für die Temperaturentlastung eines Teflonrohrs konzipiert und ist nur in Verbindung mit einem heißen Kühler sinnvoll. Bei einer Temperatur von 260 ° C beträgt der Wärmefluss zur Halterung bei einem Kühler 2,07 Watt.
Berechnung des Wärmeflusses im Bereich vom Kopf bis zur Halterung:

- Die Länge der Wärmesperre L = 8 + 3 + 5 = 16 mm Wir addieren alle Längen - und auch den Kühler.

- Übertragungsfläche S = 3,14 * D² / 4 - 3,14 * d² / 4 = 3,14 * 8 * 8/4 - 3,14 * 6 * 6/4 = 21,99 mm²

- Temperaturdifferenz. Wir betrachten die normale und erwartete Kopfbefestigungstemperatur 30 ° C, was ΔT = 260-30 = 230 ° C bedeutet.

Wir betrachten W = 9,4 * 21,99 * 230/16000 = 2,97 W, sie ist jedoch eineinhalb Mal höher.

Wir berechnen die Gradienten für 16 mm G = (260-30) / 16 = 14,4 Grad / Millimeter.

Es gibt einen großen Unterschied zu 49 Grad / Millimeter, insbesondere wenn man bedenkt, dass bei einem Kühler im Leerlauf der Korken mehr als die Hälfte des gesamten Abschnitts ansteigt, dh in einem Abstand von 8 mm Wärmesperre beträgt die Temperatur ΔT / 2 + T = 230/2 + 30 = 145 ° Diese Temperatur ist eindeutig, oberhalb des Beginns der Korkbildung und unterhalb des Schmelzens. Darüber hinaus reicht eine solche Steckerlänge von 8-10 mm aus, um anzuhalten. Und im Falle eines Lüfters funktionieren mehr als 3 Millimeter Kork mit Leerlaufzeit nicht.
Schlussfolgerungen: Ein „heißer Kühler“ verhindert wirklich das Verstopfungsrisiko bei Verwendung eines Tefloneinsatzes und erhöht den Arbeitstemperaturgradienten, was zu einer Verringerung der Reibung im Bereich des Arbeitsstopfens führt.
1.5.5. Berechnung der Wärmeströme im Kopf bei gleichmäßiger Filamentbewegung.

Die Bedingungen sind die gleichen, der Kopf ist der gleiche. Der Filamentfluss bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 1,5 mm / s, was einer Extrusionsrate für eine Düse von 0,3 mm = 150 mm / s oder für eine Düse von 0,5 mm = 54 mm / s entspricht. Die Dichte des Polyamids beträgt 1,18 mg / mm³. Da ein im Wesentlichen heißes Segment (100-110 °) zum Kopf eine Länge L = 5 mm (Länge eines heißen Strahlers) bei einer Geschwindigkeit von 1,5 mm / s hat, läuft das Filament in 3,3 Sekunden, während die Wände mit einem Tefloneinsatz mit einer Dicke l = geschlossen werden 1 mm = 0,001 m und Innendurchmesser D = 4 mm können wir den möglichen Wärmefluss berechnen, der durch die Wände gegeben ist:

P = λ * S * ΔT / l, wobei λ = 0,25 W / m * K die Wärmeleitfähigkeit von Teflon ist, S = π * D * L = 3,14 * 4 * 5 = 62,8 mm² = 0,0000628 m² - Fläche Wärmeübertragung, l ist die Dicke der Wärmeleitfähigkeitsschicht. ΔT ist die Temperaturdifferenz. Die Temperatur des heißen Strahlers beträgt ungefähr 110 ° C, das ankommende Filament ist zumindest leicht erwärmt, daher betrachten wir die Einlasstemperatur 30 ° C ΔT = 110-30 = 80 ° C.

P = λ * S * ΔT / l = 0,25 * 0,0000628 * 80 / 0,001 = 1,25 W, 1 Millimeter Filament kann 1,25 / 5 = 0,25 Joule Wärme pro Sekunde empfangen. Für 3,3 s, die Zeit, die er im Kühler verbringt, wird er in der Lage sein, 3,3 * 0,25 = 0,825 j zu erhalten. Wir berechnen die Leistung, die erforderlich ist, um 1 mm ankommenden Kunststoff auf ΔT = 80 ° C zu erwärmen. Volumen = 1 · 3,14 · D² / 4 = 1,5 · 9 · 3,14 / 4 = 7,065 mm³ / s

Gewicht = 7,65 · 1,15 = 8,124 mg / s

Leistung, Q = M * C * ΔT = 8,124 * 1700 * 80/1000000 = 1,1 W Dies ist der Fall, wenn der gesamte Kunststoff von einem Heizkörper mit einer Temperatur von 110 ° C von einer Anfangstemperatur von 30 ° C erwärmt wird.

Die Wärme, die 1 mm des Filaments durch den Kühler durch die Teflonwand erhalten kann, beträgt also = 0,825 Joule. Gleichzeitig ist für eine vollständige Erwärmung auf 110 ° C dieselbe Scheibe 1.1j erforderlich. Mit der Platte zur Modellierung der Erwärmung des Balkens gemäß Absatz 1.2 habe ich genauer berechnet. Bei einer Länge des heißen Strahlers von 5 mm, seiner Temperatur von 110 ° C und der Geschwindigkeit des Filaments mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Temperatur von 30 ° C und einem Wärmefluss zum Kühler von 15 Watt beträgt die Erwärmung der Mitte des Filaments selbst nur 2 Grad, aber ein 1 mm-Stab kann 0 betragen. 88j Hitze, etwas mehr als 0,825j, die eindringen kann. 0,825 J machen etwa 75% der gesamten Erwärmung aus. Wenn die Kühlerlänge 10 mm beträgt, erhält der Stab 1,06 J Wärme, was 96% der Gesamtheizung entspricht, und die Mitte erwärmt sich auf 32 ° C.Für eine 100% ige Erwärmung wäre es notwendig, die Länge des Heizkörpers auf 30 Millimeter zu bringen, und dies macht wenig Sinn - es schmilzt sowieso im Kopf.
Hier sind die Details für den Kopftyp 3.1, - bei 1,75 Filament. Nur für die Schönheit.

Feige. 10 Details für den Kopf Typ 3.1
Schlussfolgerungen: - Die Leistung, die zum Erhitzen des ankommenden Kunststoffs mit einer bestimmten Geschwindigkeit benötigt wird: 4,25 W

; - Der Wärmefluss, den die Wände dem Filament auf dem heißen Kühlerabschnitt geben: 2,00 W;

- Der Beginn der Korkbildung bei vollem Durchfluss verschiebt sich tiefer in den Kopf.

- Für große Durchflüsse ist es für den effektiven Betrieb des Mechanismus des "heißen Kühlers" erforderlich, den Wärmefluss zwischen Kopf und Kühler und die Länge der Kontaktfläche mit dem Kühler zu erhöhen. Faktor von.

- Es ist möglich, einen separaten Lüfter eines heißen Heizkörpers zu verwenden, der von einem Temperatursensor gesteuert wird, um die Temperatur bei etwa 100 ° C zu halten.

Die Verwendung eines heißen Heizkörpers ist überhaupt nicht erforderlich, aber es scheint eine einfache Möglichkeit zu sein, den Temperaturunterschied im Halterohr zu schärfen, um die Gefahr zu vermeiden, dass der Arbeitsstopfen zu blockierenden Größen wächst, und um das Problem der Kühlung des Kopfbefestigungspunkts zu lösen.
Der zweite Teil kommt bald.

Source: https://habr.com/ru/post/de382561/