Zur Theorie von Hotend / Hotend_theory. Kurzbericht über die Arbeitsergebnisse

Es stellte sich heraus! Basierend auf den Berechnungen wurden 2 Parameter geändert und der Nylon / Nylon-Druck war sehr gut.

Wie Sie wissen, studiere und entwerfe ich Köpfe für Hotend - also Köpfe von FDM-3D-Druckern. Das Design dieser Drucker weist eine solche Richtung auf wie RepRap. Die Essenz der Idee ist die Konstruktion von 3D-Druckern, die Teile für die Reproduktion von sich selbst herstellen können, was tatsächlich die Reduzierung von RepRap bedeutet.

Von Zeit zu Zeit schaue ich mir reprap.org/wiki/Hotend_theory an - einen Artikel über die Theorie dieser Köpfe. Vorher gab es nur sehr wenige. Jetzt mehr, aber meistens Fragen. Einige von ihnen (beide) habe ich vor anderthalb Jahren für mich geschlossen. Es stimmt, viele andere sind entstanden. Also habe ich etwas zu schreiben.

Dies ist eine vorläufige Nachricht ohne Formeln, Berechnungen, Bilder (es gibt nur wenige Bilder) und Grafiken. Reine Texte, ohne Formeln, einige Schlussfolgerungen. Ohne spezifische Tipps und Kopfschemata - die letzte Option ist sogar nichts, aber das Wesentliche liegt im gewonnenen Wissen. Jetzt bin ich sicherer in meinen Berechnungen und sie scheinen sogar zu funktionieren, warum ich schreibe. Zu den Freuden. Noch etwas zu überprüfen, insbesondere der Turbulator. Dies ist eine Kleinigkeit im Kopf, die manchmal die Leistung des Kopfes in flüssigem Kunststoff steigern kann, wenn alle anderen Dinge gleich sind.

Also näher am Punkt. Nachdem ich einige Kenntnisse beim Entwerfen von Köpfen gesammelt hatte, hauptsächlich für einen Prüfstand, entschied ich mich, den Kopf in meinem Drucker zu wechseln. Dort stand auch meine selbstgemachte Arbeit, nur sehr alt und mit Nylon nicht sehr gut bedruckt. Im Herstellungsprozess musste ich nach meinen Berechnungen etwas im Design für die Herstellbarkeit wiederholen und meine Designmethoden verfeinern und ergänzen. Den Ergebnissen folgen - ich machte einen Kopf. Als ich versuchte zu drucken, gelang es mir aus irgendeinem Grund nicht, die Polyamidschmelze an den mit Kapton bedeckten Tisch zu kleben.



Ein paar Fetzen nicht klebriger erster Schichten. Wir dürfen nicht raten, sondern zählen!

Da ich die Wirtschaftlichkeit meines Druckers recht gut kenne, war ich mir sicher, dass die Frage im Kopf war. Während einer Reihe von Experimenten zum Zusammendrücken der Angelschnur in die Luft bemerkte ich einen sehr interessanten Effekt




Im heißen Zustand war wie lebendig ein Faden in der Mitte des Schmelzestroms sichtbar, der auftritt, wenn die Extrusionsrate erhöht wird, auf dem Spulen aus flüssiger viskoser Schmelze aufgereiht sind.
Auch während dieser Operation habe ich die Datei zur Berechnung der Köpfe gut neu erstellt. Jetzt können nicht nur die Wärmeströme vom Kopf, vom Kühler bis zur Befestigungsstelle des Kopfes, die mit Kunststoff abgetragene Wärme (deutlicher - die mit dem Filament mitgebrachte Kälte) berechnet werden, sondern auch die Erwärmung des Filaments in der Dynamik, auch für den Fall einer Überhitzung über der Arbeitstemperatur (Das heißt, die Heiztemperatur ist höher als zum Schmelzen erforderlich, aber wir berücksichtigen die Zeit, nachdem das Zentrum die Arbeitstemperatur erreicht hat).

Berechnungen zeigten, dass die Bildung dieses Fadens eine direkte Folge des Nichtschmelzens des Filaments zur Mitte ist. Darüber hinaus ergibt sich die genaue Übereinstimmung der geschätzten und der tatsächlichen Schmelzzeit aus der Berechnung der Extrusionsrate. Die Bildung eines ungeschmolzenen Fadens zur gleichen Zeit erklärt irgendwie (eine andere Option ist Wasserdampf, es gibt viele von ihnen, aber warum gibt es Sprünge?) Die Bildung von flachen Blasen auf einer Angelschnur bei hohen Geschwindigkeiten.

Dann berechnete ich mit derselben Feile die Wärmeabgabe mit dem ankommenden Filament (es kommt kalt und wird dann erhitzt / geschmolzen und seine Auswirkung auf die Temperatur des Kopfes.

Es gibt eine Nuance: In meinen experimentellen Köpfen habe ich hausgemachte Thermoelemente mit einem hausgemachten PID-Regler verwendet. In diesem Fall ist die Trägheit der Regulierung sehr gering. Im Drucker habe ich einen Kopf mit Wärmewiderstand. Dies führt zu einer erheblichen Verzögerung bei der Temperaturregelung. Mit einer Verzögerung von 3 bis 5 Sekunden kann die Temperatur des Kopfes aufgrund des Wärmeeintrags durch das Filament um bis zu 10 ° C fallen. Und ich berechnete den Betriebsmodus basierend auf der Temperatur des Kopfes 245 ° C und dem Aufwärmen der Mitte auf 235 ° C. Bei einer solchen Wärmeabfuhr durch Filament könnte die Kerntemperatur jedoch auf 225 ° C fallen, und dies ist ein starker Anstieg der Viskosität. So wurde ein Faden aus dehnbarem Kunststoff erhalten, der eine heiße Schicht abriss, die während der Bewegung des Kopfes am Substrat haftete.

Daher habe ich die erforderlichen Änderungen berechnet: - Erhöhen Sie die Kopfheiztemperatur auf 255 ° C (wenn Sie einen schnelleren Temperatursensor und ein schnelleres Kopftemperaturregelsystem verwenden - zumindest die PID, aber ein prädiktives / prädiktives Temperaturregelsystem ist weiterhin möglich).

Reduzieren Sie außerdem die Zufuhrrate auf eine theoretisch berechnete Schmelzrate.
Tatsache ist, dass ich aufgrund der Kompaktheit des Kopfes seine Länge stark reduziert habe - daher die geringere Extrusionsgeschwindigkeit im Vergleich zu den Prototypen.

Als ich Änderungen vornahm, druckte ich zuerst einen Test und dann das Produkt. Alles lief sehr gut, selbst Verzug, der beim Bedrucken mit Polyamid immer eine Geißel war, war nicht großartig.

Ich habe dies als Beispiel dafür genommen, dass die Theorie die Prozesse angemessen beschreibt und sie nicht nur erklären, sondern auch einige wichtige Parameter vorhersagen kann.

Im Kern gibt es nichts Überraschendes oder sehr Neues.

Wichtig für die Beschreibung des Geschehens im Kopf sind die Prozesse der Wärmeleitfähigkeit und des viskosen Flusses.

Die Quintessenz ist, dass das Filament nicht sofort schmilzt. Die Wärmeübertragungsrate für Kunststoffe ist gering, die Wärmekapazität ist recht hoch. Aus den Grundlagen der Physik wissen wir, dass die meisten Substanzen schmelzen, sobald ihre Temperatur den Schmelzpunkt erreicht. Da die geschmolzene Kunststoffflüssigkeit sehr viskos ist, ist ein inneres Mischen für sie nicht typisch. Es (Strömung) ist laminar (dies wird durch das Reynolds-Kriterium bestimmt, für ein viskoseres Fluid nimmt die Wahrscheinlichkeit einer turbulenten Bewegung ab), dh die Schichten vermischen sich nicht, die Temperatur wird hauptsächlich durch Wärmeleitfähigkeit übertragen.

Wenn der zentrale Teil des Filaments nicht geschmolzen ist, ist ein Verstopfen möglich, und wie wir sehen können, andere Optionen, um ein normales Drucken zu verhindern. Übrigens ist bei ABS-Kunststoff das Bild der Nichtschmelze völlig anders, schlammige Inseln - Fäden sind in einer fast transparenten Schmelze sichtbar - Fäden, aber es gibt auch Blasen. Es scheint, dass es die Haftung beim Drucken nicht beeinträchtigt. Zumindest stört es nicht viel, so wie ich es verstehe.

Die Geschwindigkeit des Kopfes wird also durch die Geschwindigkeit des vollständigen Eindringens des Filaments in die Mitte bestimmt. Dies geschieht durch Wärmeübertragung von Schicht zu Schicht. Die Aufheizzeit wird aus dem Einstrom von Wärme, Masse und Wärmekapazität der Schicht bestimmt. Die nächste Schicht erhält Wärme von derselben Kopfwand, aber der Weg, den die Wärme durchläuft, wird länger, was einen größeren Wärmewiderstand bedeutet, was bedeutet, dass die Heizrate niedriger und damit zur Mitte hin wird - sie wird langsamer und langsamer. Zwar wird die Masse der Zylinder durch Verringern ihres Durchmessers verringert.

Somit ist der Faktor, der die Leistung des Kopfes beim Schmelzen von Kunststoff bestimmt, die Länge des Heizteils. Ich habe versucht, mit einem "heißen Kühler" zu spielen, der die Arbeitsgeschwindigkeit in gewisser Weise erhöhte, aber die Gefahr von Blockierungen erhöhte sich, wenn Sie die Temperatur des Kühlers nicht kontrollierten. Je länger der Heizteil ist, desto höher ist die Schmelzleistung. Die Abhängigkeit ist linear. Ja Ja! Linear Übrigens ist auch die Leistung für verschiedene Filamentdurchmesser nahezu gleich. Dies ergibt sich eindeutig aus den Berechnungen. Ja, die Zeit des vollständigen Schmelzens nimmt proportional zum Quadrat des Durchmessers zu. Die Querschnittsfläche des Filaments und damit das Volumen einer Längeneinheit ist aber auch proportional zum Quadrat des Filamentdurchmessers.

Der nächste wichtige Punkt, der sehr stark betrifft:

- Der Widerstand der Düse. Leider habe ich mich auch einmal geirrt, wie die Autoren der Frage in reprap.org/wiki/Hotend_theory über die Form der Düse. Diese Frage wurde vor langer Zeit von der Hydrodynamik gelöst, deren Antwort selbst in den gewöhnlichsten Lehrbüchern zu finden ist. Ich habe die "Prozesse und Geräte der chemischen Technologie" von Kasatkin verwendet. Ich empfehle es nicht. Ein verwirrendes Buch, aber ich habe daraus gelernt. Und er lebte und überlebte. Die Antwort lautet: Der Widerstand wird hauptsächlich durch den Durchmesser der Düse, die Viskosität des Fluids und die Länge des Düsenabschnitts bestimmt. Das heißt, es macht keinen Sinn, es in einer parabolischen Form länglich oder gerissen zu machen. Ich habe dies experimentell berechnet und überprüft. Echte Version mit einer länglichen Düse, scheint es sehr gut für Stiftdrucker geeignet. Dort ist es wichtig, dass es sehr glatt ausfällt und aufgrund der Zwischenschichtreibung der Angelschnur überhaupt nicht anschwillt. Aber der Widerstand ist hoch, sehr hoch.

In diesem Fall handelt es sich zwar um Newtonsche Flüssigkeiten. Ich konnte die Nicht-Newtonschheit flüssiger Polymerschmelzen nicht experimentell feststellen. Sie drücken mehr - es fließt mehr. Dann hält er die Klappe - schon wegen des Nicht-Eindringens oder weil er die Leine mit einem Hobbolt reißt oder der Hobbolt abrutscht. Der gleiche Widerstand findet im gesamten Schmelzbereich statt. Sein Anteil ist ziemlich groß, insbesondere bei Düsen mit großem Durchmesser (0,5 mm oder mehr). Darüber hinaus ist im Fall eines Filaments mit kleinerem Durchmesser diese Komponente relativ größer.

Für eine starke Abnahme des Widerstands im Düsenabschnitt müssen Sie ihn nur sehr dünn machen. In dem Sinne - eine Dünnkanaldüse. Aber hier wird schon Messing schlecht sein. Stahl, Stahlfolie. Dann können wir über Düsen von 0,1 mm sprechen. Wenn Sie Löcher elektroerosiv machen, sollten kleinere Durchmesser bei akzeptablen Druckgeschwindigkeiten funktionieren.

Wir haben das Drucken von Kleinteilen herausgefunden. Wenn Sie die Wandkontur mit einer dünnen Düse gestalten und den Kern mit einer Düse mit großem Durchmesser füllen, können Sie eine gute Druckgeschwindigkeit mit hohen Details erzielen (Kunststoffe mit unterschiedlichen Schmelzpunkten können verwendet werden, um die Außenkontur beim Verfüllen vor Verformung zu schützen).

Dies bedeutet, dass die Frage der weiteren Verbesserung der Köpfe auf der Frage der Geschwindigkeit des Filamentschmelzens beruht.

Und hier ist nicht hoffnungslos! Wie wir wissen, spucken industrielle Extruder, die Filamente und Angelschnüre für uns herstellen, diese mit einer Geschwindigkeit von bis zu zehn Metern pro Sekunde!
Unsere Köpfe sind 30-300, also 500 mm pro Sekunde. In Metern sieht es 0,03-0,5 aus. Warum?
Sie benutzen eine beheizte Schnecke. Es wurde für eine lange Zeit verwendet. Die Schraube löst das Problem der Wärmeübertragung von erhitzten Oberflächen auf die zu schmelzende Oberfläche radikal.

In einem kleinen Kopf schien es jedoch nicht nur unmöglich, eine beheizte Schnecke herzustellen, sondern sogar unnötig. Mit dem Vorschlag und der Idee meines Kollegen wurde eine Lösung vorgeschlagen, die die Schmelzrate auf demselben Segment um ein Vielfaches erhöhen könnte. Darüber hinaus hängt die Frage nach dem Grad der Beschleunigung hauptsächlich von den technologischen Fähigkeiten der Fertigung ab. Das Detail für die Ausrüstung, die ich habe, ist ziemlich schwierig herzustellen, und ich habe nicht das Geld, um auf einem Metallpulverdrucker auf Bestellung zu drucken. Ich habe nicht einmal eine Fräsmaschine und stelle die Bohrtiefe ein, indem ich die Unterlegscheibe zum Bohrer scrolle. Wir beschlossen, das kleine Ding zu nennen - Turbulator.

Nur ich habe Zweifel, dass jemand meine Forschung braucht. Sie sagen mir sofort: "Ja, unser Drucker zittert mit 300 mm / s." Ja, wir müssen ein anderes kinematisches Schema erstellen, wir müssen einen weiteren Extruder erstellen. Ganz anders. Damit ist der Kopfblock mit dem Extruder viel weniger träge und hat nicht die Nachteile von Wade-Extrudern. Ich glaube, dass ein Schema mit XYZ-kartesischen Koordinaten im Prinzip nicht mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten kann. Nach meinen Schätzungen kann die Druckgeschwindigkeit sehr hoch werden, wenn Sie in vielen Fällen Mechaniken im Polarkoordinatensystem αRZ implementieren. Um den Zentrifugaleffekt zu kompensieren, kann ein nicht planares Druckschema angewendet werden. Drucken wie auf der Oberfläche einer Kugel. Dies ist natürlich aus Software-Sicht nicht einfach zu implementieren, aber auf diese Weise wurden viele technologische Fortschritte erzielt.Möglichkeiten, Berechnungen zu komplizieren, um bessere Ergebnisse zu erzielen oder die Mechanik zu vereinfachen.

Zuvor habe ich eine Reihe von Artikeln über das Design solcher Köpfe veröffentlicht:

geektimes.ru/post/259730
geektimes.ru/post/259738
geektimes.ru/post/259832

Es gibt viele lange Orte, im Allgemeinen ist die Mehrheit wahr, einige Orte sind lehrreich (über Köpfe mit längliche Düsen - dies ist ein Archaismus des technischen Analphabetismus - ich selbst war so), einige Dinge sind zu detailliert, Berechnungen und Formeln - das ist die Hölle, wie können Sie Fehler machen? Ein heißer Heizkörper ist ohne besser, wenn auch etwas langsamer. Übrigens, gemessen an den riesigen Heizkörpern vieler Köpfe, ist ihre Effizienz gering - viel Wärme wird abgeführt. In letzter Instanz ergibt die Berechnung einen Wirkungsgrad von bis zu 20%. 7 Watt von 40 pro Schmelze. Dies ist für Nylon / Polyamid. Mit ABS und PLA wird es anders sein.
Ich möchte mich auch an Kollegen und Gleichgesinnte wenden - ich möchte einen Artikel über Theorie und Praxis der Berechnung von Hotends, präzise und korrigiert, mit den Ergebnissen von Experimenten am Turbulator verfassen und ihn auch in englischer Sprache für die RepRap-Community verfügbar machen. Wenn Sie der Meinung sind, dass dies eine gute Idee ist, schlage ich vor, sie zumindest zu genehmigen. Wenn es jedoch um den Artikel geht, helfen Sie mir, ihn zu korrigieren / zu übersetzen, wenn jemand dies kann (ich verwende normalerweise den Google-Übersetzer), und sagen Sie mir, wie und wo ich ihn besser platzieren kann. Bieten Sie keinen Nagel in der Toilette an - es gibt keine Papierversion 8))

Source: https://habr.com/ru/post/de401075/