👩🏼‍⚕️ ☠️ 🌤️ Sobre el desarrollo de cabezales de impresora 3D FDM. Parte 1 ⚔️ 💨 🏮

A finales de 2013, después de mucho pensar y estudiar Internet, decidí construir una impresora 3D, durante el montaje de la cual me inspiré en la ideología de la "pequeña ingeniería mecánica" y, comenzando por la pequeña, me dediqué al desarrollo y la modernización de mis nodos de impresora.

Tal parte de la impresora como la cabeza resultó ser bastante misteriosa. Significa que en detalle sobre los principios de su construcción no se escribió demasiado, y en la Web estaba lleno de quejas sobre plástico atascado y de baja calidad. Yo mismo no he tenido ningún problema con la cabeza, probablemente porque inmediatamente compré una cabeza de calidad de un buen fabricante.
De todos modos, el tema del desarrollo de la cabeza me interesó. Empecé a hacer prototipos. Resultó bastante bien. Pero, cuanto más profundizaba en el tema, más sutilezas y pequeñas cosas se revelaban en él y más interesante. Luego sucedió que durante varios meses desarrollé el mecanismo de cabezal y alimentación para la impresora 3D manual Lix Pen. Me agregó experiencia y capacidades técnicas. Ahora sigo estudiando este tema, creo que he acumulado mucha información sobre este tema y quiero compartirlo si alguien está interesado.

En general, el objetivo principal de mis experimentos es aumentar significativamente la velocidad y la resolución de la impresión de impresoras 3D tipo FDM.

Higo. 11 Cabeza tipo 3.1
¡ATENCIÓN! Los ejemplos de cabezales de impresión descritos a continuación no son un producto, no están a la venta, ya que son productos de alta velocidad / registro / experimentales y nadie los produce.
En esta parte consideraremos: 1. La cabeza, la estructura general y los procesos que se desarrollan en ella. Extrusión. Fricción. - 1.1 Zonas de cabeza - 1.2 Cálculo de la velocidad de fusión del filamento y su efecto. - 1.3 El efecto de la fricción. Su calificación Barrera térmica. Radiador caliente - 1.4 Atascos de tráfico. - 1.5 Cálculo de flujos de calor y gradientes en reposo y en movimiento, en la cabeza. Cálculo del radiador caliente con él y sin él.

Introducción
El principio de funcionamiento de las impresoras 3D FDM es que una línea de pesca de plástico (generalmente llamada filamento) es empujada por un extrusor al cabezal de impresión (HotEnd) desde el cual se extruye en forma de una línea de pesca delgada. El microcontrolador controla el movimiento de la cabeza y el escritorio (el producto impreso se encuentra en él), de modo que el producto se forme a partir de esta línea de pesca. Hay muchas sutilezas en este proceso, pero la esencia está precisamente en esto. Está claro que la precisión del producto de impresión está determinada por la precisión del posicionamiento del cabezal en relación con la mesa, ¡pero no solo eso! El diámetro de la línea de pesca exprimida también es importante. Ni siquiera el diámetro, sino el ancho de la línea de pesca. Desde la boquilla de la cabeza, la masa fundida se extruye en forma de cilindro, esto es así, pero para sujetar las capas juntas, la altura de la cabeza sobre la parte se toma un poco menos que el diámetro de la boquilla.Al mismo tiempo, el hilo de pescar está ligeramente manchado y ampliado.

En la práctica, el grosor de la capa se selecciona según el propósito: 1.5-2 veces menos que el diámetro de la boquilla.

Fig. 1 Sedal de trituración
En la parte inferior de la Figura 1 se observa que la superficie de contacto con el sustrato es muy pequeña y casi no se produce el ensanchamiento de la línea de pesca. En la parte superior de la figura, puede ver el aplanamiento de la línea de pesca, mientras crece el área de contacto, así como el ancho de la línea de pesca. En las descripciones de la impresora, a menudo se indica el parámetro de espesor mínimo de capa. Sin embargo, esto caracteriza la resolución de impresión en un solo eje ... En los otros dos, el diámetro de la boquilla (el ancho de la línea de pesca, que se obtiene del diámetro de la boquilla y el grosor de la capa) es determinante en gran medida. Para ilustrar, traté de dibujar pequeños detalles en la Figura 2 con líneas gruesas. Debe tenerse en cuenta que cambiar el movimiento de la boquilla en ángulo recto es algo indeseable debido al hecho de que el plástico se aplicará dos veces en algunas áreas. Esto provocará hinchazón y extrusión a lo largo de los bordes, lo que degradará la calidad de impresión.Por lo tanto, con mayor frecuencia los ángulos se imprimen con ciertos filetes.

Fig. 2
Podemos ver el redondeo de las esquinas en la imagen. El relleno incompleto en el interior tiene poco efecto sobre la resistencia. En general, generalmente se usa un grado de llenado de una parte del 40-60%, pero esto depende de muchos factores. Al imprimir con poliamida seca, utilicé un relleno del 15-20%. En este caso, solo el contorno exterior, la parte superior e inferior de la pieza se imprimen en una capa continua. Por defecto: 3 capas desde el borde y luego rellenar. Entonces, para un objeto imprimible de alta resolución necesitará el diámetro de boquilla más pequeño posible. Esto plantea otro problema: la velocidad de impresión. Supongamos que nuestra cabeza ofrece una velocidad de extrusión decente de 100 mm / s, con un diámetro de boquilla de 0.3 mm. Esto se refiere a la velocidad de extrusión de plástico en la salida de la boquilla. Calculemos cuánto será en centímetros cúbicos, lo que lleva a centímetros:

V = L * 3.14 * D² / 4 = 10 * 3.14 * 0.03² / 4 = 0.007068 cm³ / s

Suponga que una densidad de llenado de 0.4 no es suficiente, por supuesto, pero ...

0.007068 / 0, 4 = 0.01767 cm³ / s

Resulta que 1 centímetro cúbico de la pieza con un grado de llenado de 0.4, una impresora con una boquilla de 0.3 mm imprimirá 56.5 segundos. Aproximadamente - 1 minuto. Volumen parcial de un litro: 1000 minutos, aproximadamente 16 horas. El resultado no es inspirador. Está claro que cuando el diámetro se duplica, a la misma velocidad de extrusión, la velocidad de impresión aumentará cuatro veces.
Entonces, si tenemos una mecánica de impresora perfecta, para lograr mejores resultados, debemos tener la máxima velocidad de extrusión para la boquilla más delgada. En el caso de una boquilla con un diámetro de 0.3 mm, el radio de redondeo mínimo real de las caras puede ser de medio milímetro, en mi opinión. Esto se debe a cierta expansión de la línea de pesca al aplastar la cabeza. Incluso en pequeña medida, pero esto es necesario para que la fuerza no caiga demasiado. Muchos notaron la resistencia desigual de los productos a lo largo de los ejes X, Y y Z. La resistencia a lo largo del eje Z es menor debido al hecho de que las capas no pueden unirse lo suficiente. Con un buen aplastamiento de la línea de pesca, por ejemplo, una altura de capa ½ del diámetro de la boquilla, este problema no se nota.
Otro objetivo asociado con estos dos es reducir la masa del conjunto del cabezal de impresión. En la mayoría de las impresoras, la cabeza se mueve en uno o 2 planos. Cuanto antes se mueva, más rápido imprimirá. Sin embargo, hay modelos donde se mueve todo el escritorio. Una cosa asombrosa. El escritorio es mucho más pesado que la cabeza, incluso con una extrusora. Además, la parte impresa está pegada a ella. Las aceleraciones alternas constantes deben esforzarse firmemente para romperlo. Y la cabeza es de hierro, es difícil romperla.
Ahora la cabeza en sí es HotEnd. En general, no es demasiado pesado, pero hay uno pero, la opción de conexión más común, la de Greg o Wade, consiste en colocar un extrusor, una unidad que empuja el filamento en HotEnd, constructivamente con la cabeza. Esto aumenta dramáticamente la masa. Opción de conexión bowden, cuando la extrusora se fija y se conecta a la cabeza con un tubo de teflón largo y móvil (el teflón da poca fricción) a través del cual el filamento ingresa a la cabeza. Esta solución no es demasiado confiable, la fuerza transmitida no es tan grande, además, es difícil controlar rápidamente el flujo de plástico hacia la cabeza. Para velocidades de impresión muy altas, no es adecuado, en mi opinión.
Por otro lado, la gran masa del cabezal móvil con la extrusora, con un movimiento rápido, causa grandes cargas en el marco de la impresora, y también requiere energía extra para mover toda esta masa. Esto significa que un aspecto de la consideración debería ser la reducción de la masa total de la unidad de impresión.
Conclusiones:
Tres tareas principales que afectan la velocidad y la calidad de la impresión:
1. Obtener una boquilla viable con un diámetro posiblemente pequeño
2. Al mismo tiempo con una alta velocidad
3. Y al mismo tiempo, de modo que la masa de la unidad de impresión sea lo más pequeña posible.
Estos son problemas cuya solución, creo que es importante para mejorar las impresoras 3D FDM, y cuyas soluciones se discutirán aquí.

Capítulo 1. La cabeza, el dispositivo general y los procesos que se desarrollan en él. Extrusión. Fricción.

1.1 Zona de la cabeza. Para resolver los problemas anteriores, debe comprender los procesos que ocurren en la cabeza para optimizarlos. Entonces, tomemos un diagrama simplificado del interior de la cabeza. cm. Fig.3

Fig.3
ver qué procesos tienen lugar en áreas designadas.
En la zona A , vemos filamentos fríos entrantes. Sus propiedades aún no han cambiado con respecto al calentamiento, por lo que su resistencia al movimiento está determinada por la fricción contra las paredes. Se puede reducir bien usando un revestimiento de teflón, un tubo, ya que el teflón funciona bien cuando la temperatura no es demasiado alta (solo el revestimiento) y la fricción por deslizamiento es muy baja.
Ahora sección B- color verde. En esta parte, el plástico ya se calienta ligeramente de las paredes y sus propiedades mecánicas se deterioran, pero la fluidez aún no se ha manifestado.
Sospeché la existencia de este sitio de acuerdo con los resultados de los experimentos con una cámara de fusión muy larga con un canal estrecho (para un mejor contacto térmico).

De repente, la tasa de extrusión cayó dramáticamente. El espacio de diámetro era de aproximadamente 0,1 mm. Supuse que con el calentamiento parcial, la resistencia de la varilla de plástico disminuye y comienza a doblarse en el canal bajo la influencia de la presión de la extrusora con un radio de curvatura más pequeño, es decir, se producen demasiados puntos de fricción contra la pared, o incluso un ligero inflado hace que se forme un corcho, pero no donde es necesario, no en la zona de un gradiente de alta temperatura (más sobre esto a continuación).
A favor de la formación de un resorte de serpiente dice que durante la extrusión se observó una gran postextrusión. Es decir, después de que el extrusor se detiene de la boquilla, el plástico continúa ahogándose. Para verificación y eliminación, el canal fue perforado a 2.0 mm con 1.8 mm. El espacio libre fue de 0,3 mm. La velocidad ha aumentado significativamente. Este fenómeno es probablemente más característico de un filamento de diámetro pequeño, ya que la rigidez de la varilla al doblarse con una disminución del diámetro disminuye de acuerdo con la ley del tercer o cuarto grado. Sin embargo, con absoluta certeza, esto no puede considerarse la razón principal de la falla en este caso, ya que se eliminó un error más: la sección de salida de la boquilla era demasiado larga. 4-5 veces más de lo recomendado y normal. Debido a error de fabricación. Sin embargo, a juzgar por los cálculos de las fuerzas de fricción en la punta de la boquilla (a continuación),un canal de escape largo no debería haber dado tal disminución en la velocidad.
Sección C. La temperatura aumenta y comienza la deformación plástica de la barra. Bajo presión, se distribuye a los lados, formando un pistón. Conocí una descripción de este fenómeno en la página http://reprapology.info/archive/1422/rheology/ ¡Gracias, colegas! Este momento se comprobó fácilmente: con un diámetro de hilo de pesca de 3 mm, fue suficiente para que el cabezal se enfriara después de la impresión, y luego, utilizando un calentamiento rápido, retire la línea de pesca con una afluencia endurecida. El diseño de la cabeza me permitió hacer esto fácilmente.
Por lo tanto, el pistón resultante sirve como un obstáculo para las capas inferiores de plástico líquido más calientes y no permite que se rompan. Tales avances ocurrieron bajo ciertas condiciones, también pude observarlos. Por lo tanto, este fenómeno es útil, por eso lo llamo el "embotellamiento del trabajo". Sin embargo, bajo varias condiciones, el corcho comienza a crecer en longitud. Un ajuste cercano a las paredes sobre una gran parte de la masa semisólida aumenta drásticamente la resistencia. Hay un "embotellamiento": congestión. También pude obtener este fenómeno en mis cabezas experimentales, aunque bajo ciertas condiciones.
El hecho es que, por supuesto, principalmente, un corcho se produce debido a un diseño fallido de la cabeza y solo como resultado de esto, más a menudo durante el tiempo de inactividad en un estado calentado. Obviamente, de la figura se desprende que la sección del "enchufe de trabajo" debe tener una cierta longitud, no más corta y no más larga que la óptima. No pude encontrar el defecto "un atasco de trabajo demasiado corto", pero es frecuente que ocurra "demasiado tiempo". Está claro que si consideramos el estado estacionario, la longitud del "tapón de trabajo" está determinada por la diferencia de temperatura (gradiente) desde el comienzo de la zona C hasta su final. En el caso de los plásticos con una temperatura de funcionamiento de 230 ° C, la temperatura más baja al comienzo de su formación probablemente se encuentre en la región por encima de 100-110 ° C.En realidad, este hecho explica el uso de ventiladores y barreras térmicas en los cabezales de trabajo, cuando se detiene la impresión (y no solo),evitan el aumento del calor y, en consecuencia, el crecimiento del corcho y su desplazamiento en áreas indeseables.
Sección D. Tampoco es una sección simple. El hecho es que en esta zona el plástico debe fundirse hasta el centro, es decir, completamente. De lo contrario, si un núcleo no fundido se acerca a la boquilla, se observa una extrusión desigual del plástico: no se aprieta un hilo de pescar sólido, sino una especie de guirnalda de salchichas con constricciones o para pesimistas: "kakashist". A velocidades ligeramente más bajas, se puede ver el uso de poliamida recién secada en una línea de pesca transparente extruida, a lo largo del eje, pequeñas inclusiones de plástico turbio no fundido de forma cilíndrica. Este fenómeno se observó bien en el cabezal tipo 3.3 con un diámetro de filamento de 1.6-1.7 mm y un diámetro de boquilla de 1 mm, con una velocidad de alimentación de filamento de 500 - 1000 mm / min. Aquí hay algunas fotos.
Un ejemplo de una poliamida seca con una alimentación de 500 mm / min, una temperatura de 225 ° C, el deslizamiento de la línea de pesca en la extrusora es de aproximadamente 10%.

Fig. 4
Se puede ver que la línea de pesca es casi plana en todas partes, solo que es muy burbujeante. No se alarme: esta característica es el resultado de una combinación: un gran diámetro de la boquilla de salida y una alta velocidad de alimentación.
Es lo mismo, pero la velocidad de alimentación del filamento es de 1000 mm / min, ¡y el coeficiente de deslizamiento es de aproximadamente el 50%! Es decir, la oferta en realidad aumentó apenas un 5-10%. Coeficiente de deslizamientoLo uso para indicar el hecho de que con un aumento en la velocidad de alimentación, aumenta la velocidad de extrusión de la línea de pesca y, en consecuencia, aumenta la resistencia a empujar la línea de pesca. En algún momento, los dientes del hobbolt no pueden hacer frente a la captura del hilo de pescar y comienzan a rasgarlo o resbalarlo. En este caso, la velocidad de alimentación establecida comienza a exceder la real; la determinamos por el peso de la línea de pesca exprimida. Para el 100% considero el cumplimiento completo de las entradas, para el 0%, el cese completo de las entradas. Este valor caracteriza muy bien la presión de extrusión, 80% generalmente significa un proceso estable y uniforme.

Fig. 5
Se observa algo de grumos, aunque es poco visible debido al burbujeo.

Fig.6
Aquí hay poliamida seca, diámetro de filamento 1.7 mm, alimentación 500 mm / min, temperatura 215º. No hay burbujas, hay constricciones. Por cierto, el secado se realizó en un horno eléctrico, 30 minutos a 100º, 30 minutos a 120º. Contracción del 5,5% de la masa. El secado adicional durante una hora a 120 ° C condujo a una disminución de peso en 0.5-1.0%. Al mismo tiempo, mi hilo de pescar estaba parcialmente deformado, probablemente el horno no es el mejor dispositivo para el secado.
Conclusión: 1 hora, con un aumento gradual de la temperatura es suficiente para el secado. El secado no afectó significativamente la velocidad de extrusión. Un punto importante! Con el tiempo, tanto la poliamida como el ABS obtienen humedad del aire. Al imprimir, esto lleva a la aparición de burbujas en la línea de pesca, lo que significa protuberancias e irregularidades en el producto terminado. Esto tiene que ser peleado.

Fig. 7
Buena línea de pesca uniforme, el diámetro camina un poco. Avance 300 mm / min. El deslizamiento es casi cero.
Sección E - zona de compresión de flujo.La teoría enseña que la forma y la longitud de esta sección no es demasiado importante: cuanto más corta, mejor. Hubo sospechas, algunos camaradas de Roboforum, de que debido a la naturaleza viscoelástica del polímero fundido, esto puede no ser así. Los experimentos confirmaron la ventaja de las boquillas más simples, con un gran ángulo de entrada obtenido mediante la perforación con una broca convencional, en una sola pasada. Se probó cualquier perforación escalonada, boquillas cónicas alargadas (hasta una extensión de 1k13), boquillas con un perfil parabólico, y resultó ser mucho más fricción peor que la boquilla más simple hecha con un taladro con un ángulo de afilado de 118º. Entonces, por el momento, creo que no tiene sentido. Una pregunta con un filamento lleno: este puede no ser el caso.
Sección F - boquilla boquilla.De hecho, cuanto más corto, mejor. Recomendado hasta 0.4 mm. Esta es el área con la mayor resistencia, por lo que su longitud afecta en gran medida la resistencia. Con una longitud de 0.4 mm y un diámetro de boquilla de 0.2 mm, resultó que el 49% de toda la resistencia cae en esta porción. Esto es para la última versión del cabezal V4_1. La metodología para obtener estos datos será menor. Pero debe tenerse en cuenta que alargar esta sección no solo reduce la velocidad, sino que también tiene un efecto de suavizado en el goteo, reduciendo la hinchazón a altas velocidades. Es cierto que todavía es necesario averiguar si esto afecta la calidad de impresión; después de todo, de todos modos, el goteo se mancha inmediatamente en la parte

Conclusiones: se describe la división de la cabeza de acuerdo con los procesos que entran en zonas. Los principales procesos en ellos están en curso. Tapón de pistón de trabajo. Fricción. Fusión completa del filamento. El contenido de agua en el filamento, su efecto, el secado. Las formas de boquillas alternativas son la perforación escalonada.
1.2 Cálculo de la velocidad de fusión del filamento y su efecto.
Calculé la velocidad de fusión de una varilla de plástico cilíndrica desde la superficie de
acuerdo con la ley de Fourier, suponiendo que el calor no se desperdicia en una transición de fase (como el hielo derretido) (que no es muy cierto en el caso de la poliamida; tiene una cristalinidad notable, pero el error es pequeño), que la fusión de las capas fundidas no sucede, esto está cerca de la verdad porque, debido a la alta viscosidad del plástico fundido, su flujo en una tubería de diámetro no demasiado grande (1.7 y 3.0 mm) es laminar.
Para una delgada capa cilíndrica de plástico, consideré la potencia térmica que ingresa a esta capa: P = λ * S * ΔTdv / l, donde λ es la conductividad térmica del plástico, S es el área de transferencia de calor, l es el espesor de la capa de conductividad térmica, contando desde la superficie calentada. ΔTdv: la fuerza impulsora del proceso, la diferencia de temperatura entre el calentamiento y las superficies calentadas. Si la potencia excedía la potencia del calentador, se calculó ΔTdv en la fórmula, calculada a partir de la condición de que la potencia del calentador es igual. De acuerdo con la fórmula Q = M * C * Δtr, se calculó ΔTr: un cambio en la temperatura del material calentado en esta capa, en este paso de tiempo. Por lo tanto, se consideró en capas, con un paso bastante pequeño en la tabla Calc del paquete Libre Office. Tomé un tamaño de paso de 0.15 mm y un intervalo de tiempo de 0.02 s.
Ahora veamos cómo se calentará el objeto desde una superficie de calentamiento con una temperatura constante, como en nuestro caso. Según la ley de Fourier, sabemos que la velocidad de calentamiento es proporcional a la diferencia de temperatura, es decir. - "fuerza motriz", Δt. Contar. La superficie de calentamiento es t = 250 º, la temperatura objetivo es t = 230 º. Temperatura inicial t = 20 º. Tomemos el tiempo durante el cual un tercio de la diferencia de temperatura inicial ((250-20) / 3 = 77 º) se calienta igual a T. Además, la temperatura final en el intervalo es t = 97 º (20 + 77), y el promedio Δt = ((250- 20) + (250-97)) / 2 = 191 º. Durante el siguiente intervalo de tiempo T = 2, el objeto también se calentará hasta un tercio de la "fuerza impulsora" restante Δt = 250-97 = 153 º, y la temperatura final en el intervalo será t = 97 + 51 = 148 º y el promedio Δt = ((250-97) + (250-148)) / 2 = 127.5 º.

Durante el intervalo de tiempo T = 3, Δt = 250-148 = 102 º, y la temperatura final se convierte en t = 148 + (102/3) = 182 º y el promedio Δt = ((250-148) + (250-182)) / 2 = 85 º.

Sobre = 4, Δt = 250-182 = 68 º, la temperatura se convertirá en t = 182 + (68/3) = 205 º y el promedio Δt = ((250-182) + (250-205)) / 2 = 56, 5 º.

Sobre = 5, Δt = 250-205 = 45 º, la temperatura se convertirá en t = 205 + (45/3) = 220 º y el promedio Δt = ((250-205) + (250-220)) / 2 = 37, 5 º.

Sobre = 6, Δt = 250-220 = 30 º, la temperatura se convertirá en t = 220 + (30/3) = 230 º y el promedio Δt = ((250-220) + (250-230)) / 2 = 25 º . Entonces, cuando se calienta desde la superficie con un ligero sobrecalentamiento (20º), tenemos una salida a los parámetros establecidos durante 6 intervalos de tiempo convencionales T.
Ahora veamos qué sucede si aumentamos esta diferencia de temperatura. Calculamos el mismo calentamiento a partir de la superficie de calentamiento con t = 320 º - tal posibilidad técnica está disponible en la cabecera de este diseño.

T = 1, Δt = 320-20 = 300 º, la temperatura se convertirá en t = 20 + (300/3) = 120 º y el promedio Δt = ((320-20) + (320-120)) / 2 = 250 º.

T = 2, Δt = 320-120 = 200 º, la temperatura se convierte en t = 120 + (200/3) = 187 º y el promedio Δt = ((320-120) + (320-187)) / 2 = 166.5 º.

= 3, Δt = 320-187 = 133 º, la temperatura se convierte en t = 187 + (133/3) = 231 º y el promedio Δt = ((320-187) + (320-231)) / 2 = 111 º.

Resulta que al calentar el plástico más caliente de lo que necesita la cabeza, aumentaremos notablemente la velocidad de fusión. No está mal, esta solución puede ser útil, aunque surgirán varias dificultades. Además, esto afectará positivamente la viscosidad del plástico líquido, porque la velocidad de fusión del plástico no es el único factor que limita la velocidad del flujo de plástico desde la boquilla. Esto se tuvo en cuenta en el cálculo, por lo que fue posible considerar el modo de operación con sobrecalentamiento. Resultó una tabla maravillosa hecha en LibreOfficeCalc, que le permite considerar el calentamiento de la barra con un conjunto de factores y le da la oportunidad de calcular dónde y qué temperatura será. No regañe por usar el Excel analógico, ella hace su trabajo.

El tiempo de fusión total de la poliamida PA6 con un diámetro de 1,7 mm, a una temperatura del calentador de 280 ° C, a una temperatura de 200 ° C, con una potencia del calentador de 30 W, fue de 2,88 s, y en el caso de un calentador con una temperatura de 240 ° C - 3,24 s. Para el mismo plástico con un diámetro de 3 mm y una potencia del calentador de 50 W, con una temperatura del calentador de 280 ° C y calentamiento a 200 ° C - 8.64 s, y con un calentador con una temperatura de 240 ° C - 9.84 s. Estos son los datos de cálculo cuando se sustituyen los parámetros de cabezas reales tipo 4.1 y 3.3. Además, de acuerdo con los resultados del cálculo, se construyó un perfil del frente de fusión del filamento en la cabeza.

Fig. 8
A partir del valor del tiempo requerido para que la varilla se derrita, puede considerarse la longitud necesaria de la zona de fusión o la velocidad máxima posible de fusión del filamento.
Para la verificación experimental de los cálculos para un filamento de 1,7 mm de diámetro, utilicé un cabezal tipo 3.3 con una boquilla perforada a 1 mm para un filamento de 1,7 mm, y un cabezal tipo 4.1 con una boquilla 0.9 para un filamento de 3 mm. Una abertura tan grande debía reducir significativamente la resistencia al estallido debido a la viscosidad, dejando solo una limitación del estallido de la masa fundida. Dado que la velocidad de flujo de la masa fundida desde la boquilla es mucho mayor que la velocidad de avance del filamento (en proporción a la diferencia entre los cuadrados de los diámetros), la parte fundida del filamento no puede simplemente salir del agujero, bloquea la boquilla, y si es más pequeña que el diámetro de la boquilla, la rompe en pedazos por una corriente . La temperatura ya es bastante alta, por lo que la resistencia del núcleo fundido es baja.Este fenómeno se puede observar durante la extrusión de poliamida seca (la masa fundida no seca está turbia debido a las burbujas de vapor), en estado fundido es transparente, y en la línea de congelación caliente desde la boquilla, eran visibles pequeñas islas de inclusiones fangosas a lo largo del eje.
Cómo se midió la salida, lo que significa deslizamiento: Primero, se calibró la extrusora. En una tarea (por ejemplo) de 50 cm, aplastó la línea de pesca a baja velocidad para asegurarse de la ausencia de deslizamiento. Se midió cuánto vendió realmente. Se colocaron marcas en un hilo de pescar con un rotulador. Se calculó la gravedad específica del filamento: se cortó un trozo de filamento de 1 m de largo y se midió cuidadosamente el diámetro en varios lugares. Esta pieza fue pesada. La densidad se calculó a partir de estos datos. - Por cierto, el tipo de poliamida se puede juzgar bastante bien por su densidad, y esto nos permite juzgar sus otras características, como la resistencia, el punto de fusión y la absorción de agua.
La velocidad máxima de alimentación real del filamento durante el calentamiento a 280 ° C para un diámetro de 3 mm fue de 6.52 mm / s. La velocidad real de alimentación se obtiene dividiendo el peso de la línea de pesca exprimida por el tiempo de trabajo del extrusor, luego dividido por la densidad (obtenemos volumen por segundo), luego por el área de sección transversal del filamento. Para este cabezal, la longitud de la zona de fusión puede considerarse de unos 50 mm. Entonces, el tiempo de fusión del experimento es τ = 50 / 6.52 = 7.67 s. Este es el momento de la fusión completa del filamento con un diámetro de 3 mm. Más precisamente, no era un filamento, sino un hilo de corte, su diámetro era estable. En el caso de un hilo de corte con un diámetro de 1,6 mm, su diámetro "caminó" de 1,62 mm a 1,68 mm. Para tal filamento, la velocidad de fusión completa fue 4,17 s. La diferencia con el calculado es algo mayor que en el primer caso. Entiendo que esto se debe a la resistencia de un canal de trabajo más estrecho.Es una buena coincidencia con la teoría. Es probable que la velocidad de fusión completa para otro diámetro sea cuadrática (y se calcula para filamentos de 3 mm, esto confirma).
: , . . . . .
1.3 El efecto de la fricción. Su valoración. Thermobarrier. Radiador caliente Se manifiesta en todas las partes de la cabeza. La fricción del plástico frío, la fricción de un plástico ligeramente calentado debido a la hinchazón hacia los lados, la fricción del "tapón de trabajo", la fricción del plástico líquido en las paredes y entre las capas y una resistencia inesperadamente alta en la última sección de la boquilla. Aunque generalmente se recomienda hacerlo corto, pero debido a que la velocidad del plástico en este lugar es la más alta y el diámetro del agujero es pequeño, la resistencia puede ser muy significativa.
La fricción en la sección hacia la cabeza y en la extrusora también es importante, pero ahora estamos tratando con la cabeza. Debido a la alta temperatura, el uso de un inserto de teflón dentro de la cabeza parece ser una mala solución, sin embargo, debido a la fusión del plástico, la fricción se reduce aquí, lo que significa que la necesidad de teflón desaparece. Sin embargo, debe evitarse la fricción seca sobre el metal, y si el plástico se desliza bastante bien sobre el acero pulido, entonces el aluminio no lo hará.
Entonces, volviendo al dibujo de la cabeza con zonas, imagen 3 - zona C, la zona de formación del tapón de trabajo.
Para reducir la fricción en esta sección, es necesario crear una gran diferencia de temperatura (gradiente) desde la zona C - la formación del tapón de trabajo, hasta la zona D - fusión. Cuanto mayor es el gradiente, menor es la longitud del tapón de trabajo y menor es la resistencia a la fricción. Para crear el gradiente apropiado, use la barrera térmica. A partir de las primeras cabezas del tipo 1.1, lo hice usando un tubo de acero inoxidable soldado (con soldadura de plata dura) a la cabeza de latón, se colocó un radiador de aluminio de disco pequeño en el tubo, a una distancia de aproximadamente 2-4 mm de la parte de latón. Debido a la baja conductividad térmica del acero inoxidable (grado 304 o X18H10) y la alta conductividad térmica del aluminio, el radiador adquirió una temperatura de aproximadamente 100 ° C y precalentó la línea de pesca reduciendo el tiempo de fusión, sin el riesgo de taponamiento. Como el radiador fue soplado por un ventilador,Resultó ser una buena estabilización térmica: el corcho no podía elevarse, ya que al aumentar la temperatura el radiador comenzó a emitir calor mucho más intensamente. En la sección del tubo de acero a nivel del radiador y superior, se utilizó un inserto de teflón desde el interior, por lo que se redujo la fricción aumentada de la sección B.
1.4. Atascos de tráfico. Considere, si es posible, el proceso de formación de atascos en la cabeza y su degeneración de "trabajadores" útiles a maliciosos. Para hacer esto, calcule el flujo de calor en diferentes partes de la cabeza y piense en ello.

En general, durante el funcionamiento del extrusor y el cabezal, la línea de plástico se convierte en una masa fundida y se empuja con una fuerza suficientemente grande a través de una abertura de boquilla estrecha. Esto esta claro. Por cierto, por algunas razones, se puede estimar que la masa fundida en la cabeza puede estar bajo una presión suficientemente alta. La fuerza de una buena extrusora puede alcanzar diez kilogramos de fuerza por filamento de 3 mm. Puse tanto esfuerzo en la barra cuando empujaba el plástico con la mano. Ocurrió. Cubre un área de 7 milímetros cuadrados bajo 100 atmósferas. Bueno, esto no es demasiado difícil de medir: insertamos en la boquilla una varilla hecha de un material con baja conductividad térmica (PEEK, PTFE?) Y medimos la presión del tapón de flujo. Para una boquilla con un diámetro de 0,5 mm - 2 gramos de fuerza por atmósfera. Aunque no es demasiado importante. No lo medí.

Entonces, la línea de pesca ingresa a la cabeza con un espacio. Nada se rompe de nuevo. Está claro que durante el calentamiento hay cierto ablandamiento del plástico y, bajo la influencia de la fuerza de la extrusora, se distribuye a los lados, mientras las paredes lo permiten. La capacidad de ablandar parcialmente el plástico es fácil de verificar, lo es.

De nuevo, está claro que cuanto menor sea la diferencia de temperatura a lo largo del área de ocurrencia del corcho, más extendido será el corcho. Cuanto más largo sea el contacto total del corcho con las paredes, mayor será la resistencia al empuje. Puedes ver la imagen 3 ... Además, cuando el plástico se derrite, la fricción contra las paredes disminuye y no puedes preocuparte así. Por lo tanto, cuanto más corto sea el tapón de trabajo, menos fricción espuria.

Imagine que la longitud del enchufe de trabajo es de solo 0.1 mm. Está claro que una capa tan delgada de material generalmente no demasiado fuerte no resistirá la presión de retroceso del plástico líquido, y estallará de nuevo, y, al romperse, se endurecerá en la parte fría, creando un corcho inesperado. Un par de veces me ocurrió sacar tal. Allí puede ver claramente cómo ocurrió un gran avance y el líquido se elevó por toda la barra de filamentos. Por cierto, en TODOS los casos cuando obtuve corchos (aunque tenía muchas cabezas experimentales, pero los corchos rara vez se formaban), los eliminé de manera muy simple: déjelos enfriar, luego encienda el calor, después de unos minutos, el comando "Reversa" al extrusor y la mano con sacado por la línea de pesca. Sugiero que esto puede deberse a la característica de diseño de todas mis cabezas.- Antes de la zona de fusión activa, hay un inserto de teflón dentro del tubo, con un diámetro no menor que el diámetro de la zona de trabajo de la cabeza.
Conclusión: el crecimiento del corcho y el atasco se producen, como creo, debido al hecho de que, cuando está inactivo, el calor sube por las paredes del soporte de la cabeza (¿barrera térmica?), Y cuando comienza el trabajo, el plástico blando se distribuye a los lados. Probablemente, se vuelve fatal cuando no hay revestimiento de teflón que llegue casi a la cabeza.

1.5 Cálculo de flujos de calor y gradientes en reposo y en movimiento, en la cabeza. Cálculo del radiador caliente con él y sin él.

1.5.1. El diseño de la cabeza BASS tipo 1.3 y los flujos de calor en ella. El nombre de las primeras letras de los materiales utilizados latón, acero inoxidable, aluminio. Filamento de 3 mm. Considere los flujos de calor, las temperaturas y los procesos utilizando este diseño como ejemplo. Estoy insertando una

pieza de mi antigua publicación
"Impresora Zd: una vista desde la cabeza", ligeramente corregida.

Fig. 9 Un poco de acuerdo con el esquema de la Fig. 9: púrpura en el exterior de la cabeza es una bobina de calentamiento, es mejor de nicromo, sin embargo, a menudo se usa una resistencia como calentador en las cabezas; esto es conveniente en la producción, pero reduce la confiabilidad y la uniformidad del campo de calentamiento, ya que la resistencia se encuentra localmente, por lo tanto, experimenta un sobrecalentamiento local. Sin embargo, aquí no hay una diferencia fundamental: una resistencia o un devanado. Solo: alta uniformidad y velocidad de calentamiento, pero la facilidad y precisión del diseño.

El rojo en la parte inferior de la cabeza es la zona del polímero fundido, es heterogéneo, ya que el polímero cambia la viscosidad en un amplio rango de temperatura, y la zona naranja es el área donde el polímero ya se calienta hasta la plasticidad, pero aún no es fluido. Esta zona es muy importante: en ella, la varilla de plástico se expande ligeramente, se ajusta cómodamente contra las paredes y se convierte en un pistón, que empuja la masa fundida a través de la salida: el troquel. El verde es la zona donde aún no se han producido cambios significativos en la ductilidad y la barra transfiere la presión aún más sin arrugarse. El sombreado diferente representa una cabeza de latón y un radiador de aluminio. El tubo fluoroplástico está resaltado en blanco: la guía, debido a la muy poca fricción, la barra a lo largo pasa con una resistencia mínima. Gris - tubo de acero inoxidable, cojinete de cabeza y radiador,además de un anillo - inserto - le permite evitar el estrés mecánico en el tubo de teflón en la parte más caliente. Esto es importante: el teflón, en tales condiciones, es extremadamente inestable mecánicamente, por lo que aquí colinda con el acero en todas partes: puede tener una fuga leve, pero no muy pronto, y esta pieza de tubo de teflón es muy fácil de reemplazar. El tubo de acero inoxidable está soldado a la cabeza de latón con una soldadura de plata sólida, por lo tanto, no hay dudas sobre la estabilidad térmica y la resistencia. El anillo (pulido desde el interior, para reducir la fricción), simplemente está incrustado en el interior y presionado hacia arriba por un tubo de teflón. Tenga en cuenta que el acero inoxidable debe ser de baja conductividad térmica, para esto se eligió. Por lo general, esto es algo así como 04X18H10.por lo tanto, aquí hace tope con el acero en todas partes: puede gotear un poco, pero no pronto, y esta pieza de tubo de teflón es muy fácil de reemplazar. El tubo de acero inoxidable está soldado a la cabeza de latón con una soldadura de plata sólida, por lo tanto, no hay dudas sobre la estabilidad térmica y la resistencia. El anillo (pulido desde el interior, para reducir la fricción), simplemente está incrustado en el interior y presionado hacia arriba por un tubo de teflón. Tenga en cuenta que el acero inoxidable debe ser de baja conductividad térmica, para esto se eligió. Por lo general, esto es algo así como 04X18H10.por lo tanto, aquí hace tope con el acero en todas partes: puede gotear un poco, pero no pronto, y esta pieza de tubo de teflón es muy fácil de reemplazar. El tubo de acero inoxidable está soldado a la cabeza de latón con una soldadura de plata sólida, por lo tanto, no hay dudas sobre la estabilidad térmica y la resistencia. El anillo (pulido desde el interior, para reducir la fricción), simplemente está incrustado en el interior y presionado hacia arriba por un tubo de teflón. Tenga en cuenta que el acero inoxidable debe ser de baja conductividad térmica, para esto se eligió. Por lo general, esto es algo así como 04X18H10.simplemente insertado en el interior y sujetado por un tubo de teflón. Tenga en cuenta que el acero inoxidable debe ser de baja conductividad térmica, para esto se eligió. Por lo general, esto es algo así como 04X18H10.simplemente insertado en el interior y sujetado por un tubo de teflón. Tenga en cuenta que el acero inoxidable debe ser de baja conductividad térmica, para esto se eligió. Por lo general, esto es algo así como 04X18H10.

En el lado izquierdo de la imagen, verá un gráfico de temperatura (gráfico aproximado), a lo largo del eje del tubo. No puedo garantizar la precisión de la escala, pero las instrucciones son correctas. Cuanto más lejos del eje con la marca de zonas, mayor será la temperatura.
No repetiremos Aquí solo interesa la zona 4. Puede ver cómo se coloca el radiador caliente.

Zona 4- zona de ablandamiento activo de plástico, zona de barrera térmica. Se puede ver que hay una pequeña brecha entre la parte de latón de la cabeza y el radiador, a la cual la temperatura cambia muy bruscamente. Luego, el plástico comienza a calentarse para formar un corcho, que sirve como un pistón que empuja más y más. Como mostraron colegas de reprapology.info, si el pistón del tapón aumenta de longitud, esto detendrá la impresión debido al aumento de la fricción y los dolorosos problemas de limpieza. Para evitar que este corcho crezca, se usa un radiador más pequeño en la quinta zona. Con la entrada de calor a lo largo del puente térmico del acero inoxidable, se calienta, lo que significa que comienza a disipar más calor. Por lo tanto, el proceso se estabiliza por sí mismo y entrar en el campo del trabajo sostenible no es en absoluto difícil. La disipación de calor por el radiador es grande,y la resistencia térmica del puente entre la cabeza y el radiador es grande, por lo que el aumento de temperatura con la distancia es alto, lo que significa que el punto de temperatura óptima de trabajo es más probable que encaje en este segmento para crear un pistón corto y efectivo. El tamaño del radiador caliente debe seleccionarse de modo que su temperatura esté en la región de 100-110 grados, probablemente (esta es la temperatura habitual del escritorio de la impresora). Esto se hace para que la mayor parte posible de la zona de barrera térmica esté en el rango probable de temperatura de trabajo (¡taponamiento!).para que su temperatura esté en la región de 100-110 grados, probablemente (esta es la temperatura habitual del escritorio de la impresora). Esto se hace para que la mayor parte posible de la zona de barrera térmica esté en el rango probable de temperatura de trabajo (¡taponamiento!).para que su temperatura esté en la región de 100-110 grados, probablemente (esta es la temperatura habitual del escritorio de la impresora). Esto se hace para que la mayor parte posible de la zona de barrera térmica esté en el rango probable de temperatura de trabajo (¡taponamiento!).

Entonces, en resumen, para un funcionamiento estable del cabezal, debe existir una zona estrecha con alta resistencia térmica (se llama barrera térmica) en la que la temperatura cambiaría de una temperatura de trabajo por un corto tiempo (consideramos 235) a 100 grados, aproximadamente la temperatura de la mesa de trabajo. ¡Necesitamos un soplado continuo con un pequeño ventilador y debe dirigirse al radiador!
Conclusión: Se describe el principio del diseño y operación de la cabeza usando un "radiador caliente".
1.5.2 Cálculo del flujo de calor desde la cabeza. Cálculo del flujo de calor en el área desde la cabeza hasta el radiador caliente.- Conductividad térmica del acero inoxidable (grados 304/316) K = 9.4 W / ° * m

Tamaños de la cabeza: la longitud de la barrera térmica desde la cabeza hasta el radiador caliente L = 3 mm, el diámetro exterior es D = 8 mm, el diámetro interior se debe al anillo de inserción d = 4 mm

- Consideramos la temperatura de la cabeza 260 ° C.

- Consideramos el funcionamiento normal y la temperatura deseable del radiador caliente T = 110 ° C

- Los flujos convectivos en el caso de la cabeza de una impresora 3D, que es soplada por un ventilador y se mueve constantemente lo suficientemente rápido, pueden ser ignorados. No tendremos en cuenta el enfriamiento moviendo el aire del radiador y otras partes, para calcular la potencia disipada usamos la fórmula aproximada para radiadores, considerando que la cabeza móvil y ligeramente soplada es similar a un radiador en condiciones normales. Calentado desde la superficie de la mesa calentada, también descuidado en vista de, por un lado, una distancia suficientemente grande de su superficie y, por otro lado, sopla y mueve la cabeza. Creemos que, en cierta medida, se compensan mutuamente. Sin embargo, en una impresora que funciona, los detalles en la mesa calentada no se calientan notablemente.

- Hasta una temperatura de 100 ° C, no se recomienda considerar la transferencia de calor por radiación, demasiado poco, con aumentos de temperatura crecientes en proporción al cuarto grado de temperatura. Enfriando la cabeza por radiación: nos importa muy poco, hay un sensor de temperatura, si se enfría, hace calor. La temperatura del radiador caliente es cercana a la recomendada para el no cálculo de 100 ° C; no consideramos la radiación.
La sección de transferencia de calor desde la cabeza hasta el radiador caliente.

Área de transmisión S = 3.14 * D² / 4 - 3.14 * d² / 4 = 3.14 * 8 * 8/4 - 3.14 * 4 * 4/4 = 37.7 mm²

Para llevarlo a metros cuadrados, en el caso del coeficiente de conductividad térmica dado, el área es necesaria dividido por un millón.

Calculamos el flujo de calor en un radiador caliente. Debido al hecho de que la conductividad térmica del aluminio es 50 veces mayor que la del acero inoxidable, consideramos que la temperatura es uniforme en todo el radiador (a lo largo del eje es de 5 milímetros). La temperatura en los bordes del radiador en el marco de este cálculo no nos interesa.

W = K * S * ΔT / L

L - no olvide dividir por 1000, porque el coeficiente que usamos es dimensión - metros, en la sección de la cabeza al radiador caliente ΔT = 260 -110 = 150 °

Resulta W = 9, 4 * 37.7 * 150/3 * 1000 - un millón (área en mm²) y mil disminuyeron, quedaron mil.

W = flujo de calor de 17.72 W a un radiador caliente.
1.5.3. Cálculo del balance térmico del radiador. Cálculo de gradiente. Cálculo del flujo de calor en el área desde el radiador caliente hasta el soporte de la cabeza:

- Longitud de barrera térmica L = 8 mm

- Área de transmisión S = 3.14 * D² / 4 - 3.14 * d² / 4 = 3.14 * 8 * 8/4 - 3.14 * 6 * 6/4 = 21.99 mm²
en esta sección no hay anillo - revestimiento, de modo que el diámetro interno aumentó, y el área de transferencia de calor - disminuyó

- La diferencia de temperatura. Consideramos que la temperatura de sujeción de la cabeza normal y esperada es de 30 ° C, lo que significa ΔT = 110-30 = 80 ° C.

Consideramos que W = 9.4 * 21.99 *

80/8000 = 2.07 W - 17.72 W de calor ingresa al radiador, pero 2 , 07W, diferencia ΔW = 15.65W.
Este calor debe ser disipado por el radiador en el aire. En el trabajo, parte del calor será arrastrado por el filamento, calentándose en esta sección desde las paredes del tubo. Sin embargo, no consideraremos esto todavía. Resulta que debemos asumir que todo este calor es disipado por el radiador.
Cálculo del flujo de calor disipado por el radiador según una fórmula simplificada.

- Q = 50 / √S Donde Q es la resistencia al calor del radiador, en grados por vatio, y S es el área del radiador, ahora en centímetros cuadrados ... tal fórmula. Sí, la fórmula es débil y a veces se encuentra, pero de acuerdo con los datos de medición, puede ingresar la corrección para condiciones específicas. Lo tomamos en cuenta. Este radiador tiene un diámetro externo de 20 mm, un interno de 8 mm. Altura - 5 mm.

-Calcula su área de trabajo, consta del disco superior, disco inferior y el área de las aletas del radiador. 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 = 841mm² = 8.41 cm²

- Calcule la resistencia al calor del radiador Q = 50 / √8.41 = 17.24 grados / vatio

- Calculemos la temperatura a la que dicho radiador puede disipar 15,65 W de calor recibido al final del segundo punto de cálculo. ΔT = 15.65 * 17.24 = 270 ° C. Además, esta es una diferencia de temperatura. Consideramos que la temperatura del aire en la impresora en funcionamiento es de 30 ° C, tenemos una temperatura incómoda de 300 ° C.
Ahora sería bueno verificar los cálculos.

Con una mesa calentada encendida a 110 ° C y una cabeza de 260 ° C con un
termómetro electrónico insertado en el orificio del tornillo del radiador, las temperaturas se midieron hasta un máximo de lecturas durante varios minutos.

La temperatura resultó ser mucho más baja que la calculada: 111.9 ° en lugar de 300 °

Esto indica claramente la inexactitud del modelo. El eslabón más débil aquí es la fórmula para calcular la resistencia térmica de un radiador, es empírica y se calcula para un radiador sin enfriamiento forzado. En nuestro caso, hay un ventilador, aunque débil y sopla desde lejos. Considero que es posible introducir un coeficiente de ventilación lineal para aclarar el cálculo de la resistencia térmica. Lo calculamos sustituyéndolo en nuestras fórmulas en la forma

Q = 50 / (√S * K). temperatura inicial 260 ° C. Tomamos la temperatura del radiador caliente 111.9 °

W = K * S * ΔT / L En la sección de la cabeza al radiador caliente ΔT = 260-111.9 = 148.1 °
Resulta W = 9.4 * 37.7 * 148 , 1/3 * 1000 = 17.49 W.
Cálculo del flujo de calor en el área desde el radiador caliente hasta el soporte de la cabeza:

- Área de transmisión S = 3.14 * D² / 4 - 3.14 * d² / 4 = 3.14 * 8 * 8/4 - 3.14 * 6 * 6/4 = 21.99 mm²

- Diferencia de temperatura de conducción. La temperatura de fijación de la cabeza es de 30 ° C, lo que significa ΔT = 111.9-30 = 81.9 ° C. Suponemos que W = 9.4 * 21.99 * 81.9 / 8000 = 2.11 W

- Resulta que el radiador incluye 17.49 W de calor, y sale 2.11 W, la diferencia Δ W = 15.37
Calculemos la resistencia térmica del radiador. Tomamos K = 3. Es decir, la eficiencia de nuestro radiador es tres veces mayor debido al soplado del ventilador. Q = 50 / √8.41 * 3 = 5.75 grados / watt

Calculemos la temperatura a la cual dicho radiador puede disipar 15.37 watts de calor

ΔT = 15.37 * 5.75 = 88.37 ° Considerando la temperatura del aire en funcionamiento impresora 30 ° C, obtenga una temperatura de 118.37 ° C.
Si calcula la temperatura del radiador para la temperatura de la cabeza 220 ° C = 94 ° C con el coeficiente obtenido y compara con los 97.7 ° C medidos, obtendrá una buena coincidencia.
Conclusión: El gradiente de temperatura para el caso de 260 ° C G = (260 - 112) / 3 = 49 ° C / mm. Podemos leer la temperatura del "radiador caliente" con buena precisión y el flujo de calor en el soporte de la cabeza. En consecuencia, podemos establecer lo requerido cambiando los tamaños correspondientes.
1.5.4. Cálculo del flujo de calor desde la cabeza sin radiador caliente y comparación de gradientes.

¿Y cómo serán las cosas si no ponemos un radiador? Calcularemos los flujos sin un anillo de inserción, fue concebido para la descarga de temperatura de un tubo de teflón y tiene sentido solo en combinación con un radiador caliente. Para una temperatura de 260 ° C, el flujo de calor al soporte en el caso de un radiador será de 2.07W vatios.
Cálculo del flujo de calor en el área desde la cabeza hasta el soporte:

- La longitud de la barrera térmica L = 8 + 3 + 5 = 16 mm Agregamos todas las longitudes - y también el radiador.

- Área de transmisión S = 3.14 * D² / 4 - 3.14 * d² / 4 = 3.14 * 8 * 8/4 - 3.14 * 6 * 6/4 = 21.99 mm²

- Diferencia de temperatura. Consideramos la temperatura normal y esperada de sujeción de la cabeza 30 ° C, lo que significa ΔT = 260-30 = 230 ° C.

Consideramos W = 9.4 * 21.99 * 230/16000 = 2.97 W Sin embargo, es una vez y media más.

Calculamos los gradientes para 16 mm G = (260-30) / 16 = 14.4 grados / milímetro.

Hay una gran diferencia de 49 grados / milímetro, especialmente cuando se considera que en el caso de un radiador, cuando está inactivo, el enchufe se elevará más de la mitad de toda el área, es decir, a una distancia de barrera térmica de 8 mm, la temperatura será ΔT / 2 + T = 230/2 + 30 = 145 ° Esta temperatura es inequívoca, por encima del inicio de la formación del corcho y por debajo de la fusión. Además, una longitud de tapón de 8-10 mm es suficiente para detenerse. Y en el caso de un ventilador, más de 3 milímetros de corcho con tiempo de inactividad no funcionarán.
Conclusiones: un "radiador caliente" realmente evita el riesgo de taponamiento cuando se usa un inserto de teflón y aumenta el gradiente de temperatura de trabajo, lo que conduce a una disminución de la fricción en el área del tapón de trabajo.
1.5.5. Cálculo de flujos de calor en la cabeza con movimiento uniforme del filamento.

Las condiciones son las mismas, la cabeza es la misma. El flujo del filamento se mueve a una velocidad de 1.5 mm / s, que corresponde a una velocidad de extrusión para una boquilla de 0.3 mm = 150 mm / so para una boquilla de 0.5 mm = 54 mm / s. La densidad de la poliamida es 1.18 mg / mm³. Dado que un segmento sustancialmente caliente (100-110) a la cabeza tiene una longitud L = 5 mm (longitud de un radiador caliente), a una velocidad de 1,5 mm / s, el filamento pasa en 3,3 segundos, mientras que las paredes se cierran con un inserto de teflón con un espesor l = 1 mm = 0.001 my diámetro interno D = 4 mm, podemos calcular el posible flujo de calor dado por las paredes:

P = λ * S * ΔT / l, donde λ = 0.25 W / m * K es la conductividad térmica del teflón, S = π * D * L = 3.14 * 4 * 5 = 62.8 mm² = 0.0000628 m² - área transferencia de calor, l es el espesor de la capa de conductividad térmica. ΔT es la diferencia de temperatura. La temperatura del radiador caliente es de aproximadamente 110 ° , el filamento entrante está al menos ligeramente calentado, por lo tanto, consideramos la temperatura de entrada 30 ° ΔT = 110-30 = 80 ° .

P = λ * S * ΔT / l = 0.25 * 0.0000628 * 80 / 0.001 = 1.25W, 1 milímetro de filamento podrá recibir 1.25 / 5 = 0.25 julios de calor por segundo. Durante 3.3s, el tiempo que pasó en el radiador, podrá obtener 3.3 * 0.25 = 0.825 j. Calculamos la potencia requerida para calentar 1 mm de plástico entrante a ΔT = 80 ° C. Volumen = 1 * 3.14 * D² / 4 = 1.5 * 9 * 3.14 / 4 = 7.065mm³ / s

Peso = 7.65 * 1.15 = 8.124mg / s

Potencia, Q = M * C * ΔT = 8.124 * 1700 * 80/1000000 = 1.1 W Este es el caso cuando todo el plástico se calienta desde una temperatura inicial de 30 ° C desde un radiador con una temperatura de 110 ° C.

Entonces, el calor que puede obtener 1 mm del filamento, pasando a través del radiador, a través de la pared de teflón, será = 0.825 julios. Al mismo tiempo, para un calentamiento completo a 110 ° C, se requiere el mismo corte, 1.1j. Utilizando la placa para modelar el calentamiento de la barra hecha en el párrafo 1.2, calculé con mayor precisión. Con la longitud del radiador caliente de 5 mm, su temperatura de 110 ° C y la velocidad del filamento con un diámetro de 3 mm y una temperatura de 30 ° C, con un flujo de calor al radiador de 15 vatios, el calentamiento del medio del filamento será de solo 2 grados, pero una barra de 1 mm puede tomar 0, 88j de calor, que es un poco más de 0.825j, que puede penetrar. 0.825 J representarán aproximadamente el 75% del calentamiento total. Si la longitud del radiador es de 10 mm, entonces la barra recibirá 1.06 J de calor, que será el 96% del calentamiento total, y el centro mismo se calentará a 32 ° C.Para un calentamiento del 100%, sería necesario llevar la longitud del radiador a 30 milímetros, y esto no tiene mucho sentido; de todos modos, se derretirá en la cabeza.
Aquí están los detalles para el tipo de cabeza 3.1, - a 1.75 filamento. Solo por belleza.

Higo. 10 Detalles para la cabeza Tipo 3.1
Conclusiones: - la potencia necesaria para calentar el plástico entrante a una velocidad dada: 4.25W

; - el flujo de calor dado por las paredes al filamento en la sección del radiador caliente: 2.00W;

- El comienzo de la formación de corcho a pleno flujo se desplaza más profundamente en la cabeza.

- Para flujos grandes, para el funcionamiento efectivo del mecanismo del "radiador caliente" será necesario aumentar el flujo de calor entre la cabeza y el radiador y la longitud del área de contacto con el radiador. Factor de.

- Es posible utilizar un ventilador separado de un radiador caliente controlado por un sensor de temperatura, para mantener la temperatura a aproximadamente 100º.

El uso de un radiador caliente no es necesario en absoluto, pero parece ser una forma simple de agudizar la diferencia de temperatura en el tubo del soporte, evitando el peligro de que el tapón de trabajo crezca a tamaños de bloqueo y ayuda a resolver el problema de enfriar el punto de fijación del cabezal.
La segunda parte llegará pronto.

Sobre el desarrollo de cabezales de impresora 3D FDM. Parte 1

More articles: