Fig.0 KDPV - mon banc d'essai pour mes têtes
Lorsque j'ai commencé à développer des hotends pour imprimantes, la première des difficultés a été d'organiser et d'organiser les données et les mesures. Un autre problème important est que les descriptions contiennent le plus souvent des paramètres qui sont très difficiles à comparer avec au moins quelque chose. Cet article est écrit afin de comprendre les différentes manières de décrire la vitesse de l'imprimante et de montrer la procédure de mesure qui, à mon avis, donne des résultats reproductibles assez stables.
Si cela vous intéresse - je demande sous un chat.
Comment mesurer la vitesse de la tête d'impression? Ce paramètre est l'un des déterminants de la vitesse de fabrication d'une pièce donnée, il est donc très important. Utilisez souvent une vitesse d'extrusion linéaire de mm / s. Cela semble logique - plus la fonte est pressée rapidement, plus la tête peut bouger rapidement.
Fig. 1 Il s'agit de la tête, de la buse et du nickel de lissage. Représenté sous condition.
Sur la figure 1, une tête avec une buse est visible et une surface plate autour de la buse est un nickel de lissage. Cette surface est utilisée pour niveler le plastique chaud extrudé. Habituellement, son diamètre est pris deux fois plus grand que le diamètre de la buse. C'est souvent le cas, mais ce n'est pas une condition préalable. Voyons maintenant comment extraire le plastique fondu.
Fig.2 Extrusion de plastique avec un filetage
Le cas le plus simple est 1) de
serrer la ligne de pêche directement dans les airs . Ainsi, il peut être commodément mesuré en longueur. Souvent, les données sur la vitesse de la tête sont données de cette manière: en millimètres par seconde - mm / s. Malheureusement, cette méthode ne donne pas une idée précise des performances. Premièrement, dans un certain nombre de conditions, le fil gonfle à la sortie de la buse en raison de la viscosité élevée de la masse fondue. Cela déforme considérablement le diamètre réel du fil. Dans certaines de mes conceptions, à des vitesses très élevées, le diamètre du filetage était trois fois le diamètre de la buse à partir de laquelle il était extrudé. Il est préférable de considérer pourquoi cela se produit dans un autre article. De plus, le fil peut s'étirer sous l'influence de son poids - s'il a été pressé suffisamment chaud. Il peut également se coller, se plier.
Option 2) - le
fil est pressé sur le bureau avec un peu de maculage, comme c'est généralement le cas lorsque l'imprimante fonctionne - la largeur du nickel de lissage . Cela est nécessaire pour une connexion de haute qualité de fils en plastique dans un produit monolithique. Dans ce cas, les performances peuvent être calculées approximativement en multipliant la vitesse de déplacement de la tête par la largeur du fil extrudé et la hauteur de la couche (hauteur de tête au dessus de la table). V = W * A * H A une hauteur égale à la moitié du diamètre de la buse et la largeur du filetage égale à deux diamètres de la buse, la valeur sera proche de 1). Plus précisément - environ 0,78 de la vitesse du fil enfoncé dans l'air, car l'aire du cercle est inférieure à l'aire du carré, et ce cas en coupe transversale ressemble plus à un carré qu'à un cercle. Un calcul précis semble difficile, car les bords des murs ont une forme incurvée.
Fig.3 Écrasement du fil à la largeur du nickel de lissage
Cependant, nous pouvons définir la largeur du fil dans Slicer égale (mais pas moins) au diamètre de la buse!Les données réelles concernent une buse de 0,5 mm, la largeur du filetage était de 0,58 mm (mesurée) et la hauteur de couche était de 0,15 mm. Détails très bien imprimés.
Fig.4 Vue de dessous - filet étroit. On voit que le nickel de lissage n'est pas pleine largeur.
Dans ce cas, la vitesse de déplacement de la tête, à volume identique, augmentera considérablement. Environ 2,61 fois par rapport au cas de 1).
Oui, lorsque vous dessinez, par exemple, un cercle, des traces de plastique peuvent apparaître sur les côtés de la surface de nivellement (un nickel est sale). Sur la figure 5, vous pouvez voir comment le plastique maculera les côtés du sou de nivellement lorsque vous dessinerez un cercle. La tête décrit le cercle lui-même sans tourner, par conséquent, lorsque vous déplacez la tête, le sens de déplacement de la fonte de la buse décrit le cercle.
Fig. 5 Changement dans le sens du maculage du polymère fondu le long de la surface du nickel de lissage lors du tracé d'un cercle (par incréments de 10 °)
La question des avantages et inconvénients de l'application d'une largeur de filetage égale au diamètre de la buse n'est pas abordée ici. À mon avis, c'est assez bon, mais cela dépend des exigences spécifiques et même des croyances de l'imprimante.
Ainsi, nous voyons qu'avec des performances de buse égales en termes de poids et de volume de plastique fondu extrudé, nous pouvons obtenir des valeurs de vitesse linéaire de 0,8 et 1 et 2,6 en fonction des conditions d'extrusion et de maculage. En fait, et plus encore - qu'est-ce qui nous empêche de faire la hauteur de couche 0,1 mm?
Il s'avère que le plus précis et sans ambiguïté sera une indication du débit d'extrusion en mm³ / s ou mg / s. Il y a toujours une subtilité dans le fait que le plastique est de différentes densités spécifiques. Par exemple, la densité du polyamide est de 1140 kg / m³, et l'ABS n'est que de 1050. Par conséquent, j'utilise habituellement mm³ / s pour évaluer les performances de la tête. Cependant, il vaut toujours la peine d'indiquer avec quelle buse ce résultat a été obtenu. Ceci est plus précis, car la résistance à l'écoulement à travers la buse, même avec un diamètre de 0,5 mm, a un effet notable sur les performances de la tête. À titre d'exemple, je vais donner une expérience avec une buse µR Ø1,1 mm (faible résistance) - la productivité maximale Vv = 49,3 mm³ / s, contre une buse normale avec Ø0,5, dont la productivité maximale n'était que de 25,1 mm³ / s.
À partir de cet exemple, il est clair à quel point une diminution constructive de la résistance dans la buse est importante. C'est possible.
Alors quelle valeur de ce paramètre sera grande et quelle petite? Comptons.
Par exemple 25 mm³ / s. En sortant d'une buse d'un diamètre de 0,5 mm, la vitesse linéaire à la sortie de la buse est W = V / S. S = π * d² / 4 = 3,14 * 0,25 / 4 = 0,1963 W = 25 / 0,1963 = 127 mm / s.
Il s'agit de la performance de presser la ligne de pêche en l'air. S'il est appliqué avec une couche d'une épaisseur de 0,15 mm et d'une largeur de 0,5 mm, la vitesse linéaire de la tête peut être d'environ 330 mm / s. Il s'avère déjà une très grande vitesse - comparer avec les fabricants recommandés 40 - 60 - 80 mm / s.
Quelques images - résultats de l'extrusion à grande vitesse.
Fig.6 Plastique très bien pressé
Sur la figure 6, le plastique ABS transparent d'un fournisseur bien connu s'est révélé étonnamment uniforme à des vitesses d'extrusion très élevées. Ces échantillons ont été extraits d'un filament Ø3 mm à une vitesse d'alimentation de 420-720 mm / min (un débit similaire pour Ø1,75 mm serait de 1260-2160 mm / min). La buse était de Ø1,1 et μR avec une résistance particulièrement faible (il s'agit d'un échantillon de test, essentiellement défectueux, mais la résistance est faible) Vitesse d'extrusion volumétrique Vv = 51-68 mm³ / s. Faites attention aux queues de cheval délicates. De cet endroit, l'échantillon a commencé. En raison d'une courte interruption de l'extrusion, nécessaire pour casser le fil et appuyer sur le bouton Démarrer, le plastique a eu le temps de se réchauffer plus que la pièce suivante. Un plastique plus chaud a une viscosité plus faible, le gonflement dû au frottement intercouche est moindre, donc l'épaisseur de la ligne de pêche est moindre. À de telles vitesses, l'entraînement de la chaleur par le filament est très important. Sur les spécimens plus rapides, la ligne lors de la rupture était encore plus susceptible de se rompre comme une colonne d'argile, pas du tout étirée. Sous-chauffage, bien que réglé à 300 ° C. Gonflage du diamètre de la buse 1,1 mm à 3 mm à la sortie. En fait, lors de l'impression, ce ballonnement n'interfère pratiquement pas. Pour l'impression de haute précision de belles figurines, elles utilisent de toute façon les vitesses les plus basses et les détails sont imprimés avec autant de précision, sauf avec des bulles.
Fig.7 Mais en plastique blanc, pas si uniforme
L'ABS blanc du même fabricant, Fig. 7, mais apparemment avec une charge pour donner du blanc, n'était pas aussi uniforme. Voici la même buse, débit 420-570. Brisé en morceaux pour la pesée - sinon il ne tenait pas sur la balance. J'ai mélangé différents échantillons parce que tout le monde se ressemble. Une telle hétérogénéité ne promet probablement rien de particulièrement mauvais lors de l'impression. Vous serez surpris, mais si la fonte apparaît à la sortie de la buse dans un flux constant, même si sa viscosité varie légèrement, comme sur cette figure, avec la trancheuse correctement réglée, vous obtiendrez des résultats normaux. Théoriquement. Jusqu'à présent, il n'est pas possible de déplacer les têtes à de telles vitesses.
Voici des symptômes beaucoup plus désagréables:
Fig.8 Queues de porc sur la ligne de pêche
Pas très clairement visible, mais si vous regardez de près, vous pouvez voir d'étranges rebondissements sur la ligne de pêche. Cela me semble comme des queues de porc, comme dans un conte de fées sur trois porcelets. C'est un signe que le filament n'a pas le temps de fondre au centre et qu'un centre élastique reste au milieu. Cela empêche spécifiquement la saisie. Les pièces ne collent tout simplement pas au support. Ils sont arrachés par une tête en fil élastique.
Mais la résistance de la tête ne joue pas seulement un rôle négatif. Une buse avec un nez suffisamment long (la partie la plus étroite de la buse - comment dire - la profondeur de la buse?) A un effet stabilisateur sur la ligne de pêche. Il s'avère plus uniforme et sans ballonnement.
Est-ce toujours nécessaire? Au prix de la basse vitesse ...
Fig.9 Ligne de pêche douce à partir d'une buse lente
Fig.10 Ligne de pêche inégale avec gonflement d'une buse rapide
Les buses sont différentes. Les vitesses de test indiquées sur les images - pour une buse lente Vv = de 18 à 28 mm³ / s - Eh bien, cela ne fonctionnait plus ... Pour une rapide de 31 à 38 mm³ / s.
Voici les éprouvettes imprimées avec la paroi en une seule couche, buse de 0,5 mm. L'épaisseur de la paroi s'est avérée être de 0,58 mm
Fig.11 Tubes à essai
La vitesse n'était pas prohibitive - 130 mm / s, têtes linéaires. Comme vous pouvez le voir, le fil s'adapte exactement ligne par ligne. Ceci est fait de fil de pêche trimmer - nylon, donc les produits sont assez flexibles. Les excroissances sur le côté ne sont pas un défaut de rétraction, pas en vain jusqu'à 7 échantillons de test. Ces excroissances promettent l'opportunité d'augmenter considérablement la vitesse de mouvement de la tête. Mais c'est une question d'avenir.
Voici juste une belle image - un morceau de ligne de pêche transparente de la figure 6, mais sous un grand
augmenter.
Fig.12
On voit clairement que les bulles sont situées plus près de l'axe. Il reste à voir pourquoi ils apparaissent. Il est clair qu'ils ont été formés par la vapeur d'eau. Ce n'est pas de la destruction - pendant la destruction, les bulles seraient situées près des murs. Le centre se réchauffe pire. Ainsi, il y a deux options - soit lors de l'expiration de la tête le long de l'axe, une zone de raréfaction est créée, ou la vapeur d'eau des murs a le temps de s'évaporer, mais pas des régions intérieures.
Discutons maintenant d'une petite mesure de performance. Comment faire des expériences.Comme nous l'avons déjà décidé ci-dessus, il est préférable d'utiliser une balance pour évaluer les performances. Il s'agit d'un outil pratique, abordable et précis. Avec cela, vous pouvez obtenir beaucoup d'informations sur les processus dans la tête.
Technique d'expérience d'extrusion pour déterminer la productivité.J'utilise le programme Pronterface pour contrôler le moteur de l'extrudeuse. Contrôle du chauffage et contrôle de la température - de différentes manières, selon les conditions de l'expérience, ou via Pronterface, ou via la carte de contrôle et de surveillance que j'ai faite pour le stand sur lequel je teste les têtes. La carte est réalisée en Arduino-nano, prend en charge le travail avec un thermocouple et une régulation PID de la température du radiateur. C'est beaucoup plus pratique, car le temps de réponse d'un thermocouple est beaucoup plus court que le temps de réponse d'une thermistance, car je fabrique des thermocouples en fil constantan et nichrome Ø0,1 mm. Tenez-vous sur la Fig.0 KDPV
Je prévois une série d'expériences à l'avance. La longueur du filament est définie E, mm, généralement j'utilise 100 ou 150 mm. Vous pouvez faire plus, la précision sera plus élevée, mais elle est ruineuse en termes de consommation de filaments. La vitesse d'extrusion S en mm / min est également réglée. Faites attention à la dimension, ici - dans une minute! Le pas des valeurs des expériences est réglé en fonction du fait que les performances maximales tombent dans la plage de valeurs.
Un critère important pour évaluer si la filière et l'extrudeuse peuvent gérer ou non est le coefficient de glissement. Qu'est ce que c'est À une vitesse d'avance faible, par exemple de 30 à 60 mm / min, les dents du hobbolt sont enfoncées dans le filament et avancent lorsque le hobbolt tourne vers l'avant. Il n'y a aucun glissement. À un moment donné, les dents du boulon à clapet commencent à déchirer le plastique. À un certain degré de glissement, le processus de poussée se poursuit normalement, mais pas à 100%. Ci-dessus - l'instabilité du travail et l'arrêt de l'extrudeuse commencent, car un boulon à cliquet peut ronger un trou dans le filament, par quoi la poussée se termine. Eh bien, j'ai une telle réalité et un tel hobbyball.
Voici à quoi ressemblera l'expérience pour déterminer les performances de la tête à des vitesses d'alimentation de filament de 90; 150; 210 avec une longueur d'alimentation de 150 mm.Nous chauffons la tête. Nous réglons la vitesse d'avance petite, par exemple 50 mm et la vitesse d'avance est également petite, par exemple 30-60 mm / min. Ceci est une purge. Lorsqu'un simple plastique chauffé a tendance à s'échapper de la tête, un vide se forme et affecte le résultat suivant. Vous devriez avoir suffisamment de temps pour définir E = 150 et S = 90. Dès que le moteur de l'extrudeuse s'arrête, cassez le fil extrudé sous la racine et appuyez immédiatement sur le démarrage pour les paramètres saisis. Pendant que la chaîne de la première expérience est obstruée, entrez les valeurs suivantes. Une fois l'extrusion terminée, rompez instantanément le fil et commencez avec les nouvelles valeurs. Mettez de côté le fil extrudé pour une pesée ultérieure. Donc avec toute la série. Les pauses les plus courtes peuvent réduire les effets de la post-extrusion et des fuites. Après avoir pesé les échantillons obtenus, nous regardons à quel point le poids de l'échantillon diffère de la référence. Vous pouvez le calculer en fonction du poids de la longueur estimée du filament - 150 mm ou de l'expérience avec une très petite alimentation, lorsque l'extrusion peut être considérée comme terminée en toute confiance.
Donc, extruder au moins 80% du volume attendu, c'est à mon avis la limite du fonctionnement stable de l'extrudeuse et de la tête. En fait, cette zone est très étroite et les expériences sont bien répétées. Habituellement un écart de 1-2%.Un autre point important dans les expériences est le journal de laboratoire. Il s'agit de l'enregistrement et de la commande de leurs expériences, hypothèses et calculs.
Fig.13 Mon travail se connecte sur le thème de l'imprimante 3D depuis 2013
Soit dit en passant, sur la base de la physique du glissement de l'extrudeuse, il est évident qu'avec un glissement égal, la force de poussée du boulon du filament sera égale. Avec une bonne précision. Ainsi, nous pouvons obtenir des données indirectes sur la pression dans la tête.
Voici un exemple d'expériences:
Fig. 14 Un fragment d'un fichier Excel (Libre Office) pour des expériences de calcul. Extra retiré
La tête est la même. Les buses sont remplaçables uR et N. Pour la première, la productivité réelle est de 46,67 mm³ / s, avec une vitesse d'avance de 79% du maximum attendu.
Pour le second, 25,14 mm³ / s et 80%. Sur la base des mêmes coefficients de pression, ils sont presque égaux. Nous utilisons une formule simplifiée pour calculer la résistance aux fluides.
ΔP = K * W * L / D²
Où ΔP est la chute de pression causée par la résistance, K est un certain coefficient incluant la viscosité à l'état fondu (pour les polymères dont la composition et la structure sont plutôt instables - il n'y a aucun espoir de le savoir avec certitude, et je ne l'aimais pas vraiment), W est la vitesse du fluide, L est la longueur de la section de résistance , D est le diamètre du trou dans lequel les événements se produisent. Cette formule peut être dérivée de l'équation de Poiseuille pour le mouvement laminaire newtonien:
Q = πd4ΔP / (128µL)
Où Q est le débit à travers la section transversale, bien qu'en mm³ / s, d est le diamètre du trou, ΔP est la chute de pression à travers le trou, c'est-à-dire que la résistance est la pression nécessaire pour s'écouler. µ est la viscosité et L est la longueur de ce trou. Si nous appliquons la formule la plus simple pour le débit à ceci:
Q = w * πd² / 4
où w est la vitesse d'écoulement, on obtient
ΔP = 32 * µ * W * L / D².
Étant donné que la viscosité des polymères est très variable et dépend à la fois de la viscosité et du poids moléculaire (technologie de fabrication), 32 * µ a été désigné K. pour plus de simplicité. Pourquoi utilisons-nous la formule pour l'écoulement laminaire? Il existe un tel critère de Reynolds qui détermine les conditions de transition de l'écoulement laminaire à l'écoulement turbulent. Plus de 10 000 - «écoulement turbulent développé». Plus de 2300 - sous-développés. Ainsi, le critère de Reynolds dépend inversement de la viscosité. Plus la viscosité est élevée, plus le critère de Reynolds est faible. Dans le cas des polymères fondus, la viscosité est toujours très élevée. Concernant les fluides newtoniens / non newtoniens, c'est bien sûr intéressant, mais pour les fluides non newtoniens, nous ne pouvons remarquer qu'une légère déviation de la dépendance de la vitesse d'écoulement à la pression dans une direction ou une autre. La fonte ne reflue pas. Dans l'une des variantes de fluides non newtoniens, un écoulement viscoélastique peut se manifester sous la forme d'un gonflement du filament à la sortie de la buse. Mais ce n'est évidemment pas la raison principale et nous ne l'examinerons pas ici.
Nous avons donc deux expériences de résistance rapprochée:
46,67 mm³ / s pour une buse à résistance évidemment faible et
25,14 mm³ / s pour une buse conventionnelle d'un diamètre de 0,5 mm.
La résistance à l'éclatement sera approximativement égale.
Si nous n'avions que du plastique liquide dans la partie large de la tête, nous obtiendrions l'égalité:
K * W1 * L1 / D1² + K * w1 * l1 / d1² = K * W2 * L2 / D2² + K * w2 * l2 / d2²
Nous comparons ici deux expériences, avec une buse à faible résistance et avec une conventionnelle.
Le taux d'expiration dans le premier cas sera: 46,7 / (3,14 * 1,1² / 4) = 49 mm / s.
Vitesse dans la partie large de la tête: 46,7 / (3,14 * 3² / 4) = 6,6 mm / s.
Pour une buse conventionnelle, respectivement: 128,0 mm / s et 3,55 mm / s.
Remplaçant: K * 6,6 * 39 / 3² + K * 49 * 0,2 / 1,1² = K * 3,55 * 39 / 3² + K * 128 * 0,6 / 0,5² =>
28,6 K + 8,1 K = 15,4 K + 307 K => 36,7 K = 322,4 K
Ici, nous supposons que la buse à faible résistance a une longueur non nulle, par exemple 0,2 mm. Oui, l'équation n'a pas fonctionné. Mais vous voyez combien de fois la résistance de la buse a augmenté avec une diminution de son diamètre, de 8,1 à 322,4. Pourquoi alors l'inégalité apparaît-elle? Parce que dans notre pays, le filament entre dans la tête sous forme solide.
Fig.15 Fusion du filament
La fusion est approximativement la suivante: - d'abord une très fine couche de fusion, puis elle s'épaissit.
Le filament se déplace par rapport à la paroi de la tête à une vitesse w, et le fluide change sa vitesse de 0 à w. Le frottement dans une couche mince est beaucoup plus élevé, d'où la simple inégalité.C’est tout.
Merci de votre attention.PS Cet article a été précédé d'articles: https://geektimes.ru/post/285136/Et il y a trois parties, bien que ce soit un peu long et quelque chose de légèrement dépassé:→ https://geektimes.ru/post/259832/→ https: / /geektimes.ru/post/259738/→ https://geektimes.ru/post/259730/Et aussi celui avec lequel j'ai commencé - https://geektimes.ru/post/258580/PPSSi je comprends bien, de nombreux commentateurs voient le stand et pensent que c'est une partie nécessaire et difficile de mesurer la vitesse de la tête d'impression. Non - le support remplace simplement l'imprimante elle-même. Soulevez la tête d'impression plus haut et vous serez le même. Il n'est pas pratique à chaque fois de changer la tête et de reconfigurer l'imprimante si vous devez imprimer. Et je vais tourner toutes les pièces de contact. L'essentiel est qu'avec les méthodes les plus simples, vous pouvez obtenir des données assez délicates. Pour moi, Michael Faraday avec son Candle Story a toujours été un modèle à cet égard. Les méthodes les plus simples sont des conclusions sérieuses. Au fait, regardez quels paramètresles gens font au lieu de peser banale. Et une autre conclusion: les données publicitaires sur la vitesse d'impression doivent être traitées avec une compréhension de ce que j'ai déclaré - la différence avec la réalité peut parfois être même sans tricherie, mais simplement en raison d'une technique de mesure différente.