Bagaimana mengukur kecepatan printer 3D - ujung panasnya. Dan tidak hanya kecepatan

Gbr. 0 KDPV - bangku tes saya untuk kepala saya

Ketika saya mulai mengembangkan hotend untuk printer, yang pertama adalah kesulitan untuk mengatur dan mengatur data dan pengukuran. Masalah penting lainnya adalah bahwa deskripsi paling sering berisi parameter yang sangat sulit untuk dibandingkan dengan setidaknya sesuatu. Artikel ini ditulis untuk memahami berbagai cara menggambarkan kecepatan printer dan menunjukkan prosedur pengukuran, yang, menurut pendapat saya, memberikan hasil yang direproduksi cukup stabil.

Jika ini menarik bagi Anda - saya bertanya di bawah kucing.

Bagaimana cara mengukur kecepatan kepala printer? Parameter ini adalah salah satu penentu kecepatan pembuatan bagian tertentu, oleh karena itu sangat penting. Seringkali menggunakan laju ekstrusi linier mm / s. Ini terlihat logis - semakin cepat lelehan keluar, semakin cepat kepala bisa bergerak.


Gbr. 1 Ini adalah head, nozzle, dan nikel smoothing. Digambarkan secara kondisional.

Pada Gambar. 1, kepala dengan nosel terlihat dan permukaan datar di sekitar nosel adalah nikel smoothing. Permukaan ini digunakan untuk meratakan plastik panas yang diekstrusi. Biasanya diameternya diambil dua kali lebih besar dari diameter nosel. Seringkali memang demikian, tetapi ini bukan prasyarat. Sekarang mari kita lihat bagaimana plastik cair bisa diperas.


Gbr. 2 Ekstrusi plastik dengan ulir

Kasus paling sederhana adalah 1) meremas pancing langsung ke udara . Jadi, panjangnya bisa diukur dengan mudah. Seringkali, data pada kecepatan head diberikan dengan cara ini: dalam milimeter per detik - mm / s. Sayangnya, metode ini tidak memberikan ide kinerja yang akurat. Pertama, di bawah sejumlah kondisi, ulir membengkak ketika meninggalkan nosel karena viskositas tinggi dari lelehan. Ini sangat mendistorsi diameter aktual benang. Dalam beberapa desain saya, pada kecepatan yang sangat tinggi, diameter ulir adalah tiga kali diameter nosel dari mana ia diekstrusi. Mengapa ini terjadi lebih baik dipertimbangkan di artikel lain. Juga, benang bisa meregang di bawah pengaruh beratnya - jika diremas cukup panas. Bisa juga saling menempel, menekuk.

Opsi 2) - utas diperas ke desktop dengan sedikit corengan, seperti yang biasanya dilakukan saat printer berfungsi - lebar nikel smoothing . Ini diperlukan untuk koneksi benang plastik berkualitas tinggi ke produk monolitik. Dalam hal ini, kinerja dapat dihitung kira-kira dengan mengalikan kecepatan gerakan kepala dengan lebar ulir yang diekstrusi dan ketinggian lapisan (tinggi kepala di atas tabel). V = W * A * H Pada ketinggian sama dengan setengah diameter nosel dan lebar ulir sama dengan dua diameter nosel, nilainya akan mendekati 1). Lebih tepatnya - sekitar 0,78 kecepatan ulir diperas ke udara, karena luas lingkaran lebih kecil dari luas bujur sangkar, dan kasing melintang ini lebih mirip bujur sangkar daripada lingkaran. Penghitungan yang akurat tampaknya sulit, karena tepi dinding memiliki bentuk melengkung.


Gbr. 3 Menghancurkan utas dengan lebar nikel yang dihaluskan

Namun, kita dapat mengatur lebar ulir di Slicer sama (tetapi tidak kurang) dengan diameter nozzle!

Data aktual adalah untuk nozzle 0,5 mm, lebar ulir 0,58 mm (diukur) dan tinggi lapisan 0,15 mm. Detail dicetak dengan sangat baik.


Gbr. 4 Tampak bawah - utas sempit. Dapat dilihat bahwa nikel smoothing tidak lebar penuh.

Dalam hal ini, kecepatan gerakan kepala, pada kapasitas volume yang sama, akan meningkat secara signifikan. Sekitar 2,61 kali dibandingkan dengan kasus 1).

Ya, ketika menggambar, misalnya, sebuah lingkaran, beberapa corengan plastik dapat terjadi di sisi permukaan leveling (nikel kotor). Pada Gambar. 5, Anda dapat melihat bagaimana plastik akan mengolesi sisi-sisi sen leveling saat menggambar lingkaran. Kepala menggambarkan lingkaran itu sendiri tanpa memutar, oleh karena itu, ketika menggerakkan kepala, arah gerakan lelehan dari nosel menggambarkan lingkaran.


Gambar. 5 Perubahan arah pengolesan lelehan polimer di sepanjang permukaan nikel yang dihaluskan saat menggambar lingkaran (dengan penambahan 10º)

Masalah pro dan kontra dalam menerapkan lebar ulir yang sama dengan diameter nosel tidak dipertimbangkan di sini. Menurut saya, ini cukup bagus, tetapi itu tergantung pada persyaratan khusus dan bahkan keyakinan printer.

Jadi, kita melihat bahwa dengan kinerja nozzle yang sama dalam hal berat dan volume plastik cair yang diekstrusi, kita dapat memperoleh nilai kecepatan linier 0,8 dan 1 dan 2,6 tergantung pada kondisi ekstrusi dan pengolesan. Bahkan, dan banyak lagi - apa yang mencegah kita membuat ketinggian lapisan 0,1 mm?

Ternyata yang paling akurat dan tidak ambigu akan menjadi indikasi laju ekstrusi dalam mm³ / s atau mg / s. Masih ada kehalusan dalam kenyataan bahwa plastik memiliki gravitasi spesifik yang berbeda. Sebagai contoh, berat jenis poliamida adalah 1140 kg / m³, dan ABS hanya 1050. Oleh karena itu, saya biasanya menggunakan mm³ / s untuk mengevaluasi kinerja kepala. Namun, masih bermanfaat untuk menunjukkan dengan nozzle mana hasil ini dicapai. Ini lebih akurat, karena hambatan untuk mengalir melalui nozzle, bahkan dengan diameter 0,5 mm, memiliki efek nyata pada kinerja kepala. Sebagai contoh, saya akan memberikan percobaan dengan nosel μR Ø1.1mm (resistansi rendah) - produktivitas maksimum Vv = 49.3mm³ / s, dibandingkan nosel normal dengan Ø0.5, produktivitas maksimum yang hanya 25.1mm³ / s.

Dari contoh ini, jelas betapa pentingnya penurunan konstruktif dalam resistensi di nozzle. Itu mungkin.

Jadi berapa nilai parameter ini akan besar dan yang kecil? Mari kita hitung.

Misalnya 25 mm³ / s. Ketika mengalir keluar dari nosel dengan diameter 0,5 mm, kecepatan linier pada nosel yang keluar adalah W = V / S. S = π * d² / 4 = 3.14 * 0.25 / 4 = 0.1963 W = 25 / 0.1963 = 127mm / s.

Ini adalah kinerja meremas pancing ke udara. Jika diaplikasikan dengan lapisan dengan ketebalan 0,15 mm dan lebar 0,5 mm, kecepatan linear kepala bisa sekitar 330 mm / s. Ternyata sudah kecepatan yang sangat tinggi - bandingkan dengan produsen yang direkomendasikan 40 - 60 - 80 mm / s.

Beberapa gambar - hasil ekstrusi pada kecepatan tinggi.


Gbr. 6 Plastik yang sangat ditekan

Pada Gambar. 6, plastik ABS transparan dari pemasok terkenal ternyata sangat seragam pada kecepatan ekstrusi yang sangat tinggi. Sampel-sampel ini diperas dari filamen Ø3 mm pada laju umpan 420-720 mm / mnt (laju aliran yang serupa untuk Ø1.75 mm adalah 1260-2160 mm / mnt). Noselnya dengan Ø1.1 dan μR dengan resistansi yang sangat rendah (ini adalah sampel uji pada dasarnya rusak, tetapi resistansi kecil) .kecepatan ekstrusi volumetrik Vv = 51-68mm³ / s. Perhatikan kuncir kuda yang halus. Dari tempat ini sampel dimulai. Karena istirahat pendek dalam ekstrusi, perlu untuk mematahkan utas dan menekan tombol Start, plastik punya waktu untuk melakukan pemanasan lebih dari bagian selanjutnya. Plastik yang lebih hangat memiliki viskositas yang lebih rendah, pembengkakan akibat gesekan antarpemain kurang, sehingga ketebalan pancing kurang. Pada kecepatan seperti itu, entrainment panas oleh filamen sangat besar. Pada spesimen yang lebih cepat, garis ketika putus bahkan lebih mungkin putus seperti kolom tanah liat, sama sekali tidak memanjang. Underheating, meskipun diatur ke 300º. Inflasi dari diameter nozzle 1.1mm ke 3mm di outlet. Padahal, saat mencetak, kembung ini praktis tidak mengganggu. Untuk mencetak patung-patung indah dengan presisi tinggi, mereka menggunakan kecepatan terendah, dan detailnya dicetak dengan akurat, kecuali dengan gelembung.


Gbr. 7 Tapi plastik putih, tidak begitu seragam

Putih ABS dari produsen yang sama, Gambar 7, tetapi tampaknya dengan pengisi untuk memberikan putih, tidak begitu seragam. Berikut adalah nozzle yang sama, feed rate 420-570. Pecah menjadi beberapa bagian untuk ditimbang - jika tidak, timbangan tidak sesuai dengan timbangan. Saya mencampur sampel yang berbeda karena semua orang sama. Heterogenitas semacam itu mungkin juga tidak menjanjikan sesuatu yang sangat buruk saat mencetak. Anda akan terkejut, tetapi jika lelehan muncul di nozzle keluar dalam aliran konstan, bahkan jika memiliki viskositas yang sedikit berbeda, seperti pada gambar ini, dengan alat pengiris diatur dengan benar, Anda akan mendapatkan hasil yang normal. Secara teoritis. Sejauh ini, tidak mungkin untuk menggerakkan kepala dengan kecepatan seperti itu.

Berikut adalah gejala yang secara signifikan lebih tidak menyenangkan:


Gbr. 8 Ekor babi di pancing

Tidak terlalu jelas terlihat, tetapi jika Anda melihat dari dekat, Anda dapat melihat tikungan aneh di pancing. Bagiku seperti ekor babi, bagaikan dalam dongeng tentang tiga anak babi. Ini adalah tanda bahwa filamen tidak punya waktu untuk meleleh ke pusat dan pusat elastis tetap di tengah. Ini secara khusus mencegah pengetikan. Bagian tidak menempel pada dukungan. Mereka terkoyak oleh kepala benang yang elastis.

Namun resistensi kepala tidak hanya memainkan peran negatif. Nozzle dengan hidung yang cukup panjang (bagian tersempit dari nozzle - bagaimana mengatakannya - kedalaman nozzle?) Memiliki efek stabilisasi pada tali pancing. Ternyata lebih merata dan tanpa kembung.

Apakah selalu perlu? Dengan biaya kecepatan rendah ...


Gbr. 9 Pancing halus dari nozzle lambat


Gbr. 10 Pancing tidak rata dengan pembengkakan dari nozzle cepat

Nozelnya berbeda. Kecepatan uji yang ditunjukkan pada gambar - untuk nozzle lambat Vv = dari 18 hingga 28 mm³ / s - Ya, itu tidak berfungsi lagi ... Untuk yang cepat dari 31 hingga 38 mm³ / s.

Berikut adalah tabung reaksi yang dicetak dengan dinding dalam satu lapisan, nozzle 0,5 mm. Ketebalan dinding menjadi 0,58 mm


Gbr. 11 Tabung reaksi

Kecepatannya tidak menghalangi - 130mm / s, kepala linier. Seperti yang Anda lihat, utasnya pas sekali dengan baris. Ini terbuat dari pancing pemangkas - nilon, sehingga produknya cukup fleksibel. Pertumbuhan di samping bukan cacat retraksi, tidak sia-sia sebanyak 7 sampel uji. Pertumbuhan ini menjanjikan peluang untuk secara signifikan meningkatkan kecepatan pergerakan kepala. Tapi ini masalah masa depan.
Berikut ini hanya gambar yang indah - sepotong pancing transparan dari Gambar 6, tetapi di bawah besar
meningkat.


Gambar 12

Terlihat jelas bahwa gelembung terletak lebih dekat ke sumbu. Masih harus dilihat mengapa mereka muncul. Jelas bahwa mereka dibentuk oleh uap air. Ini bukan kehancuran - selama kehancuran gelembung akan terletak di dekat dinding. Pusat pemanasannya lebih buruk. Jadi, ada dua opsi - baik selama kedaluwarsa dari kepala di sepanjang sumbu, zona rarefaction dibuat, atau uap air dari dinding punya waktu untuk menguap, tetapi tidak dari daerah bagian dalam.

Sekarang diskusikan sedikit pengukuran kinerja. Cara membuat percobaan.

Seperti yang telah kita putuskan di atas, yang terbaik adalah menggunakan keseimbangan untuk mengevaluasi kinerja. Ini adalah alat yang nyaman, terjangkau, dan akurat. Dengan itu, Anda bisa mendapatkan cukup banyak informasi tentang proses di kepala.

Teknik eksperimen ekstrusi untuk menentukan produktivitas.

Saya menggunakan program Pronterface untuk mengontrol motor pengekstrusi. Kontrol pemanas dan kontrol suhu - dengan cara yang berbeda, tergantung pada kondisi percobaan, atau melalui Pronterface, atau melalui papan untuk kontrol dan pemantauan yang dibuat oleh saya untuk dudukan di mana saya menguji kepala. Papan dibuat menggunakan Arduino-nano, mendukung kerja dengan termokopel dan pengaturan suhu-PID dari pemanas. Ini jauh lebih nyaman, karena waktu respons termokopel jauh lebih pendek daripada waktu respons termistor, karena saya membuat termokopel dari kawat constantan dan nichrome Ø0.1mm. Berdiri di Gambar. 0 KDPV

Saya merencanakan serangkaian percobaan sebelumnya. Panjang filamen diatur E, mm, biasanya saya menggunakan 100 atau 150mm. Anda dapat melakukan lebih banyak, akurasinya akan lebih tinggi, tetapi merusak dalam hal konsumsi filamen. Kecepatan ekstrusi S dalam mm / mnt juga diatur. Perhatikan dimensi, di sini - sebentar lagi! Langkah nilai-nilai percobaan ditetapkan berdasarkan fakta bahwa kinerja maksimum jatuh ke dalam kisaran nilai.

Kriteria penting untuk mengevaluasi apakah die dan extruder dapat menangani atau tidak adalah koefisien slip. Apa ini Pada laju umpan yang rendah, misalnya, 30-60 mm / mnt, gigi hobbolt ditekan ke dalam filamen dan memajukannya ketika hobbolt berputar ke depan. Tidak ada yang tergelincir sama sekali. Pada titik tertentu, gigi hobbolt mulai merobek plastik. Untuk tingkat selip tertentu, proses mendorong berlanjut secara normal, tetapi tidak 100%. Di atas - ketidakstabilan kerja dan penghentian alat pengekstrusi dimulai, karena seorang hobbol dapat menggerogoti sebuah filamen, di mana dorongan itu berakhir. Yah, saya punya kenyataan dan hobi seperti itu.

Inilah yang akan menjadi percobaan untuk menentukan kinerja kepala pada kecepatan umpan filamen 90; 150; 210 dengan panjang umpan 150mm.

Kami panaskan kepalanya. Kami menetapkan laju umpan kecil, misalnya 50 mm dan kecepatan umpan juga kecil, misalnya 30-60 mm / mnt. Ini adalah pembersihan. Ketika plastik sederhana yang dipanaskan cenderung bocor keluar dari kepala, kekosongan terbentuk dan akan mempengaruhi hasil sebagai berikut. Anda harus memiliki cukup waktu untuk mengatur E = 150 dan S = 90. Segera setelah motor pengekstrusi berhenti, pecahkan thread yang diekstrusi di bawah root dan segera tekan mulai untuk parameter yang dimasukkan. Saat string percobaan pertama tersendat, masukkan nilai berikut. Ketika ekstrusi berakhir, langsung pecahkan utas dan mulai dengan nilai-nilai baru. Sisihkan benang yang diekstrusi untuk penimbangan berikutnya. Begitu juga dengan keseluruhan seri. Istirahat terpendek dapat mengurangi efek pasca ekstrusi dan kebocoran. Setelah menimbang sampel yang diperoleh, kami melihat seberapa besar berat sampel berbeda dari referensi. Anda dapat menghitungnya berdasarkan berat perkiraan panjang filamen - 150 mm atau dari pengalaman dengan pakan yang sangat kecil, ketika ekstrusi dapat dianggap lengkap.

Jadi, mengekstrusi setidaknya 80% dari volume yang diharapkan, ini adalah batas operasi stabil dari extruder dan head, menurut saya. Faktanya, zona ini sangat sempit dan percobaannya diulang dengan baik. Biasanya penyimpangan 1-2%.

Poin penting lain dalam percobaan adalah jurnal laboratorium. Ini merujuk pada pencatatan dan pemesanan percobaan, asumsi dan perhitungan mereka.


Gbr. 13 Pekerjaan saya mencatat topik printer 3D sejak 2013

Ngomong-ngomong, berdasarkan fisika slippage ekstruder, jelas bahwa dengan slippage yang sama, gaya dorong hobbolt filamen akan sama. Dengan akurasi yang bagus. Dengan demikian kita dapat memperoleh data tidak langsung tentang tekanan di kepala.
Berikut ini contoh dari percobaan:


Gambar. 14 Sebuah fragmen file Excel (Libre Office) untuk eksperimen komputasi. Ekstra dihapus
Kepalanya sama. Nosel dapat diganti uR dan N. Untuk yang pertama, produktivitas aktual adalah 46,67 mm³ / s, dengan laju umpan 79% dari maksimum yang diharapkan.

Untuk yang kedua, 25,14 mm³ / s dan 80%. Berdasarkan koefisien tekanan yang sama hampir sama. Kami menggunakan rumus yang disederhanakan untuk menghitung resistensi cairan.

ΔP = K * W * L / D²

Di mana ΔP adalah penurunan tekanan yang disebabkan oleh resistansi, K adalah koefisien tertentu termasuk viskositas leleh (untuk polimer komposisi dan struktur yang merupakan hal yang agak tidak stabil - tidak ada harapan untuk mengetahuinya dengan pasti, dan saya tidak benar-benar menyukainya), W adalah kecepatan fluida, L adalah kecepatan fluida, L adalah panjang dari bagian resistansi , D adalah diameter lubang di mana peristiwa itu terjadi. Rumus ini dapat diturunkan dari persamaan Poiseuille untuk gerak laminar Newton:

Q = πd4ΔP / (128μL)

Di mana Q adalah aliran melalui penampang, meskipun dalam mm³ / s, d adalah diameter lubang, ΔP adalah penurunan tekanan melintasi lubang, yaitu, resistensi adalah tekanan yang diperlukan untuk mengalir. μ adalah viskositas dan L adalah panjang lubang ini. Jika kami menerapkan rumus paling sederhana untuk aliran laju aliran ke ini:

Q = w * πd² / 4

di mana w adalah kecepatan aliran, kita dapatkan

ΔP = 32 * µ * W * L / D².

Karena viskositas untuk polimer sangat bervariasi dan tergantung pada viskositas dan berat molekul (teknologi manufaktur), 32 * μ ditetapkan sebagai K. untuk kesederhanaan. Mengapa kita menggunakan rumus untuk aliran laminar? Ada kriteria Reynolds yang menentukan kondisi transisi dari aliran laminar ke turbulen. Lebih dari 10.000 - "aliran turbulen yang dikembangkan." Lebih dari 2300 - belum dikembangkan. Jadi, kriteria Reynolds berbanding terbalik dengan viskositas. Semakin tinggi viskositas, semakin rendah kriteria Reynolds. Dalam kasus polimer meleleh, viskositas selalu sangat tinggi. Tentang fluida Newtonian / non-Newtonian, tentu saja menarik, tetapi untuk fluida non-Newtonian kita hanya dapat melihat sedikit penyimpangan dari ketergantungan kecepatan aliran pada tekanan dalam satu arah atau yang lain. Lelehan tidak akan mengalir kembali. Dalam salah satu varian dari cairan non-Newtonian, aliran viskoelastik dapat memanifestasikan dirinya dalam bentuk pembengkakan filamen saat keluar dari nosel. Tapi ini, jelas, bukan alasan utama dan kami tidak akan mempertimbangkannya di sini.

Jadi, kami memiliki dua pengalaman dengan resistensi dekat:

46,67 mm³ / s untuk nosel dengan daya tahan rendah dan jelas

25,14 mm³ / s untuk nosel konvensional dengan diameter 0,5 mm.

Resistensi terhadap meledak akan kira-kira sama.

Jika kami hanya memiliki plastik cair di bagian kepala yang luas, kami akan mendapatkan kesetaraan:

K * W1 * L1 / D1² + K * w1 * l1 / d1² = K * W2 * L2 / D2² + K * w2 * l2 / d2²

Di sini kita membandingkan dua percobaan, dengan nosel dengan resistansi rendah dan dengan yang konvensional.
Tingkat kedaluwarsa dalam kasus pertama adalah: 46,7 / (3,14 * 1.1² / 4) = 49mm / s.
Kecepatan di bagian lebar kepala: 46,7 / (3,14 * 3² / 4) = 6.6mm / s.
Untuk nosel konvensional, masing-masing: 128,0 mm / s dan 3,55 mm / s.

Pengganti: K * 6.6 * 39 / 3² + K * 49 * 0.2 / 1.1² = K * 3.55 * 39 / 3² + K * 128 * 0.6 / 0.5² =>

28.6K + 8.1K = 15.4K + 307K => 36.7K = 322.4K

Di sini kita mengasumsikan bahwa nozzle dengan resistansi rendah memiliki panjang tidak-nol, misalnya 0,2 mm. Ya, persamaannya tidak berhasil. Tetapi Anda melihat berapa kali resistensi nosel meningkat dengan penurunan diameternya, dari 8.1 menjadi 322.4. Lalu mengapa ketidaksetaraan muncul? Karena di negara kita, filamen memasuki kepala dalam bentuk padat.



Gbr. 15 Pencairan filamen Melting menghasilkan kira-kira seperti ini: - pertama lapisan leleh yang sangat tipis, kemudian mengental. Filamen bergerak relatif ke dinding kepala pada kecepatan w, dan fluida mengubah kecepatannya dari 0 ke w. Gesekan dalam lapisan tipis jauh lebih tinggi, karenanya ketidaksamaan yang sederhana.

Itu saja.Terima kasih atas perhatian anda

NB Artikel ini didahului oleh artikel: https://geektimes.ru/post/285136/

Dan ada tiga bagian, meskipun agak panjang di sana dan ada sesuatu yang agak ketinggalan zaman:

→ https://geektimes.ru/post/259832/
→ https: / /geektimes.ru/post/259738/
→ https://geektimes.ru/post/259730/
Dan juga yang saya mulai - https://geektimes.ru/post/258580/

PPSSeperti yang saya pahami, banyak komentator melihat pendirian dan percaya bahwa ini adalah bagian yang perlu dan sulit untuk mengukur kecepatan kepala printer. Tidak - dudukan hanyalah pengganti untuk printer itu sendiri. Angkat kepala printer lebih tinggi - dan Anda akan sama. Tidak nyaman setiap kali mengubah kepala dan mengkonfigurasi ulang printer jika Anda perlu mencetak. Dan saya akan mengubah semua bagian kontak. Intinya adalah bahwa dengan metode paling sederhana Anda bisa mendapatkan data yang cukup rumit. Bagi saya, Michael Faraday dengan Candle Story-nya selalu menjadi model dalam hal ini. Metode paling sederhana adalah kesimpulan yang serius. By the way, lihat pengaturan apaorang melakukan alih-alih menimbang dangkal. Dan kesimpulan lain: data iklan pada kecepatan cetak harus diperlakukan dengan pemahaman tentang apa yang telah saya nyatakan - perbedaan dengan kenyataan dapat dengan mudah terjadi pada saat-saat bahkan tanpa curang, tetapi hanya karena teknik pengukuran yang berbeda.