关于3D FDM打印机头的开发第1部分

2013年底，经过对Internet的深入思考和研究，我决定建造3D打印机，在组装过程中，我受到“小型机械工程”思想的启发，并从小型机械工程学开始从事打印机节点的开发和现代化。

打印机的头部这样的部分原来是相当神秘的。这意味着关于其构造原理的详细内容并没有写太多，并且在网络上充斥着关于卡住和劣质塑料的抱怨。我自己的磁头没有任何问题-可能是因为我立即从一家好的制造商那里购买了质量好的磁头。
无论如何，头部发展的话题使我感兴趣。我开始制作原型。结果很好。但是，我对这个主题的研究越深入，其中的细节和细微之处就越多，并且越有趣。然后碰巧，几个月来我为Lix Pen手动3D打印机开发了打印头和进纸机构。它增加了我的经验和技术能力。现在，我继续研究该主题，我相信我已经积累了很多关于该主题的信息，如果有人感兴趣，我想分享它。

总的来说，我实验的主要目标是显着提高3D FDM型打印机的打印速度和分辨率。


图。 11头类型3.1
注意！下述打印头示例不是产品，也不用于销售，因为它们是高速/记录/实验产品，没有人生产。
在这一部分中，我们将考虑：-1.头，总体结构以及其中进行的过程。挤压。摩擦。-1.1头部区域-1.2细丝熔化速度及其影响的计算。-1.3摩擦的影响。他的评分。热障。散热器。-1.4交通堵塞。-1.5计算头部静止和运动中的热通量和梯度。有他和没有他的散热器的计算。

介绍
FDM 3D打印机的工作原理是将塑料钓鱼线（通常称为细丝）通过挤出机推入打印头（HotEnd），然后以细钓鱼线的形式从中挤出。微控制器控制头部和桌面的运动（已打印的产品位于其上），以便从该钓线形成产品。在此过程中有许多微妙之处，但本质恰恰在此过程中。显然，打印产品的精度取决于打印头相对于工作台的定位精度，不仅限于此！压缩鱼线的直径也很重要。甚至不是直径，而是钓线的宽度。熔融物以圆柱体的形式从头部的喷嘴中挤出，但确实如此，但是为了将各层固定在一起，头部在零件上方的高度略小于喷嘴的直径。同时，鱼线略有涂抹和拓宽。

实际上，根据目的选择层的厚度-比喷嘴的直径小1.5-2倍。


图1压碎钓鱼线
在图1的下部，可以看到与基材的接触表面非常小，几乎不会出现钓线变宽的情况。在该图的上部，可以看到在接触面积不断增大的情况下钓线的展平以及钓线的宽度。在打印机说明中，通常会指示最小层厚度参数。然而，这仅在一个轴上表征了打印分辨率。在另两个轴上，喷嘴直径（钓线的宽度由喷嘴的直径和层的厚度获得）在很大程度上确定。为了说明这一点，我尝试在图2中用粗线绘制一些小的细节。应当牢记的是，由于将塑料两次涂覆到某些区域这一事实，以直角改变喷嘴运动是不希望的事情。这会导致边缘膨胀和挤出，从而降低打印质量。因此，更常见的是用某些圆角印刷角度。

图2
我们可以看到图片中圆角的圆角。内部填充不充分对强度影响很小。通常，通常使用40-60％的填充度，但这取决于许多因素。使用干聚酰胺打印时，我使用了15-20％的填充量。在这种情况下，只有外部轮廓，零件的顶部和底部以连续层的形式印刷。默认情况下-从边缘开始3层，然后填充。因此-对于高分辨率的可打印对象，您将需要最小的喷嘴直径。这就提出了另一个问题-打印速度。假设我们的喷头的挤出速度为100 mm / s，喷嘴直径为0.3 mm。这是指在喷嘴出口处塑料的挤出速率。让我们计算多少钱，以立方厘米为单位：

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

当然，假设0.4的填充密度还不够，但是...

0.007068 / 0， 4 = 0.01767cm³/ s

事实证明，填充度为0.4的零件的1立方厘米，喷嘴为0.3 mm的打印机将打印56.5秒。大约-1分钟。一升的体积-1000分钟，大约16小时。结果并不鼓舞人心。显然，当直径加倍时，在相同的挤出速度下，打印速度将增加四倍。
因此-如果我们具有完美的打印机机制，要获得更好的结果，我们必须为最薄的喷嘴提供最大的挤出速度。在我看来，在喷嘴直径为0.3毫米的情况下，这些面的实际最小倒圆半径可以为半毫米。这是由于压碎鱼头时钓线有些膨胀。即使在很小的程度上-但这也是必要的，这样强度就不会降低太多。许多人注意到产品在X，Y和Z轴上的强度不均匀，而在Z轴上的强度则较低，这是因为这些层之间的粘合力不足。在良好地压住钓鱼线的情况下，例如，将喷嘴高度设置为喷嘴直径的1/2，该问题就不明显了。
与这两个相关联的另一个目标是减少打印头组件的质量。在大多数打印机中，打印头在一个或两个平面中移动。移动得越早，打印速度就越快。但是，有些模型可以移动整个桌面。太神奇了即使使用挤出机，台式机也比头部重得多。另外，印刷件被粘在上面。持续不断的交替加速必须坚定地努力将其分解。而且头部是铁，很难折断。
现在，头部本身就是HotEnd。通常，它不是很重，但是有一个，但-最常见的连接选项-格雷格（Greg）或韦德（Wade）涉及到放置挤出机-一个单元，用头建设性地将细丝推入HotEnd。这大大增加了质量。当挤出机固定并通过可移动的特氟龙长管（特氟龙产生很小的摩擦力）连接到机头时，连接选项为鲍登，细丝通过机头进入机头。该解决方案不是太可靠，传递的力不是很大，此外，难以快速控制塑料流入头部的流动。我认为，对于非常高的打印速度，这是不合适的。
另一方面，带有挤出机的可移动头的较大质量会快速移动，从而在打印机框架上造成很大的负载，并且移动所有这些质量还需要额外的能量。这意味着考虑的一个方面应该是减少打印单元的总质量。
结论：
影响打印速度和质量的三个主要任务：
1.获得直径可能较小的可工作喷嘴
2.同时高速运行
3.同时使打印单元的质量尽可能小。
我认为这些问题的解决方案对于改进FDM 3D打印机很重要，这里将讨论其解决方案。

第1章磁头，通用设备及其中进行的过程。挤压。摩擦。

1.1头部区域为了解决上述问题，您需要了解头部中发生的过程以优化它们。因此，让我们简化一下头部内部的示意图。厘米图3图

3
看到在指定区域中发生了什么过程。
在区域A中，我们看到传入的冷丝。它的性质尚未因加热而改变，因此其运动阻力取决于与壁的摩擦力。使用特氟龙衬管可以很好地减少这种情况。由于在不很高的温度下，特氟龙无处可漏（仅衬管），它可以很好地工作，并且在其上的滑动摩擦非常低，因此可以降低这种情况。
现在B节- 绿色。在此部分中，塑料已经从壁上被轻微加热，其机械性能正在下降，但尚未表现出流动性。
根据非常长的熔化室和狭窄通道（为了更好的热接触）的实验结果，我怀疑该位点的存在。

突然，挤出速率急剧下降。直径的间隙约为0.1mm。我建议在局部加热的情况下，塑料棒的强度会降低，并且会在弯曲半径较小的挤出机压力的影响下开始在通道中弯曲，即，在壁上产生太多的摩擦点，甚至轻微的膨胀都会导致软木塞形成，但在没有软木塞的地方这是必需的，而不是在高温梯度区域内（有关此内容的更多信息，请参见下文）。
赞成形成这种蛇形弹簧说，在挤压过程中观察到了大的后挤压。即，在挤出机从喷嘴停止后，塑料继续阻塞。为了验证和消除，将通道钻至2.0毫米和1.8毫米。间隙为0.3mm。速度已大大提高。这种现象可能是小直径细丝的更多特征，因为随着直径的减小，杆的弯曲刚度会根据三度或四度定律降低。但是，绝对可以确定，在这种情况下这不能被认为是故障的主要原因，因为消除了另一个错误-喷嘴出口部分过长。比推荐和正常时间长4-5倍。由于制造错误。但是，从喷嘴鼻（下面给出）的摩擦力的计算来看，较长的排气通道不应降低速度。
C部分。温度升高，钢筋开始塑性变形。在压力下，它分布到侧面，形成一个活塞。我在http://reprapology.info/archive/1422/rheology/页面上遇到了对此现象的描述，谢谢同事！此刻很容易检查-在直径3毫米的钓线上，足以让打印后的头部冷却下来，然后使用快速加热，用坚硬的涌入将钓线移开。头部的设计使我可以轻松做到这一点。
因此，最终的活塞成为较热的塑料下层液体的障碍，并且不允许它们破裂。这种突破是在某些条件下发生的，我也可以观察到它们。因此，这种现象很有用，因此我将其称为“工作交通堵塞”。但是，在许多条件下，软木塞的长度开始增长。在很大程度上是半固态的情况下，与壁的紧密配合会急剧增加阻力。有一种“交通拥堵”-拥堵。尽管在某些条件下，我仍然能够在实验头上获得这种现象。
事实是，当然，主要是由于头的设计不成功而产生了软木塞，并且仅由于此，在加热状态下的闲置时间内更多地出现了软木塞。显然，从图中可以明显看出，“工作塞”的截面应具有一定的长度-不短，且不长于最佳长度。我无法满足“工作卡太短”的缺陷，但是“太长”是经常发生的。显然，如果我们考虑静止状态，则“工作塞”的长度取决于从区域C的起点到终点的温度差（梯度）。对于工作温度为230°C的塑料，其开始形成时的较低温度可能在100-110°C以上。实际上，这一事实解释了在工作头中使用风扇和隔热层的情况-当打印停止时（不仅如此），它们可以防止热量升高，从而防止软木塞的生长及其在不良区域的移位。
D部分。这也不是简单的部分。事实是，必须在该区域将塑料完全熔化至中心。否则，如果未融化的芯子接近喷嘴，则观察到塑料的不均匀挤压-不会挤压实心的钓鱼线，而是会出现收缩或对悲观主义者来说是一种花环的香肠-“ kakashist”。在稍低的速度下，沿着挤出的透明鱼线可以看到使用新鲜干燥的聚酰胺，沿着轴线，有少量未熔化的圆柱形混浊塑料夹杂物。这种现象在3.3型喷丝头上观察到，丝线直径为1.6-1.7 mm，喷嘴直径为1 mm，丝线进给速度为500-1000 mm / min。这是一些图片。
在进料速度为500 mm / min，温度为225°C的情况下，干燥聚酰胺的例子为挤出机中钓线的打滑率约为10％。

图4
可以看到，钓鱼线几乎到处都是平坦的，只有非常起泡。不要惊慌-此功能是结合使用的结果-输出喷嘴直径大且进给速度高。
都是一样的，但是长丝进给速度为1000毫米/分钟，滑移系数约为50％！也就是说，供应实际上几乎没有增加5-10％。滑移系数我用它来表明这样一个事实，即随着进给速度的增加，钓线的挤压速度会增加，因此，推钓线的阻力也会增加。在某些时候，船首的牙齿无法应付钓线的捕获，并开始撕裂或滑落。在这种情况下，设定的进给速度开始超过实际速度-我们通过挤压鱼线的重量来确定它。对于100％，我认为完全合规，对于0％，我认为完全停止合规。该值很好地表征了挤出压力，通常80％表示稳定且均匀的过程。

图5
可见一些肿块，尽管由于起泡而不太明显。

图6
这是干燥的聚酰胺，长丝直径1.7mm，进料500 mm / min，温度215º。没有冒泡，没有收缩。顺便说一下，干燥是在电烤箱中进行的，在100º下30分钟，在120º下30分钟。收缩质量的5.5％。在120℃下进一步干燥一小时导致重量减少0.5-1.0％。同时，我的钓鱼线部分变形-烤箱可能不是最好的烘干设备。
结论-1小时，逐步升高温度足以干燥。干燥没有显着影响挤出速率。重要的一点！随着时间的流逝，聚酰胺和ABS都会从空气中吸收水分。打印时，这会导致钓线中出现气泡，这意味着成品上会出现凸起和不规则现象。必须对此进行斗争。

图7
好，钓鱼线均匀，直径走一点。进给300mm / min滑点几乎为零。
E部分-流动压缩区。该理论指出，此部分的形状和长度不太重要-越短越好。来自Roboforum的一些同志怀疑，由于聚合物熔体的粘弹特性，可能并非如此。实验证实了最简单的喷嘴的优势，该喷嘴具有一次通过传统钻头钻孔所获得的大入射角的优点。所有阶梯钻，细长圆锥形喷嘴（伸长率高达1k13），具有抛物线轮廓的喷嘴都经过了测试，事实证明，与使用118°锐角的钻头制成的最简单喷嘴相比，其摩擦性能更差。因此，目前，我认为这没有任何意义。充满细丝的问题-事实并非如此。
F部分-喷嘴喷嘴。实际上，越短越好。建议最大为0.4毫米。这是电阻最大的区域，因此其长度会极大地影响电阻。事实证明，长度为0.4毫米，喷嘴直径为0.2毫米，所有电阻的49％落在该部分上。这是用于V4_1磁头的最新版本，获取此数据的过程将更少。但是必须记住，延长此部分不仅会降低速度，而且对the流具有平滑效果，从而可以减少高速时的膨胀。没错，仍然有必要找出这是否会影响打印质量-毕竟，无论如何，the流会立即涂在零件上

结论：描述了根据进入区域的过程对头部的划分。其中的主要过程正在进行中。工作的柱塞活塞，摩擦。灯丝完全熔化。长丝中的水分含量，其作用，干燥。可选的喷嘴形状为阶梯式钻孔。
1.2计算长丝的熔化速率及其影响。
我
根据傅立叶定律从表面计算出了圆柱状塑料棒的熔点，假设热量没有浪费在相变上（例如融化的冰）（对于聚酰胺来说不是很正确-它具有明显的结晶度，但是误差很小），即熔融层的混合不会发生-这很接近事实，因为由于熔融塑料的高粘度，其在直径不太大（1.7和3.0 mm）的管道中的流动是层流的。
我考虑了一个薄的圆柱形塑料层，进入该层的热功率为：P =λ* S *ΔTdv/ l，其中λ是塑料的导热系数，S是传热面积，l是导热层的厚度（从加热表面算起）。 ΔTdv-过程的驱动力，加热表面和被加热表面之间的温差。如果功率超过加热器的功率，则在公式中计算ΔTdv，该公式是根据加热器的功率相等的条件计算得出的。根据公式Q = M * C *Δtr，计算出ΔTr-在该时间步上该层上加热材料的温度变化。因此，可以从Libre Office软件包的Calc表中一步步地进行考虑。我的步长为0.15毫米，时间间隔为0.02秒。
现在，让我们看看物体如何在恒定温度下从受热表面加热-如本例所示。根据傅立叶定律，我们知道加热速率与温度差成正比，即-“驱动力”，Δt。计数。加热表面为t = 250º，目标温度为t = 230º。初始温度t = 20º。让我们考虑一下加热初始温度差（（250-20）/ 3 = 77º）的三分之一等于T的时间。此外，间隔中的最终温度为t = 97º（20 + 77），平均Δt=（（250- 20）+（250-97））/ 2 = 191º。在下一个时间间隔T = 2，对象还将加热到剩余“驱动力”Δt= 250-97 = 153º的三分之一，并且该间隔中的最终温度将变为t = 97 + 51 = 148º，平均Δt=（（250-97） +（250-148））/ 2 = 127.5º。

在时间间隔T = 3中，Δt= 250-148 = 102º，最终温度变为t = 148 +（102/3）= 182º，平均Δt=（（250-148）+（250-182））/ 2 = 85º。

在= 4上，Δt= 250-182 = 68º，温度将变为t = 182 +（68/3）= 205º，平均Δt=（（250-182）+（250-205））/ 2 = 56 5º。

当= 5时，Δt= 250-205 = 45º，温度将变为t = 205 +（45/3）= 220º，平均Δt=（（250-205）+（250-220））/ 2 = 37， 5º。

在= 6上，Δt= 250-220 = 30º，温度将变为t = 220 +（30/3）= 230º，平均Δt=（（250-220）+（250-230））/ 2 = 25º 。因此，当从表面略微过热（20º）进行加热时，我们退出了6个常规时间间隔T的设置参数。
现在让我们看看如果增加此温差会发生什么。我们从t = 320º的受热面计算出相同的热量-这种设计的可能性在这种设计中是可行的。

T = 1，Δt= 320-20 = 300º，温度将变为t = 20 +（300/3）= 120º，平均Δt=（（320-20）+（320-120））/ 2 = 250º。

T = 2，Δt= 320-120 = 200º，温度变为t = 120 +（200/3）= 187º，平均Δt=（（320-120）+（320-187））/ 2 = 166.5 º。

= 3，Δt= 320-187 = 133º，温度变为t = 187 +（133/3）= 231º，平均Δt=（（320-187）+（320-231））/ 2 = 111º。

事实证明，通过加热比喷头所需温度更高的塑料，我们将显着提高熔化速度。不错，此解决方案可以派上用场，尽管会遇到许多困难。此外，这将对液态塑料的粘度产生积极影响，因为塑料的熔化速度不是限制塑料从喷嘴流出的唯一因素。在计算中考虑了这一点，因此可以考虑过热的运行方式。事实证明，这是用LibreOfficeCalc制作的精美表格，它使您可以考虑一系列因素来影响条形的加热，并有机会计算出温度和温度。不要因为使用模拟Excel而责备她-她会做自己的工作。

在加热器温度为280°C的情况下，直径为1.7 mm的PA6聚酰胺在加热器功率为30 W的情况下在200°C的温度下的总熔化时间为2.88 s，在加热器温度为240°C的情况下为3.24 s。对于直径为3 mm，加热器功率为50 W，加热器温度为280°C，加热至200°C-8.64 s，加热器温度为240°C-9.84 s的相同塑料。这是替换实磁头类型4.1和3.3的参数时的计算数据。另外，根据计算结果，建立了头部中的细丝熔化前沿的轮廓。

图8
根据棒熔化所需的时间值，可以考虑熔化区域的必要长度或长丝熔化的最大可能速率。
为了对直径为1.7 mm的灯丝进行计算的实验验证，我使用了3.3型头和1.7mm灯丝，而喷嘴的孔径为1 mm，直径为1.3 mm，是4.1型头，带有0.9喷嘴的3mm灯丝。如此大的孔径将显着降低由于粘度引起的抗破裂性，仅对熔融物料的破裂具有限制。由于来自喷嘴的熔体流动速率远高于细丝的前进速度（与直径的平方之差成比例），因此细丝的熔融部分不能刚好从孔中出来，它会阻塞喷嘴，如果细径小于喷嘴的直径，则它会被流分解成碎片。温度已经很高，所以熔融核的强度很低。这种现象可以在干燥聚酰胺的挤出过程中观察到（未干燥的熔体由于蒸汽气泡而变得混浊），在熔融状态下它是透明的，并且在喷嘴的热冻结线中，沿轴可见小的混浊夹杂物。
如何测量出口，这意味着打滑：首先，对挤出机进行校准。例如，在分配50厘米的作业时，他以低速碾压了钓线，以确保没有打滑。据测算，他真正卖了多少钱。用毡尖的笔将标记放在钓线上。计算长丝的比重-切下一条长1 m的长丝，在几个地方仔细测量直径。这块被称重。密度是根据这些数据计算得出的-顺便说一下，聚酰胺的类型可以通过密度来很好地判断，这使我们能够判断其其他特性，例如强度，熔点和吸水率。
在280°C加热的直径为3 mm的加热过程中，最大实际长丝进料速率为6.52 mm / s。实际进料速率是通过将挤压鱼线的重量除以挤出机的工作时间，然后除以密度（我们得到的体积/秒），再除以长丝截面积。对于该喷头，熔化区的长度可以考虑为约50 mm。因此，实验的熔化时间为τ= 50 / 6.52 = 7.67 s。这是直径为3 mm的长丝完全熔化的时间。更确切地说，它不是细丝，而是修剪器钓线，其直径稳定。对于直径为1.6毫米的修剪钓鱼线，其直径从1.62毫米“走”到1.68毫米。对于这种长丝，完全熔化的速度为4.17 s。与计算得出的差异比第一种情况大。我了解这是由于狭窄的工作渠道所致。这与理论是很好的巧合。另一个直径的完全熔化速率可能是平方的（这是针对3毫米长丝计算得出的，这证实了这一点）。
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1.3摩擦的影响。他的评估。散热器。它表现在头部的所有部位。冷塑料的摩擦，由于膨胀到侧面而稍微加热的塑料的摩擦，“工作塞”的摩擦，壁和各层之间的液态塑料的摩擦以及在喷嘴的最后部分出乎意料的高阻力。尽管通常建议将其缩短，但由于该位置的塑性速度最高且孔径较小，因此电阻可能非常显着。
头部和挤出机部分的摩擦也很重要，但现在我们正在处理头部。由于高温，在头部内部使用特氟龙插件似乎是一个不好的解决方案，但是，由于塑料的熔化，此处的摩擦减小了，这意味着不再需要特氟龙。但是，应避免在金属上产生干摩擦，如果塑料在抛光的钢上滑动得很好，则铝则不会。
因此，回到带有区域的杆头图，图3-区域C，即工作塞形成区域。
为了减少此部分的摩擦，必须在区域C（工作塞的形成）到区域D（熔化）之间产生较大的温差（梯度）。梯度越大，工作塞的长度越小，摩擦阻力越小。要创建适当的梯度，请使用热障。从1.1型的第一个头开始，我用一根不锈钢管（用硬银焊料）焊接到黄铜头上，然后在管上放了一个小的圆盘铝散热器，与头的黄铜部分相距约2-4 mm。由于不锈钢的低热导率（304级或X18H10级）和铝的高热导率，散热器的温度约为100°C，并且对钓鱼线进行了预热，减少了熔化时间，而没有堵塞的风险。由于散热器被风扇吹走，事实证明，这是一个很好的热稳定性-软木塞不会上升，因为随着温度的升高，散热器开始更加集中地散发热量。在散热器水平以上的钢管截面中，从内部使用了特氟隆嵌件，因此减小了截面B增大的摩擦。
1.4。交通堵塞。让我们考虑一下，如果可能的话，在头部形成交通拥堵，并将其从有用的“工人”转变为恶意的工人的过程。为此，计算头部不同部位的热通量并加以考虑。

通常，在挤出机和喷头的操作过程中，塑料线被转化为熔体，并以足够大的力穿过狭窄的喷嘴孔。这很清楚。顺便说一下，由于某些原因，可以估计喷头中的熔体可以处于足够高的压力下。好的挤出机的力可以达到每3毫米长丝十公斤力。当我用手推动塑料时，我在杆上做了这样的努力。它发生了。它在100个大气压下覆盖7平方毫米的面积。好吧，这并不是很难测量的-我们将一根导热系数低的材料（PEEK，PTFE？）制成的杆插入喷嘴，并测量流塞压力。对于每个大气压直径为0.5毫米-2克力的喷嘴。虽然不是太重要。我没有测量。

因此，钓线有缝隙进入头部。什么都没回来。显然，在加热过程中，塑料会有些软化，并且在挤压机力的作用下，塑料会分散到侧面，而壁会允许。塑料的部分软化能力很容易验证-确实如此。

同样，很明显，沿着软木塞出现区域的长度的温度差越小，软木塞将越伸长。软木塞与壁的完全接触时间越长，则推动阻力越大。您可以看到图片3 ...此外，当塑料熔化时，与墙壁的摩擦变小，您不必担心这种情况。因此，工作插头越短，寄生摩擦越小。

想象一下，工作插头的长度仅为0.1毫米。显然，这种通常不太坚固的材料制成的薄层将无法承受液态塑料的背压，并且会突然破裂，并且破裂后会在较冷的部分变硬，从而产生意想不到的软木塞。我碰巧几次拉出这样的东西。在那里，您可以清楚地看到突破是如何发生的，并且液体在整个长丝条上上升。顺便说一句-在所有情况下，当我拿到软木塞（尽管我有很多实验头，但很少形成软木塞）时，我都非常简单地摆脱了它们-让其冷却，然后加热，几分钟后，将“反向”命令​​传递到挤出机并用手被钓鱼线拉出。我建议这可能是由于我所有头脑的设计特征所致。-在主动熔化区之前，管子内部有一个特氟隆插入物，其直径不小于头部工作区的直径。
结论：我相信，由于以下事实会发生软木塞增长和卡住的情况：闲置时，热量会升高到头支架的壁（隔热板？），并且当工作开始时，软塑料会散布到侧面。如果没有特氟隆衬垫几乎到达头部本身，可能会致命。

1.5计算头部静止和运动中的热通量和梯度。有他和没有他的散热器的计算。

1.5.1。 BASS 1.3型喷头的设计及其中的热通量。该材料的首字母名称使用黄铜，不锈钢，铝。 3mm灯丝。以该设计为例，考虑热通量，温度和过程。

我
要插入我的旧出版物“ Zd打印机：头部侧面的视图”中的一段，并稍作纠正。


图9 根据图9 的方案。 9：头部外部的紫色是加热线圈，比镍铬合金更好，但是电阻器通常用作头部中的加热器-生产方便，但由于电阻器位于本地，因此降低了加热场的可靠性和均匀性，因此电阻器会局部过热。但是，这里没有根本的区别-电阻或绕组。唯一-高均匀性和加热速率，但设计的简便性和准确性。

头部底部的红色是熔融的聚合物区域，它是不均匀的，因为聚合物会在很宽的温度范围内改变粘度，而橙色区域是已将聚合物加热至可塑性但尚未流动的区域。该区域非常重要-塑料棒在其中会略微膨胀，紧贴墙体并变成活塞，然后将熔体推过模具的出口。绿色是尚未发生延性显着变化且钢筋进一步传递压力而不产生褶皱的区域。不同的阴影表示黄铜头和铝制散热器。氟塑料管以白色突出显示-导向管，由于摩擦很小，沿着它的导条以最小的阻力通过。灰色-不锈钢管，轴承头和散热器，以及环-插入件-它使您可以避免在最热的部分中对铁氟龙管施加机械应力。这很重要-铁氟龙在这种情况下在机械上极不稳定，因此在这里它与钢紧贴在一起-可能会泄漏一点，但不会很快，因此这根铁氟龙管很容易更换。不锈钢管用固体银焊料钎焊到黄铜头上-因此，对热稳定性和强度没有疑问。环（从内部进行抛光，以减少摩擦！）只需嵌入到内部，然后用特氟隆管将其向下压。请注意-选择不锈钢必须具有低的导热系数。通常，这类似于04X18H10。因此，它在任何地方都与钢邻接-它可能会泄漏一点，但不会很快，因此，这种特氟龙管很容易更换。不锈钢管用固体银焊料钎焊到黄铜头上-因此，对热稳定性和强度没有疑问。环（从内部进行抛光，以减少摩擦！）只需嵌入到内部，然后用特氟隆管将其向下压。请注意-选择不锈钢必须具有低的导热系数。通常，这类似于04X18H10。因此，它在任何地方都与钢邻接-它可能会泄漏一点，但不会很快，因此，这种特氟龙管很容易更换。不锈钢管用固体银焊料钎焊到黄铜头上-因此，对热稳定性和强度没有疑问。环（从内部进行抛光，以减少摩擦！）只需嵌入到内部，然后用特氟隆管将其向下压。请注意-选择不锈钢必须具有低的导热系数。通常，这类似于04X18H10。只需插入铁氟龙管内并固定即可。请注意-选择不锈钢必须具有低的导热系数。通常，这类似于04X18H10。只需插入铁氟龙管内并固定即可。请注意-选择不锈钢必须具有低的导热系数。通常，这类似于04X18H10。

在图片的左侧，沿着管的轴线看到一个温度曲线图（近似图）。我不能保证秤的准确性，但是指示是正确的。带有区域标记的轴越远，温度越高。
我们不再重复。这里仅关注区域4，您可以看到如何放置散热器。

4区-塑料主动软化区域，热障区域。可以看出，在头部的黄铜部分和散热器之间有一个很小的间隙，在该间隙处温度会急剧变化。然后，塑料开始加热以形成软木塞，该软木塞用作活塞，推动力越来越大。正如reprapology.info的同事所表明的那样，如果塞子活塞的长度增加，由于摩擦力增大和清洁问题的困扰，这将停止打印。为了防止这种软木塞的生长，在第五区的较高处使用了一个小的散热器。随着热量从不锈钢沿着热桥流入，它开始加热，这意味着它开始散发更多的热量。因此，该过程是自我稳定的，进入可持续工作领域一点也不困难。散热器的散热量很大，头部和散热器之间的桥的热阻很大，因此温度随着距离的增加而增大，这意味着最佳工作温度点最有可能适合此部分，从而产生一个短而有效的活塞。应该选择热辐射器的尺寸，以使其温度可能在100-110度的范围内（这是打印机台式机的通常温度）。这样做是为了使热障区域尽可能多地处于可能的工作温度范围内（焦化！）。因此其温度可能在100-110度左右（这是打印机台式机的通常温度）。这样做是为了使热障区域尽可能多地处于可能的工作温度范围内（焦化！）。因此其温度可能在100-110度左右（这是打印机台式机的通常温度）。这样做是为了使热障区域尽可能多地处于可能的工作温度范围内（焦化！）。

因此，简而言之，为了使头部稳定运行，必须存在一个具有高热阻的狭窄区域（称为热障），在该区域中温度会在短时间内从工作温度（我们认为是235）变化到100度-大约是工作台的温度。我们需要用小风扇连续吹气，并且应将其导向散热器！
结论：描述了使用“热辐射器”的喷头的设计和操作原理。
1.5.2计算喷头的热通量。计算从喷头到热辐射器的区域内的热流-不锈钢（304/316级）的导热系数K = 9.4 W /°* m

喷头尺寸：从喷头到散热器的热障长度L = 3mm，外径D = 8mm，内径是由于插入环d = 4mm-

我们认为喷头温度为260°C。

-我们认为散热器的正常工作温度和理想温度T = 110°C

-在3D打印机的头部情况下，对流不被风扇吹动，并且持续不断地移动，因此可以忽略不计。我们将不考虑散热器和其他零件的空气流动而产生的冷却，在计算散热器的耗散功率时，我们将散热器的近似公式考虑在内，因为在正常情况下，移动扬程和略微吹气的扬程与散热器相似。从加热台的表面加热-一方面由于距其表面足够大的距离，另一方面吹动和移动头部也被忽略了。我们认为，它们在某种程度上是相互补偿的。但是，在正常工作的打印机上，加热台上的细节不会明显变热。

-最高温度为100°C时，完全不建议考虑通过辐射进行的热传递-太少了，随着温度的升高与第四级温度成比例地升高。通过辐射冷却头部-我们不在乎，这里有一个温度传感器，如果它冷却下来，就很温暖。不计算100°C时，热辐射器的温度接近建议值-我们不考虑辐射。
从头部到热散热器的热传递部分。

传输面积S = 3.14 *D²/ 4-3.14 *d²/ 4 = 3.14 * 8 * 8/4-3.14 * 4 * 4/4 = 37.7mm²

要使其达到平方米，在给定的导热系数的情况下，该面积是必要的除以一百万。

我们计算散热器中的热通量。由于铝的导热系数是不锈钢的导热系数的50倍，因此我们认为整个散热器的温度均匀（沿轴为5毫米）。在此计算框架中，散热器边缘的温度使我们不感兴趣。

W = K * S *ΔT/ L

L-不要忘记除以1000，因为我们使用的系数是尺寸-米，在从头部到热辐射器的截面上ΔT= 260 -110 = 150°

事实证明W = 9 4 * 37.7 * 150/3 * 1000-一百万（以mm²为单位的面积），减少了一千，剩下一千。

W = 17.72 W流向热辐射器的热量。
1.5.3。散热器的热量平衡计算。梯度计算。计算从散热器到头枕的区域内的热流：

-隔热层长度L = 8毫米

-传输面积S = 3.14 *D²/ 4-3.14 *d²/ 4 = 3.14 * 8 * 8/4-3.14 * 6 * 6/4 = 21.99mm²
在此部分中没有环-衬里，使内径增加，而传热面积-减小

-温差。我们考虑正常和预期的头部固定温度30°C，这意味着ΔT= 110-30 = 80°C。

我们认为W = 9.4 * 21.99 *

80/8000 = 2.07 W -17.72 W的热量进入散热器，但是2 ，07W，差ΔW = 15.65W。
该热量应通过空气中的散热器散发。在工作中，部分热量将由灯丝带走，在此部分从管壁加热。但是，我们暂时不会考虑这一点。事实证明，我们需要假设所有这些热量都是通过散热器散发的。
根据简化公式计算散热器散发的热通量。

-Q = 50 /√S其中Q是散热器的热阻，单位为度/瓦，S是散热器的面积，现在以平方厘米为单位...这样的公式。是的，该公式是微弱的，有时会存在，但是根据测量数据，您可以输入特定条件的校正值。我们考虑到了。该散热器的外径为20毫米，内部为8毫米。高度-5毫米。

-计算其工作区域，它由上盘，下盘和散热片的面积组成。 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= 8.41cm²-

计算散热器的热阻Q = 50 /√8.41= 17.24度/瓦

-让我们计算在第二个计算点结束时，这种散热器可以散发出15.65 W热量的温度。 ΔT＝ 15.65×17.24 ＝ 270℃。此外，这是温度差。我们认为工作打印机中的空气温度为30°C，而尴尬的温度为300°C。
现在可以检查一下计算了。

将加热台在110°C的温度下打开并在260°C的压力头上将
电子温度计插入散热器的螺孔中，然后在几分钟内将温度测量到最大读数。

事实证明，温度比计算得出的温度低得多-11.9°，而不是300°

这清楚地表明了模型的不准确性。这里最薄弱的环节是用于计算散热器的热阻的公式，它是经验性的，是针对没有强制冷却的散热器计算的。在我们的情况下，有一个风扇，尽管很弱并且会从远处吹来。我认为可以引入线性通风系数来阐明热阻的计算。我们通过将其替换为

Q = 50 /（√S* K）的形式来计算它。初始温度260℃。我们将散热器的温度取为111.9°W

= K * S *ΔT/ L在从顶部到散热器的截面中ΔT= 260 -111.9 = 148.1°
得出W = 9.4 * 37.7 * 148 ，1/3 * 1000 = 17.49W。
计算从散热器到头枕的区域内的热流：

-传输面积S = 3.14 *D²/ 4-3.14 *d²/ 4 = 3.14 * 8 * 8/4-3.14 * 6 * 6/4 = 21.99mm²-

行驶温度差。头部的固定温度为30°C，这意味着ΔT= 111.9-30 = 81.9°C。我们假设W = 9.4 * 21.99 * 81.9 / 8000 = 2.11 W-

事实证明散热器包括17.49 W的热量，得出2.11 W，差ΔW = 15.37
让我们计算散热器的热阻。我们取K =3。也就是说，由于风扇吹动，散热器的效率提高了三倍。 Q = 50 /√8.41* 3 = 5.75度/瓦特，

让我们计算出这种散热器可以散发15.37 W热量的温度

ΔT= 15.37 * 5.75 = 88.37°C。打印机30°C，得到的温度为118.37°C。
如果使用头温度220°C = 94°C计算散热器温度并获得系数，并与测得的97.7°C进行比较，则可以很好地匹配。
结论：260°C G =（260-112）/ 3 = 49°C / mm时的温度梯度。我们可以准确地读取“散热器”的温度以及进入头架的热通量。因此，我们可以通过更改相应的大小来设置要求。
1.5.4。不带散热器的云台的热通量计算和梯度比较。

如果不安装散热器，情况会如何？我们将计算不带插入环的流量，它是为特氟龙管的温度卸载而设计的，并且仅在与热散热器一起使用时才有意义；对于260°C的温度，散热器的热通量为2.07W瓦。
计算从头部到安装座区域的热通量：

-隔热层的长度L = 8 + 3 + 5 = 16 mm我们将所有长度-以及散热器也相加。

-透射面积S = 3.14 *D²/ 4-3.14 *d²/ 4 = 3.14 * 8 * 8/4-3.14 * 6 * 6/4 = 21.99mm²-

温差。我们考虑正常的和预期的头部紧固温度30°C，这意味着ΔT= 260-30 = 230°C。

我们考虑到W = 9.4 * 21.99 * 230/16000 = 2.97W。然而，它是原来的一半多。

我们计算出16 mm G =（260-30）/ 16 = 14.4度/毫米的梯度。

与49度/毫米有很大的不同，尤其是当您考虑到散热器的情况下，在闲置时，插头将上升超过整个面积的一半，也就是说，在8mm的热障距离处，温度将为ΔT/ 2 + T = 230/2 + 30 = 145°这个温度是明确的，高于软木塞开始形成且低于熔化。而且，这样的8-10mm的插头长度足以停止。对于风扇，超过3毫米的软木在空闲时间将不起作用。
结论：``热辐射器''确实防止了使用特氟龙插件时发生堵塞的风险，并增加了工作温度梯度，从而降低了工作塞区域内的摩擦力。
1.5.5。计算灯丝均匀运动时头部的热通量。

条件是一样的，头是一样的。细丝流以1.5 mm / s的速度移动，这对应于0.3 mm = 150 mm / s的喷嘴或0.5 mm = 54 mm / s的喷嘴的挤出速率。聚酰胺的密度为1.18mg / mm 3。由于到头部的大致热段（100-110）的长度L = 5 mm（热辐射器的长度），因此以1.5 mm / s的速度移动，灯丝在3.3秒内通过，同时使用厚度为l = 1mm = 0.001m，内径D = 4mm，我们可以计算出墙面可能产生的热通量：

P =λ* S *ΔT/ l，其中λ= 0.25 W / m * K是特氟龙的导热系数，S =π* D * L = 3.14 * 4 * 5 = 62.8mm²= 0.0000628m²-面积传热，l是导热层的厚度。 ΔT是温度差。热辐射器的温度约为110°C，进入的灯丝至少要稍微预热，因此我们认为入口温度为30°CΔT= 110-30 = 80°C。

P =λ* S *ΔT/ l = 0.25 * 0.0000628 * 80 / 0.001 = 1.25W，1毫米的灯丝将每秒能接收1.25 / 5 = 0.25焦耳的热量。在散热器上花费的时间为3.3秒，他将能够获得3.3 * 0.25 = 0.825 j。我们计算在ΔT= 80°C的条件下加热1毫米进入的塑料所需的功率。体积= 1 * 3.14 *D²/ 4 = 1.5 * 9 * 3.14 / 4 =7.065mm³/ s

重量= 7.65 * 1.15 = 8.124mg / s

功率Q = M * C *ΔT= 8.124 * 1700 * 80/1000000 = 1.1 W当所有塑料从110°C的散热器的初始温度从30°C加热时，就是这种情况。

因此，1mm的灯丝通过散热器，特氟龙壁所获得的热量将为0.825焦耳。同时，为了完全加热到110°C，需要使用相同的切片1.1j。使用该板对第1.2段中制作的加热棒进行建模，我可以更精确地进行计算。在热辐射器的长度为5 mm，温度为110°C，灯丝的速度为3 mm，温度为30°C，辐射到散热器的热通量为15瓦的情况下，灯丝中间的加热仅为2度，但1 mm的棒的加热量为0， 88j的热量会略大于0.825j的热量。 0.825 J约占总热量的75％。如果散热器的长度为10毫米，则条形图将接收1.06焦耳的热量，这将是总热量的96％，并且正中心会加热到32°C。对于100％的加热，有必要将散热器的长度增加到30毫米，但这没有多大意义-无论如何它都会在头部融化。
以下是3.1型头的详细信息-1.75根灯丝。只是为了美。

图。 10头的详细信息类型3.1
结论：-以给定的速度加热进入的塑料所需的功率：4.25W

；- 壁向热辐射器部分上的灯丝提供的热通量：2.00W；

-软木塞在全流量时开始形成的过程更深地转移到头中。

-对于大流量，为使“热散热器”的机构有效运行，必须增加喷头与散热器之间的热通量以及与散热器接触面积的长度。因素。

-可以使用由温度传感器控制的散热器的独立风扇，以将温度保持在约100º。

完全没有必要使用热辐射器，但是这似乎是缩小支架管中温度差的简单方法，避免了工作插头增长到阻塞尺寸的危险，并有助于解决冷却头连接点的问题。
第二部分即将推出。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN382561/