О теории Хотэнда- Hotend_theory. Краткое сообщение по результатам работ

в 20:38, , рубрики: diy или сделай сам, FDM 3D, FDM Hotend theory, идеальная головка 3Д принтера, теория Хотэнда, метки: , , ,

О теории Хотэнда- Hotend_theory. Краткое сообщение по результатам работ - 1
Получилось! На основе расчетов было изменено 2 параметра и печать нейлоном/капроном удалась очень хорошо

Как вы знаете, я занимаюсь изучением и конструированием головок для hotend – то есть головок FDM 3D-принтеров. Есть такое направление конструирования этих принтеров как RepRap. Суть идеи — конструирование 3Д принтеров, которые могут делать детали для воспроизводства самих себя, что собственно и означает сокращение RepRap.
Так вот, время от времени я посматриваю на reprap.org/wiki/Hotend_theory – статью о теории этих самых головок. Раньше было совсем мало. Теперь больше, но в основном вопросы. Некоторые из них (оба) я закрыл для себя год- полтора назад. Правда возникло много других. Значит мне есть что написать.
Это предварительное сообщение, без формул, расчётов, картинок (картинки есть, но мало) и графиков. Чистая лирика, без формул, одни выводы. Без конкретных советов и схем головок — последний вариант очень даже ничего, но суть в полученном знании. Сейчас я более уверен в своих расчетах и они даже, кажется работают, почему и пишу. На радостях. Кое-что ещё предстоит проверить, особенно это касается Турбулятора. Это штучка, в головке, которая может увеличить производительность головки по жидкому пластику в разы при прочих равных параметрах.

Так вот, ближе к делу. После накопления определённых знаний при конструировании головок, в основном для испытательного стенда, я решил сменить головку в своём принтере. Там стояла тоже моя самоделка, только совсем старая и с капроном это печатало не очень хорошо. В процессе изготовления по моим расчетам пришлось кое что переделывать в конструкции для технологичности и дорабатывать и дополнять свои расчётные методики. По итогам – я сделал головку. При попытке печатать, почему-то никак не удавалось добиться прилипания расплава полиамида к столу покрытому каптоном.

О теории Хотэнда- Hotend_theory. Краткое сообщение по результатам работ - 2
Кучка обрывков неприлепившихся первых слоев. Надо не гадать, а считать!

Так как хозяйство своего принтера я знаю вполне хорошо, я был уверен что вопрос в головке. Во время серии опытов по выдавливании лески в воздух я заметил очень интересный эффект

О теории Хотэнда- Hotend_theory. Краткое сообщение по результатам работ - 3
О теории Хотэнда- Hotend_theory. Краткое сообщение по результатам работ - 4

В горячем виде, вживую была заметна как-бы нитка в центре струйки расплава, возникающая при повышении скорости экструзии, на которую нанизываются витки жидкого вязкого расплава.
Так же в процессе этой операции я хорошо переделал файл для расчёта головок. Теперь он позволяет не только посчитать тепловые потоки из головки, из радиатора, в место крепления головки, тепла уносимого с пластиком (нагляднее сказать – холода приносимого с филаментом), но и прогрев филамента в глубину, в динамике, в том числе для случая с перегревом выше рабочей температуры ( То есть температура нагрева – выше нужной для расплавления, но мы считаем время по достижении центром рабочей температуры).
Расчёты показали что образование этой самой нитки, есть прямое следствие непроплавления филамента до центра. Причем вполне точное совпадения расчётного времени плавления и фактического, полученного из расчёта скорости экструзии. Образование нерасплавленной нитки заодно как-то объяснило (ещё вариант – пары воды, их там немало, но почему возникают скачком?) образование плоских пузырей на леске при больших скоростях.
Тогда я посчитал, всё с тем же файлом, унос тепла с приходящим филаментом (он поступает холодный, а вытекает нагретый / расплавленный и влияние его на температуру головки.
Тут есть ньюанс – в моих опытных головках я использовал самодельные термопары с самодельным ПИД-регулятором. В этом случае инерционность регулирования очень мала. В принтере у меня стоит головка с термосопротивлением. Это приводит к немалой задержке регулирования температуры. Так вот, при задержке 3-5 секунд, температура головки из-за уноса тепла филаментом могла упасть на величину до 10ºС. А я рассчитывал рабочий режим исходя из температуры головки 245ºС и прогрева середины до 235ºС. Но при таком отъёме тепла филаментом температура сердцевины могла опуститься до 225ºС, а это уже резкий рост вязкости. Так получалась нитка тянущегося пластика, она отрывала прилипающий к подложке горячий слой при движении головки.
Таким образом, я посчитал необходимые изменения: — увеличить температуру нагрева головки до 255ºС (если использовать более быстрый термодатчик и быструю систему регулирования температуры головки – хотя бы ПИД, но еще возможна предиктивная / предсказательная система регулирования температуры).
— также снизить скорость подачи до рассчитанной теоретически по скорости расплавления.
Дело в том, что для компактности головки я сильно сократил её длину – отсюда и меньшая скорость экструзии по сравнению с опытными экземплярами.
И вот, внеся изменения, я запустил на печать сначала тест, а потом и изделие. Всё пошло очень хорошо, даже коробление, которое всегда было бичом при печати полиамидом, не было большим.
Я это воспринял как пример того, что теория описывает процессы адекватно и может не только объяснить их, но и предсказать некоторые важные параметры.

В её основе нет ничего удивительного или сильно нового.
Важными для описания происходящего в головке являются процессы – теплопроводности и вязкого течения.
Суть в том что филамент расплавляется не сразу. Скорость теплопередачи для пластиков – низкая, теплоёмкость достаточно высокая. Из основ физики мы знаем что большинство веществ плавятся сразу, как только их температура достигнет точки плавления. Так как расплав пластика жидкость очень вязкая, внутреннее перемешивание для него не характерно. Оно(течение) ламинарно (это определяется критерием Рейнольдса, для более вязкой жидкости вероятность турбулентного движения падает), то есть слои не перемешиваются, температура передается в основном теплопроводностью.
В случае, если центральная часть филамента не проплавляется, возможна закупорка, и как мы видим, другие варианты препятствования нормальной печати. Кстати, в случае пластика ABS, картина непроплава совсем другая, там видны в почти прозрачном расплаве мутные островки – ниточки, но пузырики тоже бывают. Правда вроде бы прилипанию при печати это не мешает. По крайней мере не сильно мешает, как я понимаю.
Значит скорость работы головки определяется скоростью полного проплавления филамента до центра. Это происходит передачей тепла от слоя к слою. Время нагрева определяется из притока тепла, массы и теплоёмкости слоя. Следующий слой получает тепло всё от той же стенки головки, но путь, который проходит тепло станет длиннее, а значит больше тепловое сопротивление, значит скорость прогрева станет меньше и так до центра – всё медленнее и медленнее. Правда масса цилиндров уменьшается за счёт уменьшения их диаметра.
Таким образом фактор определяющий производительность головки по расплавлению пластика – длина нагревающей части. Я пробовал играться с «горячим радиатором», это действительно, некоторым образом увеличивало скорость работы, но возрастала опасность пробкообразования, если не контролировать температуру радиатора. Чем длинее нагревающая часть, тем выше производительность по плавлению. Зависимость – линейная. Да, да! Линейная. И, кстати, производительность для разных диаметров филамента тоже практически одинакова. Это однозначно следует из расчётов. Да, время полного расплавления растёт пропорционально квадрату диаметра. Но и площадь сечения филамента, а значит объём единицы длины, тоже пропорциональна квадрату диаметра филамента.
Следующий важный момент, который влияет в очень большой степени:
— Сопротивление сопла. Увы, я тоже когда-то заблуждался, как и авторы вопроса в reprap.org/wiki/Hotend_theory о форме сопла. Это давно решённый гидродинамикой вопрос, ответ на который можно найти даже в самых обычных учебниках. Я пользовался «Процессами и аппаратами химической технологии» Касаткина. Не рекомендую. Путаная книга, но я по ней учился. И жил, и выжил. Ответ – сопротивление в основном определяется диаметром сопла, вязкостью жидкости и длиной участка сопла. То есть делать его вытянутым или хитрой параболической формы не имеет смысла. Я это просчитывал и проверял экспериментально. Правда вариант с вытянутым соплом, кажется очень подходит для ручек-принтеров. Там, важно что получается очень ровная, совсем не раздувающаяся из-за межслоевого трения леска. Но сопротивление высокое, очень высокое.
Правда в данном случае мы говорим, о ньютоновских жидкостях. Неньютоновость жидких расплавов полимеров мне экспериментально увидеть не удалось. Давишь больше – она больше и течет. Потом затыкается – уже из-за непроплава, или продира лески хобболтом, или проскальзывания хобболта. Это же сопротивление будет иметь место и на всём участке плавления. Его доля достаточно велика, особенно в случае сопел больших диаметров (0,5 мм и больше). При этом в случае филамента меньшего диаметра эта составляющая будет относительно больше.
Так что для резкого уменьшения сопротивления на участке сопла, надо просто его делать очень тонким. В смысле – тонкий канал сопла. Но тут уже латунь будет нехороша. Сталь, стальная фольга. Тогда можно говорить о соплах на 0,1 мм. Если делать отверстия электроэрозионно, то должны работать и меньшие диаметры, при приемлемых скоростях печати.
С печатью мелких деталей разобрались.Если контур стенок делать тонким соплом, а заливку ядра детали делать соплом большого диаметра, можно получить хорошую скорость печати при высокой детализации (возможно применение пластиков с разной температурой плавления чтобы предохранить наружный контур от деформации при заполнении).
Значит, вопрос дальнейшего совершенствования головок упирается в вопрос скорости расплавления филамента.
И тут небезнадёжно! Как мы можем знать, промышленные экструдеры, делающие для нас филамент и рыболовную леску извергают их со скоростями до десятков метров в секунду!
Наши головки – 30-300, ну 500 мм в секунду. В метрах это выглядит 0,03-0,5. Почему?
Они используют подогреваемый шнек. Уже давно используют. Шнек радикально решает вопрос с теплопередачей тепла от нагретых поверхностей к поверхности подлежащей расплавлению. Однако в маленькой головке сделать подогреваемый шнек представлялось не только невозможным, но даже и ненужным. С подачи и по идее моего товарища-физика было предложено решение которое может в несколько раз повысить скорость расплавления на том же самом отрезке. Причем вопрос степени ускорения зависит, в основном, от технологических возможностей изготовления. Деталюшка получается для имеющегося у меня оборудования достаточно трудно изготавливаемая, а печатать на металлопорошковом принтере на заказ, денег не имею. У меня нет даже фрезерного станка, а глубину сверления я регулирую прокручивая шайбу к сверлу. Штучку мы решили назвать — Турбулятор (Turbulator).
Только у меня есть сомнения что эти мои изыскания кому-нибудь нужны. Мне сразу говорят — «да у нас принтер на 300 мм/с весь трясётся». Да, надо делать другую кинематическую схему, надо делать другой экструдер. Сильно другой. Чтобы блок головки с экструдером был в разы менее инерционен и не имел недостатков wade-экструдеров. Я считаю что схема с XYZ – декартовыми координатами, принципиально не сможет работать на больших скоростях. По моим прикидкам, если реализовать механику в системе полярных координат αRZ во многих случаях скорость печати может стать очень высокой. Для компенсации действия центробежного эффекта можно применить неплоскую схему печати. Печать как бы на поверхности сферы. Это, естественно, достаточно непросто реализовать с точки зрения программной, но множество технологических достижений получено именно на этом пути. Пути усложнения обсчётов, для получения лучших результатов, либо упрощения механики.
До этого я публиковал серию статей на тему проектирования таких головок:
geektimes.ru/post/259730
geektimes.ru/post/259738
geektimes.ru/post/259832
Там много длинных мест, в целом большинство верно, некоторые места поучительны (про головки с вытянутыми соплами — это архаизм от инженерной неграмотности — я сам был такой), некоторые вещи излишне детализированы, расчеты и формулы — это ад, как там не наделать ошибок? Горячий радиатор — лучше без него, хотя и чуть медленнее. Кстати, судя по огромным радиаторам многих головок кпд их низок — много тепла уносится. В последнем экземпляре подсчет дает до 20% кпд. 7 ватт из 40 на расплавление. Это по нейлону/полиамиду. С ABS и PLA будет по-другому.
Ещё хочу обратиться к коллегам и единомышленникам — я хотел бы сделать статью по теории и практике расчета хотэндов, сжатую и исправленную, с результатом опытов по Турбулятору, а также сделать её доступной на английском для RepRap сообщества. Если Вы считаете что это хорошая идея, предлагаю хотя бы одобрить, ну а когда дойдет до статьи помочь поправить/перевести, если кто сможет (я склонен использовать Гугл-транслятор) и подсказать как и куда это лучше поместить. В туалете на гвоздь не предлагать — нет бумажной версии 8))

Автор: sergku1213

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля