Engineering
Filament-3D-Drucker
Drucken Sie zwei durch eine Brücke verbundene Pfeiler und daneben einen schlanken Turm und beobachten Sie, wie die Schmelze Bahn für Bahn abgelegt wird, wie die frei gespannten Stränge durchhängen, bis sie erstarren, und wie die Spitze des Turms weich bleibt. Verändern Sie Fluss und Geschwindigkeit, damit der Strang dicker oder dünner wird, schalten Sie den Lüfter aus oder vergrößern Sie die Spannweite, damit die Brücke durchhängt, und stellen Sie eine minimale Schichtzeit ein, damit der Turm abkühlen kann.
Was passiert
Ein Filamentdrucker mit CoreXY-Kinematik druckt ein Testteil aus PLA: zwei quadratische Pfeiler von 6 mm Seitenlänge und 10 mm Höhe, verbunden durch eine Brücke aus 13 frei gespannten Strängen, und daneben einen quadratischen Turm von 4 mm Seitenlänge und 20 mm Höhe, in Schichten von 0,2 mm mit 0,45 mm breiten Linien. Jede Bewegung beginnt und endet im Stillstand und beschleunigt mit 3 m/s², sodass eine kurze Bewegung die eingestellte Geschwindigkeit nie erreicht. Der Extruder fördert so viel Material, wie für die jeweilige Linie programmiert ist, doch die beheizte Düse kann pro Sekunde nur begrenzt viel aufschmelzen: Bei 210 °C erreicht der Kern des Filaments innerhalb der Schmelzzone seine Fließtemperatur, solange der Volumenstrom 7,60 mm³/s nicht übersteigt; ein voller Strang wird daher nur bis 84,5 mm/s abgelegt. Jede Schicht ist ein Wärmeknoten, und die gerade entstehende Bahn wird in Zellen aufgelöst, die Wärme in die darunterliegende Schicht leiten; das Teil gibt Wärme an die Luft im Strahl des Lüfters und durch Strahlung ab, seine erste Schicht außerdem an das beheizte Druckbett. Ein Strang über der Lücke kühlt an der Luft ab und hängt wie ein zähflüssiger Faden durch, bis er unterhalb von 70 °C erstarrt.
Der Druck dauert 322 s, dabei werden 1039 mm³ Schmelze abgelegt: 5,22 s je Schicht, solange die Pfeiler wachsen, 8,74 s für die Brückenschicht und 1,03 s je Schicht, wenn nur noch der Turm gedruckt wird. Ein Strang wird 0,167 s nach dem Ablegen seiner Mitte bei 149 °C verankert; mit Lüfter kühlt er mit einer Zeitkonstante von 0,414 s ab, und die Brücke mit 20 mm Spannweite hängt 0,735 mm durch, bei 40 mm Spannweite sind es 1,14 mm. Bei ausgeschaltetem Lüfter beträgt die Zeitkonstante 1,88 s, und die Brücke hängt 2,01 mm durch. Wird der Turm allein gedruckt, behält er eine weiche Spitze, etwa 4,0 mm tief mit Lüfter und 11,6 mm ohne; unterhalb der Spitze klingt seine Erwärmung auf einer Länge von 3,34 mm ab, wie in einer wachsenden Kühlrippe. Mit einer minimalen Schichtzeit von 10 s bleibt die Spitze nahezu fest. Ein Fluss von 120 % legt einen 0,54 mm breiten Strang ab, ein Fluss von 80 % einen von 0,36 mm, mit Lücken zwischen den Linien. Bei 120 mm/s kommt die Düse mit dem Aufschmelzen für die langen Bahnen nicht mehr nach: Die Stränge werden bloß 0,317 mm breit, insgesamt werden 975 mm³ abgelegt, und der Druck ist lediglich 12 % schneller.
Modell: ein fest vorgegebener Verfahrweg mit Genauhalt an den Ecken und ohne Druckverzögerung in der Düse; die Schmelzgrenze ergibt sich aus der ersten radialen Eigenmode der Erwärmung des Filaments. Die Schichten sind Knoten mit konzentrierten Parametern, die gerade entstehende Bahn wird in Zellen von 1 mm aufgelöst; die Konvektion folgt dem Gesetz von Kramers für den Strahl des Lüfters, die Strahlung ist linearisiert. Der Durchhang wird als Dehnung eines zähflüssigen Fadens berechnet, konzentriert auf dessen Mitte und gerechnet ab der Verankerung; Haftfestigkeit zwischen den Bahnen, Kristallisation und Verzug werden nicht erfasst. RK4 mit der Schrittweite 1/120 s; das geförderte Volumen ist gleich dem Volumen im Teil, und die Wärmebilanz aus Schmelze, Konvektion, Strahlung, Druckbett und gespeicherter Wärme geht auf.
Zum Ausprobieren
Beobachten Sie die ersten Schichten, dann die Brücke und den allein gedruckten Turm, und lesen Sie den Durchhang und die Tiefe der weichen Spitze ab. Schalten Sie dann den Lüfter aus, ändern Sie Fluss oder Geschwindigkeit oder stellen Sie eine minimale Schichtzeit ein, und drucken Sie erneut.
Gleichungen des Moduls
Gleichungen t = L/v + v/a (L ≥ v²/a), t = 2·sqrt(L/a) (L < v²/a) Q = min(k·w·h·v, Q_max), w_bead = Q/(v·h) Q_max = A_f·L_m / (τ_f·ln((T_n − T_0)/(T_n − T_flow))) T = T_a + (T_0 − T_a)·e^(−t/τ), τ = ρ·c·d / (4·(h_c + h_r)) d(δ³)/dt = 3·ρ·g·L⁴ / (128·μ(T))
