Engineering
Stampante 3D a filamento
Stampa due pilastri uniti da un ponte e una torre sottile accanto a loro, e guarda il materiale fuso depositarsi cordone dopo cordone, i fili sospesi incurvarsi finché non si irrigidiscono e la cima della torre restare morbida. Cambia il flusso e la velocità per vedere il cordone ingrossarsi o assottigliarsi, spegni la ventola o allunga la luce per far flettere il ponte, e imposta un tempo minimo per strato per lasciar raffreddare la torre.
Cosa succede
Una stampante a filamento CoreXY stampa un pezzo di prova in PLA: due pilastri a sezione quadrata di 6 mm di lato e 10 mm di altezza, uniti da un ponte di 13 fili sospesi, e accanto una torre di 4 mm di lato e 20 mm di altezza, in strati di 0,2 mm con linee larghe 0,45 mm. Ogni movimento parte da fermo, termina da fermo e accelera a 3 m/s², quindi uno breve non raggiunge mai la velocità impostata. L’estrusore spinge il materiale che il programma di stampa prevede per ogni linea, ma l’ugello riscaldato fonde solo una quantità limitata al secondo: a 210 °C il nucleo del filamento raggiunge la temperatura di scorrimento entro la zona di fusione solo fino a 7,60 mm³/s, perciò un cordone pieno si deposita solo fino a 84,5 mm/s. Ogni strato è un nodo termico, e il cordone in deposizione è seguito in celle che cedono calore per conduzione allo strato sottostante; il pezzo cede calore all’aria nel getto della ventola e per irraggiamento, e il primo strato anche al piano riscaldato. Un filo teso sul vuoto si raffredda all’aria e, stirandosi come un fluido viscoso, si incurva finché non si irrigidisce sotto i 70 °C.
La stampa dura 322 s e deposita 1039 mm³ di materiale fuso: 5,22 s per strato mentre crescono i pilastri, 8,74 s per lo strato del ponte, 1,03 s per strato quando resta solo la torre. Un filo viene ancorato 0,167 s dopo la deposizione del suo punto medio, a 149 °C; con la ventola si raffredda con una costante di tempo di 0,414 s e il ponte di 20 mm prende una freccia di 0,735 mm; con una luce di 40 mm la freccia sale a 1,14 mm. A ventola spenta la costante di tempo è di 1,88 s e la freccia del ponte di 2,01 mm. La torre stampata da sola conserva una cima morbida, profonda circa 4,0 mm con la ventola e 11,6 mm senza; sotto la cima il suo calore si smorza su 3,34 mm, come in un’aletta che si allunga. Un tempo minimo per strato di 10 s mantiene la cima quasi solida. Un flusso del 120 % deposita un cordone largo 0,54 mm; con l’80 % il cordone è largo 0,36 mm e restano vuoti tra le linee. A 120 mm/s l’ugello riscaldato non riesce più ad alimentare i cordoni lunghi: i fili vengono deposti larghi appena 0,317 mm, la stampa deposita 975 mm³ ed è più veloce solo del 12 %.
Modello: un percorso fisso con arresto esatto negli angoli e senza ritardo di pressione nell’ugello; il limite di fusione deriva dal primo modo radiale del riscaldamento del filamento. Gli strati sono nodi a parametri concentrati, il cordone in deposizione è seguito in celle da 1 mm; la convezione segue la legge di Kramers per il getto della ventola e l’irraggiamento è linearizzato. La freccia è l’allungamento di un filo viscoso concentrato nel suo punto medio e contato dal suo ancoraggio; non si considerano né la resistenza della saldatura tra i cordoni, né la cristallizzazione, né l’imbarcamento. RK4 con passo di 1/120 s; il volume alimentato è uguale al volume nel pezzo, e il bilancio termico di fuso, convezione, irraggiamento, piano e calore accumulato si chiude.
Da provare
Osserva i primi strati, poi il ponte e la torre stampata da sola, e leggi la freccia e la profondità della cima morbida. Poi spegni la ventola, cambia il flusso o la velocità, oppure imposta un tempo minimo per strato, e stampa di nuovo.
Equazioni del modulo
Equazioni 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))
