Engineering
Drukarka 3D na filament
Wydrukuj dwa słupki połączone mostem i smukłą wieżę obok nich i obserwuj, jak stopione tworzywo układa się ścieżka po ścieżce, jak swobodne nitki uginają się, aż zesztywnieją, i jak wierzchołek wieży pozostaje miękki. Zmieniaj przepływ i prędkość, aby zobaczyć, jak ścieżka grubieje lub cienieje, wyłącz wentylator albo zwiększ rozpiętość, aby most się ugiął, i ustaw minimalny czas warstwy, aby wieża zdążyła ostygnąć.
Co się dzieje
Drukarka na filament o kinematyce CoreXY wykonuje z PLA wydruk testowy: dwa kwadratowe słupki o boku 6 mm i wysokości 10 mm, połączone mostem z 13 swobodnych nitek, a obok nich wieżę o boku 4 mm i wysokości 20 mm, warstwami po 0,2 mm, liniami o szerokości 0,45 mm. Każdy ruch zaczyna się i kończy w spoczynku, a przyspieszenie wynosi 3 m/s², więc krótki ruch nigdy nie osiąga zadanej prędkości. Ekstruder podaje tyle tworzywa, ile zaplanowano dla danej linii, ale głowica jest w stanie stopić w ciągu sekundy tylko ograniczoną ilość: przy 210 °C rdzeń filamentu osiąga temperaturę płynięcia w strefie topienia tylko przy wydatku do 7,60 mm³/s, więc ścieżka o pełnej szerokości powstaje jedynie przy prędkości do 84,5 mm/s. Każda warstwa jest węzłem cieplnym, a układana ścieżka jest śledzona w komórkach, które przewodzą ciepło do warstwy poniżej; wydruk oddaje ciepło powietrzu w strumieniu z wentylatora i przez promieniowanie, a jego pierwsza warstwa także podgrzewanemu stołowi. Nitka nad szczeliną stygnie na powietrzu i ugina się, rozciągając się jak lepki płyn, aż zesztywnieje poniżej 70 °C.
Druk trwa 322 s, a drukarka układa 1039 mm³ stopionego tworzywa: 5,22 s na warstwę, gdy rosną słupki, 8,74 s na warstwę mostu i 1,03 s na warstwę, gdy drukowana jest już tylko wieża. Nitka zostaje zakotwiczona 0,167 s po ułożeniu jej środka, przy 149 °C; z wentylatorem stygnie ze stałą czasową 0,414 s, a most o rozpiętości 20 mm ugina się o 0,735 mm, przy rozpiętości 40 mm – o 1,14 mm. Przy wyłączonym wentylatorze stała czasowa wynosi 1,88 s, a most ugina się o 2,01 mm. Gdy wieża jest drukowana sama, zachowuje miękki wierzchołek o głębokości około 4,0 mm z wentylatorem i 11,6 mm bez niego; poniżej wierzchołka nadwyżka temperatury zanika na długości 3,34 mm, jak w rosnącym żebrze chłodzącym. Minimalny czas warstwy 10 s sprawia, że wierzchołek pozostaje prawie sztywny. Przepływ 120 % daje ścieżkę o szerokości 0,54 mm, a przepływ 80 % – ścieżkę 0,36 mm z przerwami między liniami. Przy 120 mm/s głowica nie nadąża z topieniem tworzywa dla długich ścieżek: nitki mają tylko 0,317 mm szerokości, drukarka układa 975 mm³, a druk jest szybszy zaledwie o 12 %.
Model: stała trajektoria z dokładnym zatrzymaniem w narożach i bez opóźnienia ciśnienia w dyszy; granica topienia wynika z pierwszego modu promieniowego nagrzewania filamentu. Warstwy są węzłami o parametrach skupionych, układana ścieżka jest śledzona w komórkach po 1 mm; konwekcja podlega prawu Kramersa dla strumienia z wentylatora, a promieniowanie jest zlinearyzowane. Ugięcie opisuje rozciąganie lepkiej nitki sprowadzone do jej środka i liczone od chwili zakotwiczenia; model pomija wytrzymałość połączenia ścieżek, krystalizację i wypaczanie. RK4 z krokiem 1/120 s; podana objętość jest równa objętości wydruku, a bilans cieplny stopionego tworzywa, konwekcji, promieniowania, stołu i ciepła zgromadzonego zamyka się.
Co wypróbować
Obejrzyj pierwsze warstwy, potem most i wieżę drukowaną samodzielnie, i odczytaj ugięcie oraz głębokość miękkiego wierzchołka. Następnie wyłącz wentylator, zmień przepływ lub prędkość albo ustaw minimalny czas warstwy i wydrukuj ponownie.
Równania modułu
Równania 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))
