Engineering
3D-принтер с нитью
Напечатайте два столбика, соединённые мостом, и тонкую башню рядом с ними и посмотрите, как расплав укладывается дорожка за дорожкой, как свободные нити провисают, пока не затвердеют, и как верхушка башни остаётся мягкой. Меняйте поток и скорость, чтобы дорожка становилась толще или тоньше, выключите вентилятор или увеличьте пролёт, чтобы мост провис, и задайте минимальное время слоя, чтобы башня успевала остывать.
Что происходит
Принтер с кинематикой CoreXY печатает из прутка PLA тестовую деталь: два столбика квадратного сечения со стороной 6 мм и высотой 10 мм, соединённые мостом из 13 свободных нитей, а рядом с ними — башню со стороной 4 мм и высотой 20 мм; слои — по 0,2 мм, ширина линий — 0,45 мм. Каждое перемещение начинается с места и заканчивается остановкой, ускорение — 3 м/с², поэтому на коротком перемещении заданная скорость не достигается. Экструдер подаёт столько материала, сколько слайсер задал для линии, но нагревательный блок успевает расплавлять лишь ограниченный объём в секунду: при 210 °C сердцевина прутка прогревается до температуры текучести в пределах зоны плавления только при расходе до 7,60 мм³/с, поэтому дорожка полной ширины получается лишь при скорости до 84,5 мм/с. Каждый слой — тепловой узел, а укладываемая дорожка разбита на ячейки, связанные теплопроводностью с нижележащим слоем; деталь остывает в струе вентилятора и за счёт излучения, а её первый слой отдаёт тепло ещё и подогреваемому столу. Нить над пролётом остывает на воздухе и провисает, вязко растягиваясь, пока не затвердеет ниже 70 °C.
Печать длится 322 с, за это время укладывается 1039 мм³ расплава: по 5,22 с на слой, пока растут столбики, 8,74 с на слой моста и по 1,03 с на слой, когда печатается одна башня. Нить закрепляется через 0,167 с после укладки её середины, при температуре 149 °C; с вентилятором она остывает с постоянной времени 0,414 с, и мост с пролётом 20 мм провисает на 0,735 мм, а с пролётом 40 мм — на 1,14 мм. При выключенном вентиляторе постоянная времени равна 1,88 с, и мост провисает на 2,01 мм. Когда башня печатается одна, у неё остаётся мягкая верхушка глубиной около 4,0 мм с вентилятором и 11,6 мм без него; ниже верхушки прогрев затухает на длине 3,34 мм, как в растущем ребре охлаждения. При минимальном времени слоя 10 с верхушка остаётся почти твёрдой. При потоке 120 % ширина дорожки — 0,54 мм, при 80 % — 0,36 мм, и между линиями остаются зазоры. При 120 мм/с нагревательный блок не успевает питать расплавом длинные дорожки: нити моста ложатся шириной лишь 0,317 мм, укладывается только 975 мм³, а печать ускоряется всего на 12 %.
Модель: заданная траектория с точным остановом в углах и без запаздывания давления в сопле; предел плавления выведен из первой радиальной моды прогрева прутка. Слои — узлы с сосредоточенными параметрами, укладываемая дорожка разбита на ячейки длиной 1 мм; конвекция подчиняется закону Крамерса для струи вентилятора, излучение линеаризовано. Провис — растяжение вязкой нити, сведённое к её середине, с отсчётом от момента закрепления; прочность сплавления дорожек, кристаллизация и коробление не учитываются. RK4 с шагом 1/120 с; объём поданного материала равен объёму детали, а тепловой баланс сходится: тепло расплава, конвекция, излучение, стол и запасённое тепло.
Что попробовать
Посмотрите на первые слои, затем на мост и на башню, которая печатается одна, и снимите показания провиса и глубины мягкой верхушки. Затем выключите вентилятор, измените поток или скорость либо задайте минимальное время слоя и напечатайте деталь заново.
Уравнения модуля
Уравнения 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))
