Engineering
3D-принтер із ниткою
Надрукуйте два стовпчики, з’єднані мостом, і тонку вежу поруч із ними та подивіться, як розплав укладається доріжка за доріжкою, як вільні нитки провисають, доки не затвердіють, і як верхівка вежі залишається м’якою. Змінюйте потік і швидкість, щоб доріжка ставала товстішою чи тоншою, вимкніть вентилятор або збільште проліт, щоб міст провис, і задайте мінімальний час шару, щоб вежа встигала охолонути.
Що відбувається
Принтер із кінематикою CoreXY друкує з прутка PLA тестову деталь: два стовпчики квадратного перерізу зі стороною 6 мм і заввишки 10 мм, з’єднані мостом із 13 вільних ниток, а поруч із ними — вежу зі стороною 4 мм і заввишки 20 мм; шари — по 0,2 мм, ширина ліній — 0,45 мм. Кожне переміщення починається з місця й закінчується зупинкою, прискорення — 3 м/с², тому на короткому переміщенні задана швидкість не досягається. Екструдер подає стільки матеріалу, скільки слайсер задав для лінії, але нагрівальний блок встигає розплавляти лише обмежений об’єм за секунду: за 210 °C серцевина прутка прогрівається до температури текучості в межах зони плавлення тільки за витрати до 7,60 мм³/с, тому доріжка повної ширини виходить лише за швидкості до 84,5 мм/с. Кожен шар — тепловий вузол, а доріжку, що укладається, розбито на комірки, пов’язані теплопровідністю з нижнім шаром; деталь остигає в струмені вентилятора й завдяки випромінюванню, а її перший шар віддає тепло ще й столу з підігрівом. Нитка над прольотом остигає на повітрі й провисає, в’язко розтягуючись, доки не затвердіє нижче 70 °C.
Друк триває 322 с, за цей час укладається 1039 мм³ розплаву: по 5,22 с на шар, поки ростуть стовпчики, 8,74 с на шар мосту і по 1,03 с на шар, коли друкується сама вежа. Нитка закріплюється через 0,167 с після укладання її середини, за температури 149 °C; з вентилятором вона остигає зі сталою часу 0,414 с, і міст із прольотом 20 мм провисає на 0,735 мм, а з прольотом 40 мм — на 1,14 мм. Коли вентилятор вимкнено, стала часу дорівнює 1,88 с, і міст провисає на 2,01 мм. Коли вежа друкується сама, у неї лишається м’яка верхівка завглибшки близько 4,0 мм з вентилятором і 11,6 мм без нього; нижче від верхівки прогрів згасає на довжині 3,34 мм, як у ребрі охолодження, що росте. За мінімального часу шару 10 с верхівка залишається майже твердою. За потоку 120 % ширина доріжки — 0,54 мм, за 80 % — 0,36 мм, і між лініями лишаються проміжки. За 120 мм/с нагрівальний блок не встигає живити розплавом довгі доріжки: нитки мосту лягають завширшки лише 0,317 мм, укладається тільки 975 мм³, а друк пришвидшується всього на 12 %.
Модель: задана траєкторія з точним зупином у кутах і без запізнювання тиску в соплі; межу плавлення виведено з першої радіальної моди прогрівання прутка. Шари — вузли із зосередженими параметрами, доріжку, що укладається, розбито на комірки завдовжки 1 мм; конвекція підпорядковується закону Крамерса для струменя вентилятора, випромінювання лінеаризовано. Провисання — це розтягування в’язкої нитки, зосереджене в її середині, з відліком від моменту закріплення; міцність сплавлення доріжок, кристалізацію та жолоблення не враховано. RK4 із кроком 1/120 с; об’єм поданого матеріалу дорівнює об’єму деталі, а тепловий баланс сходиться: тепло розплаву, конвекція, випромінювання, стіл і накопичене тепло.
Що спробувати
Подивіться на перші шари, потім на міст і на вежу, яка друкується сама, і зніміть покази провисання та глибини м’якої верхівки. Потім вимкніть вентилятор, змініть потік чи швидкість або задайте мінімальний час шару й надрукуйте деталь знову.
Рівняння модуля
Рівняння 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))
