ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В ЗАКРЫТОЙ КАМЕРЕ FDM 3D-ПРИНТЕРА С КИНЕМАТИКОЙ DELTA BOT

Введение

Мировой рынок аддитивных технологий с 2014 по настоящее время растет с темпами более 19 % в год. [1] Оборудование для 3D-печати по технологии FDM с каждым годом позволяет работать с более сложными в переработке материалами при условии снижения закупочной цены 3D-принтера. Известны работы, использующие доработанные 3D-принтеры бюджетного сегмента для печати инженерными и суперконструкционными пластмассами. Например, в работе [2] для печати АБС пластиком и суперконструкционным PEKK использовался 3D-printer Prusa i3 Mk3, у которого нагрев стола был заменен на более производительный и была создана закрытая камера для печати. Уже существует работа [3], посвященная созданию 3D-принтера для печати высокотемпературными пластиками в ультранизком ценовом сегменте (ниже 1000 $). Проводились работы по исследованию тепловых потоков в 3D-принтере в вакуумированной изолированной камере [4]. Есть также работы, связанные с изучением теплообмена в печатающей головке принтера. Например, в [5] с помощью моделирования и экспериментального введения термопар в ребра радиатора печатающей головки, изучалось поведение полимера в печатающей головке и его фазовые переходы, а в [6] разрабатывался подход, позволяющий предсказывать поведение расплава. В обзоре [7] представлен обширный список работ, так или иначе посвященных фазовым переходам полимеров и теплообмену в печатающей головке в процессе 3D-печати. Стоит заметить, что в большей своей части в работах проводилось моделирование процесса, а небольшую часть экспериментальных работ использовали промышленные принтеры компании Stratasys, недоступные рядовому инженеру, использующему FDM 3D-печать.

Целями данной работы являются:

• изучение распределения те5мператур в закрытой камере 3D-принтера с целью определения наиболее разогретого участка стола принтера;
• создание экспресс-методики, позволяющей определить наиболее разогретый участок стола принтера;
• выявление возможностей нагрева камеры бюджетного 3D-принтера внешними источниками нагрева.

Материалы, обрудование и методы

Исследования проводились на 3D-принтере 3dq, имеющем кинематику дельта-бот (рис. 1) и закрытую камеру. Стенки камеры выполнены из листового поликарбоната.

Методика исследования заключалась в следующем: в стенках камеры сверлились ряды отверстий диаметром 6 мм. В каждом ряду было 3 отверстия. Расстояние между центрами отверстий в соседних рядах равняется 50 мм, расстояние между центрами отверстий в ряду равняется 100 мм (рис. 2).

Замерялась температура в помещении поверенным термометром. Показания сравнивались с показаниями датчика, замеряющего температуру внутри камеры.

Измерения температуры внутри камеры проводились следующим образом: включался нагрев 3D-принтера (головы 3D-принтера и стола 3D-принтера) до стандартного рабочего технологического режима ABS пластика (температура головы 240 °С, температура стола 100 °С) и происходило ожидание стабилизации температуры в камере. Общее время нагрева равнялось ~6 минутам, что было выяснено опытным путем.

Критерием выбора времени нагрева являлись следующие параметры:

• температура головы принтера и стола должна прогреться и стабилизироваться. На прогрев от комнатной температуры до рабочей температуры уходит 3 мин.;
• температруа в камере должна стабилизироваться и перестать изменяться. Этот процесс идет также около 3-х мин.

Затем, после прогрева камеры через просверленное отверстие в камеру принтера вводился датчик температуры ds18b20 с шагом в 1 см. В каждой точке датчик находился в течение 1 минуты для стабилизации показаний. По окончании съема данных в одном отверстии датчик переставлялся в следующее отверстие и ожидалась стабилизация показаний датчика (как правило, порядка 10 мин.).

Расстояние от стенки камеры до середины 3D-принтера равно 15 см. Это означает, что в одном отверстии будут сниматься 15 показаний от стенки 3D-принтера к середине. Это позволит получить массив данных температуры в камере 3D-принтера.

Результаты численного моделирования

Моделирование нагрева производилось в ПО Autodesk CFD. Для исследования была взята только часть нагреваемого стола и пространство над ним, так как в процессе физического эскперимента зафиксировать температуры вблизи поверхности стола с достаточной долей точности не представлялось возможным. На рис. 3 представ-лены результаты моделирования распределения температуры в камере 3D-принтера.

Из рис. 3 видно, что наиболее нагретыми являются первые 3–5 мм объема камеры. Далее температура снижается, а следовательно, увеличивается переохлаждение, что будет негативно влиять на свойства получаемых деталей. В случае печати высокой детали (более 100 мм высотой) есть вероятность получения неудовлетворительного качества и заниженных свойств изделия.

Результаты физического эксперимента

На рис. 4–6 представлены результаты экспериментального определения температур в камере 3D-принтера.

Результаты рассматриваются на примере фронтальной стенки.

Рис. 4. Распределение температур в камере 3D-принтера для фронтальной стенки, отверстие T1

Рис. 5. Распределение температур в камере 3D-принтера для фронтальной стенки, отверстие T2

Рис. 6. Распределение температур в камере 3D-принтера для фронтальной стенки, отверстие T3

Из рис. 4–6 видно, что температура в камере принтера изменяется от стенки (отверстие № 1) к середине принтера (отверстие № 15). Наибольшая температура наблюдается в отверстии № 2, которое ближе всех находится к нагреваемой зоне, следовательно именно посередине быстрее всего происходит нагрев.

Сравнивая рис. 4 и рис. 6 можно увидеть, что в правой части принтера (исходя из рис. 3) температура немного выше. Это позволяет сделать вывод о наиболее выгодном расположении детали при печати в данном принтере. На каждом из рисунков можно наблюдать локальное понижение температуры в 4–5 рядах. Это объясняется охлаждением печатающей головки принтера. В головке находится вентилятор, направляющий поток воздуха в радиатор.

Методика определения наиболее нагретого места в камере 3D-принтера

Из-за неравномерности распределения температур предлагается следующая экспресс-методика определения лучшего места для печати на принтере: используя датчик температуры (оптимальным является датчик температуры с рабочим диапазоном от комнатной температуры до 100 °С или более, в зависимости от необходимой температуры в камере принтера) и образцовый датчик температуры, показывающий температуру в помещении. При выполнении методики необходимо дождаться нагрева камеры 3D-принтера, а затем установить датчик в камере, начиная от области, находящейся за вентилятором, охлаждающим печатающую головку, с шагом не менее чем 3 см. Интервал между сменой положения датчика должен равняться 2 мин., начиная от закрытия дверцы камеры.

Возможности использования внешнего источника нагрева камеры 3D-принтера

В 3D-принтере есть части, которые стабильно работают при комнатных температурах, но их срок службы снижается под воздействием повышенных температур. К таким узлам относятся: ремни, отвечающие за передвижение печатающей головки; материал воздуховодов вентиляторов охлаждения; шаговые двигатели; управляющая плата принтера.

Начнем с шаговых двигателей: в паспорте к шаговому двигателю nema 17 [9] в пункте «рабочая температура» указана максимальная температура в 50 °С. Учитывая, что шаговый двигатель во время работы нагревается, дополнительный нагрев камеры приведет к повышенной температуре работы шагового двигателя. Следовательно, нагрев камеры принтера не рекомендуется без установки на шаговые двигатели пассивных радиаторов охлаждения, а в случае нагрева камеры до 50 °С и выше – радиаторов с вентиляторами или жидкостного охлаждения.

Управляющая плата является по сути материнской платой 3D-принтера, что аналогично материнской плате компьютера. Таким образом, температура управляющей платы не должна быть выше 30–35 °С, что возможно при закрытой камере, но маловозможно при дополнительном нагреве камеры. Поэтому управ-ляющая плата должна быть вынесена за пределы корпуса принтера в отдельный корпус.

Ремень для передвижения печатающей головки GT2, по описанию производителя [10] состоит из стекловолокнистого корда, неопрена и полиамида. Неопрен и полиамид имеют предельную температуру эксплуатации 90 и 100 °С, соответственно, что позволяет нагревать при прочих условиях рабочую камеру до 90 °С.

Воздуховоды вентиляторов рекомендуется отпечатать на 3D-принтере из материалов, выдерживающих желаемые температуры в камере 3D-принтера. Например, если в камере необходима температура 80

°С, то подойдет АБС-пластик. Сами же вентиляторы рекомендуется заменить на вентиляторы из термостойкого пластика или металлические.

Заключение

В результате проведенной работы установлено распределение температур в закрытой камере 3D-принтера c кинематикой delta bot; определена наиболее нагретая часть стола, что позволяет производить печать изделий с более стабильными свойствами и без эффекта деламинации; экспресс-методики, позво-ляющей определить наиболее разогретый участок стола принтера; показана возможность нагрева камеры принтера до 90 °С.