VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
Fakulta strojního inženýrství
Ústav strojírenské technologie
ISBN 978-80-214-4352-5
ROZLOŽENÍ TEPLOTNÍHO POLE V FDM TISKOVÉ HLAVĚ
Ing. Oskar ZEMČÍK1, Ph.D , Ing. Jan Dvořáček1
1
Fakulta strojního inženýrství,
Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, 616 69 Brno
[email protected]
[email protected]
ABSTRAKT
Tento článek je zaměřen na analýzu teplotního pole tiskové hlavy FDM 3D tiskárny založené na
projektu REPRAP. Rozložení teplotního pole v tiskové hlavě je velmi důležité vzhledem k optimální
oblasti tavení tiskového materiálu. Výsledné teplotní pole bylo vyhodnoceno pomocí softwaru ANSYS
Workbench a výsledné teploty byly verifikovány během testování tiskové hlavy. Bylo navrženo několik
variant tiskových hlav, z nichž dvě byly vyrobeny a jejich dokumentace byla poskytnuta vývojářské
komunitě projektu REPRAP.
Klíčová slova: 3-5 vystihujících problematiku řešenou příspěvkem
1. ÚVOD
Technologie 3D tisku si nachází rostoucí uplatnění, nejenom v oblasti výzkumu a
vývoje ale, a to stále častěji, i v oblasti výroby. Mezi jednotlivými metodami tisku se ve
značné míře prosazuje metoda Fused Deposition Modeling. Její nespornou předností, oproti
jiným obdobným technologiím, je především relativně nízká cena a možnost vytvářet funkční
modely těles [1]. Tato technologie nám umožňuje vyrábět tělesa, jejichž základním
materiálem je obvykle plast, přesněji řečeno, některý z tzv. termoplastů [1]. Metoda využívá
vlastnosti stavebního materiálu, za určitých teplot vratně měnit svoje skupenství z pevného na
viskózně-tekutý stav. Mezi takto využívané materiály patří především ABS (Akrylonitril
butadien styren), PLA (Polylactic acid), HDPE (High Density PolyEthylene), PP
(Polypropylen) či PCL (Polycaprolactone) [1,2]. Nejlepších výsledků, především z hlediska
přesnosti a kvality povrchu těles, je však dosahovánu s použitím ABS, případně PLA, které se
prosazuje především díky jeho ekologické obnovitelnosti a schopnosti biologického rozpadu
[1].
Consulting point pro rozvoj spolupráce v oblasti řízení inovací a transferu technologií
Obr. 1 Verze tiskárny REPRAP, uvedená v roce 2010.
Na trhu je v dnešní době relativně velká řada jak komerčních, tak nekomerčních 3d
tiskáren s různými parametry, jak co do objemu výsledného produktu, tak co do přesnosti a
rychlosti tisku. Jednou z možností, jak získat zařízení pro 3d tisk je i tiskárna vyvíjená
mezinárodní komunitou pod GPL licencí, s názvem REPRAP (viz Obr. 1) [4]. Toto zařízení
umožňuje jak vlastní tisk, tak dává k dispozici velkou škálu možností v oblasti
experimentování s parametry a principy samotného 3d tisku metodou FDM.
2. TISKOVÁ HLAVA
Kritickou součástí, pro vlastní kvalitu 3D tisku je přitom tisková hlava. Podle typu
použitého plastu je potřeba materiál zahřát na stabilní teplotu až 275°C. Stavební materiál je
přitom do tiskové hlavy přiváděn ve formě drátu, obvykle o průměru 3, případně 1.75mm.
Dávkování materiálu tiskovou hlavou je prováděno posuvem tohoto materiálu do tiskové
hlavy. Rychlost tohoto posuvu je dána jednak posuvovou rychlostí tiskové hlavy a jednak
průměrem trysky a průměrem tiskového materiálu a může být určen dle vztahu [2]:
d2
f f  f min  2
D
(1)
, kde ff je rychlost posuvu tiskového materiálu, fmin je rychlost pohybu tiskové hlavy, d
je průměr vytlačovaného materiálu a D je průměr výchozího materiálu.
Tento vztah platí i zpětně, tj. vlivem posuvu tiskové hlavy je možné regulovat rovněž
průměr nanášeného tiskového materiálu.
Průměr vytlačeného materiálu nebývá totožný z průměrem trysky, často dosahovaný
poměr je například: 0,3mm průměr vytlačeného materiálu, ku 0,4mm průměru trysky.
Rovněž rychlost vytlačování materiálu nebývá konstantní [2]. Pro zajištění co
nejvýhodnějších podmínek tisku má rozhodující vliv schopnost řídit, jak vytlačování
samotného materiálu, tak jeho včasné zastavení. Abychom toho dosáhli, snažíme se udržovat
ve viskózně-tekutém stavu co nejmenší část tiskového materiálu [1, 2]. Z tohoto hlediska
hraje při návrhu tiskové hlavy důležitou roli znalost rozložení teplotního pole v tiskové hlavě.
Tiskové hlavy byly navrženy na základě zkušeností autorů a komunity vývojářů (viz Obr. 2).
Pro vlastní testování a ověření vlastností bylo navrženo několik variant tiskové hlavy
vycházející z dosavadních zkušeností vývojářské komunity. Následně byly vyrobeny a
testovány dvě uvedené varianty. Jako základní materiál trysky a topného tělesa tiskové hlavy
byla v prvním případě zvolena mosaz CuZn38Pb1 dle EN 12164, především díky její dobré
obrobitelnost a dobrým antikorozním vlastnostem. V druhém případě byla zvolena
vytvrditelná hliníková slitina EN AW 6082. Jedna z vyrobených tiskových hlav je na Obr.2
vpravo.
Obr. 2. Navržená tisková hlava, včetně pohonu.
Obě varianty se liší především délkou kontaktu plastového drátu s kovovým
povrchem. Horní část, obsahující ozubené převody, přítlačný mechanizmus a pohon s
krokovým motorem, je totožná.
Obr. 3. Schéma tiskové hlavy FDM tiskárny varianta „A“ vlevo, varianta „B“ vpravo.
Varianta B je konstrukčně mnohem jednodušší, obsahuje především topné těleso (1) a
trysku (2), obě části z hliníkové slitiny, která je do topného tělesa upevněna s pomocí
metrického závitu. Tryska samotná je pak s pomocí dalšího metrického závitu připevněna k
izolaci extruderu (4) vyrobené z čistého teflonu. K mechanické části hlavy je pak celá tato
část připevněna s pomocí svorky izolace (3), která je u varianty „A“ z tvrdého dřeva a u
varianty „B“ z konstrukční oceli. Varianta „A“ rovněž obsahuje mosaznou spojku extruderu
(5), která je od stavebního materiálu případně izolována teflonovou trubičkou (8) a od
dřevěné svorky izolace děleným teflonovým pouzdrem (6). Pro zajištění těsnění jsou pak
mezi trysku, topné těleso a spojku extruderu přidány měděné podložky (7). Tisková hlava je
obklopena stojatým vzduchem s uvažovanou teplotou 22°C.
Jako zdroj tepelné energie slouží rezistor umístěný v mosazném, respektive
hliníkovém, topném tělese. Elektrický příkon pak činí 25W. Tato energie je přeměněna na
tepelnou a zajišťuje ohřev celé tiskové hlavy. Stávající testy prokázaly dobu potřebnou k
zahřátí tiskové hlavy na 250°C na 3-5minut. Bez použití regulace pak k ustálení dochází, v
závislosti na okolních podmínkách, po zhruba 10 minutách.
V případě překročení teploty měknutí, a následného přechodu do viskózně tekutého
stavu, v příliš velké délce, která se v závislosti na druhu materiálu pohybuje od zhruba 60 –
250° (viz tab.1) může dojít ke zpětnému zatečení materiálu, případně až k úniku tiskového
materiálu z horní části tiskové hlavy a po následné snížení teploty k jejímu „zaseknutí“.
Tab 1. Teplota počátku přechodu tiskového materiálu do viskózně-tekutého stavu.
Materiál
t [°C]
ABS
105
PLA
152
HDPE
130
PCL
65
3. ANALÝZA TEPLOTNÍHO POLE
3.1 Teorie tepelného toku
V globálním kartézském systému můžeme definovat tepelné proudění dle rovnice [7]:
 T
T
T
T 
  T   
T 
  T 
  q   K x
  K z  K x
 Vx
 Vy
 Vz
   K y

x
y
z 
x 
x  y 
y 
x 
x 
 t
 c
(2)
, kde q je teplo generované v daném systému [W.mm-3], x, y, z jsou směry v kartézských
souřadnicích, T je teplota v závislosti na souřadnicích a čase [°C, °K], t je čas [s], c je měrná
tepelná kapacita [J.kg-1.K-1], ρ je hustota [kg.m-3], K je tepelná vodivost [W.m-1.K-1].
Energetické ztráty vyzařováním pak lze vyjádřit dle Siegal-Howella rovnicí [7]:
N
  ji
1 i  1


 ji  Fji Ti 4

F
Qi



ji

A

i 1  i
i 1
i
 i
N
(3)
, kde N je počet vyzařujících povrch, δji je Kroneckerův symbol (δji=1 pro i=j, jinak δji=0), εi
je efektivní emisivita, Fij je podíl energie vyzářený z povrchu i na povrch j, Ai je plocha
povrchu i, Qi je ztráta energie z povrchu, σ je Stefan-Boltzmanovan konstanta, Ti je absolutní
teplota i-tého povrchu.
3.2 Vyhodnocení teplotního pole
Pro vlastní výpočet rozložení teplot byl využit program Ansys ve verzi 13, pod licencí
VUT Brno. Jako výpočetní modul pak byl použit modul steady-state thermal [6].
Vyhodnocována bylo především rozložení teploty v celé tiskové hlavě. V Tab.2 jsou uvedeny
hodnoty měrné tepelné kapacity a tepelné vodivosti použité při výpočtu.
Tab. 2. Měrná tepelná kapacita a vodivost použitých materiálů [6].
Měrná tepelná kapacita Tepelná vodivost
Materiál
[J.kg-1.K-1]
[W.m-1.K-1]
Měď (99.9%)
383
386
Mosaz (CuZn38Pb1)
162
111
875
175
Tvrdé dřevo
2500
0.34
PTFE (čistý)
1400
0.25
Ocel (ČSN 11 373)
481
45
ABS (čistý)
1300
0.17
Hliníková slitina
(EN AW 6082)
Při výpočtu uvažujeme rozdílné vlastnosti jednotlivých materiálů z hlediska měrné
tepelné kapacity a teplené vodivosti včetně přechodu tepelné energie mezi jednotlivými tělesy
a okolním prostřením [5]. Kromě těchto základních fyzikálních vlastností má na výsledný
přenos tepla vliv rovněž tvar a charakteristika povrchu jednotlivých těles a intenzita jejich
kontaktu [3, 5].
Obr. 4 Rozložení teplot v FDM tiskové hlavě varianta „A“ vlevo, varianta „B“ vpravo.
Pro detailnější vyhodnocení byly rovněž grafiky zpracovány průběhy teplot v obou
variantách uvnitř tiskového materiálu.
Obr. 5. Závislost teploty ABS drátu na vzdálenosti od ústí trysky extruderu var. „A“
Z provedené analýzy jednoznačně vyplývá, že u varianty "A" dochází k natavení
materiálu v celé délce mosazné části. Tento jev má za následek nestejnoměrný pohyb
vytlačovaného materiálu a může vést k zaseknutí trysky, případně vlivem netěsnosti v horní
části hlavy k úniku tiskového materiálu do okolí FDM hlavy (viz obr.7).
Obr. 6. Závislost teploty ABS drátu na vzdálenosti od ústí trysky extruderu var. „B“
Naopak v případě varianty „B“ dochází k natavení pouze velmi krátké části tiskového
materiálu (zhruba 20mm délky), což umožňuje velmi přesné vytlačování tiskového materiálu
a díky tomu zvýšenou kvalitu tisku. Pro zlepšení mechanických vlastností tiskové hlavy pak
připadá do úvahy použití materiálu PEEK na mechanicky více namáhané části hlavy, jako
náhradu za PTFE, která má relativně nízké hodnoty mechanických vlastností (Rm=30Mpa).
Přičemž oba materiály mají obdobnou tepelnou vodivost a mohou tak sloužit jako teplená
izolace kovových částí tiskové hlavy.
Obr. 7 Unikající ABS plast nad spojkou extruderu FDM tiskové hlavy.
4. ZÁVĚRY
Výsledná data poukázala na nedostatky v návrhu testovaných tiskových hlav. Hlavním
nedostatkem varianty "A" je příliš velká oblast s tiskovým materiálem ve viskózně-tekutém
stavu (příliš velká oblast tavení). Bylo pozorováno přehřívání velké části tiskové hlavy, které
vedlo k významnému zhoršení kvality tisku. V kritickém případě může dojít i k zpětnému
toku materiálu do tiskové hlavy a následnému úniku či zaseknutí.
Varianta B má redukovanou délku tavné komory (oblast s materiálem ve viskóznětekutém stavu), což naopak vede k významnému zlepšení kvality tisku a spolehlivosti tiskové
hlavy.
Zjištěné výsledky jednoznačně potvrdily přednosti tiskové hlavy s redukovanou
délkou kovové části a kratší tavnou komorou.
Projekt REPRAP je permanentně vyvíjen celosvětovou komunitou, přičemž získané
poznatky byly ihned k dispozici celé komunitě. Díky tomuto principu je možný velmi
intenzivní rozvoj celého projektu.
PODĚKOVÁNÍ
Tento článek vznikl ve spolupráci s juniorským výzkumným grantem na FSI v roce
2010, Verifikace technologických vlastností PVD povlaků, FSI-J-10-72, ID 403. Autoři
děkují za přidělení výzkumného grantu.
POUŽITÁ LITERATURA
[1] Yan, Xue; Gu, P. (1996) A review of rapid prototyping technologies and systems .
Computer-Aided Design. Vol. 28/4, pp. 307-318.
[2] Choi, S.H.; Samavedam, S. (2002) Modelling and optimization of Rapid Prototyping.
Computers in industry. Vol.47, pp. 39-53.
[3] Tio, K.-K.; Toh, K. CH. (1998) Thermal resistance of two solids in contact through a
cylindrical joint . International Journal of Heat and mass Transfer. Vol.41/13, pp. 2013-2024.
[4] Hecht, J. (2008) Dawn of the self-replicating machine . The New Scientist. Vol.198, pp.
28.
[5] Yeh, C.L., et al (2001) An experimental investigation of thermal next term contact
previous term conductance next term across bolted joints. Experimental Thermal and Fluid
Science. Vol. 25/6, pp. 349-357.
[6] Lawrence, K. L. (2010) ANSYS Workbench Tutorial : Structural & Thermal Analysis
Using the ANSYS Workbench Release 12.1 Environment. Mission : Schroff Development
Corp, pp. 252.
[7] Ansys Theory reference : v. 13 [online]. 2011. Southpointe : Ansys, Inc., 2011 [cit.
2011-07-14]. Heat flow fundamentals, s. . Dostupné z WWW: <www.ansys.com>.
Download

rozložení teplotního pole v fdm tiskové hlavě