Научная статья на тему 'Охлаждение полимерных материалов в аддитивных технологиях в условиях стационарного теплообмена'

Охлаждение полимерных материалов в аддитивных технологиях в условиях стационарного теплообмена Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
113
49
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ / АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ / ОХЛАЖДЕНИЕ / КОНСТРУКЦИЯ 3D-ПРИНТЕРОВ / ADDITIVE TECHNOLOGIES / COOLING / POLYMERIC MATERIALS / STATIONARY HEAT EXCHANGE

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Дрюков В.В., Котов А.А., Кузьменков С.М.

Объектом исследований является охлаждение полимерных материалов в аддитивных технологиях. Целью работы является изучение охлаждения полимерных материалов при обдуве зоны затвердевания в 3d-принтере потоком воздуха через сопло охлаждения. В результате выполненных расчетов по предложенной методике показано, что применение обдува зоны затвердевания полимерных материалов потоком воздуха через сопло охлаждения позволяет при скорости потока w = 8,5 м/с сократить время охлаждения материала практически в 2 раза, что, в свою очередь, дает возможность увеличить производительность печати. Кроме того, охлаждение строго направленным потоком воздуха через сопло устраняет необходимость тепловой защиты печатающей головки 3d-принтера, возникающей при применении вентиляторов обдува.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Дрюков В.В., Котов А.А., Кузьменков С.М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Cooling of polymeric materials in additive technologies under conditions of stationary heat exchange

The research object is the cooling of polymeric materials in additive technologies. The purpose of the work is the study of the cooling of polymeric materials while blowing a solidification zone in 3d printer with air flow through a cooling nozzle. As a result of the calculations performed according to the proposed methodology, it was demonstrated that blowing the zone of solidification of polymeric materials by air flow through the cooling nozzle allows for a flow rate of w = 8.5 m/s to reduce the cooling time of the material by almost 2 times, which, in turn, enables to increase printing performance. In addition, cooling with a strictly directed air flow through the nozzle eliminates the need for thermal protection of the print head of a 3d printer that occurs when blowing fans are used.

Текст научной работы на тему «Охлаждение полимерных материалов в аддитивных технологиях в условиях стационарного теплообмена»

'-

ОХЛАЖДЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ В УСЛОВИЯХ СТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛООБМЕНА

COOLING OF POLYMERIC MATERIALS IN ADDITIVE TECHNOLOGIES UNDER CONDITIONS OF STATIONARY HEAT EXCHANGE

УДК 678.5:004.356

В.В. Дрюков* А.А. Котов, С.М. Кузьменков,

Витебский государственный технологический университет

РЕФЕРАТ

ОХЛАЖДЕНИЕ, ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, КОНСТРУКЦИЯ 3D-ПРИНТЕРОВ

Объектом исследований является охлаждение полимерных материалов в аддитивных технологиях.

Целью работы является изучение охлаждения полимерных материалов при обдуве зоны затвердевания в 3d-принтере потоком воздуха через сопло охлаждения.

В результате выполненных расчетов по предложенной методике показано, что применение обдува зоны затвердевания полимерных материалов потоком воздуха через сопло охлаждения позволяет при скорости потока ю = 8,5 м/с сократить время охлаждения материала практически в 2 раза, что, в свою очередь, дает возможность увеличить производительность печати. Кроме того, охлаждение строго направленным потоком воздуха через сопло устраняет необходимость тепловой защиты печатающей головки 3d-принтера, возникающей при применении вентиляторов обдува. \___

В настоящее время в Республике Беларусь на ряде предприятий ведется разработка конструкций 3d-принтеров, пригодных для серийного производства. При этом одной из важнейших проблем является реализация охлаждения материала в процессе печати. Охлаждение нанесенного слоя до температуры несколько ниже температуры размягчения [1] необходимо для получения высокой адгезии между слоями нано-

https://doi.org/10.24411/2079-7958-2019-13704 V. Dryukov*, A. Kotow, S. Kuzmenkov,

Vitebsk State Technological University

ABSTRACT

COOLING, POLYMERIC MATERIALS, ADDITIVE TECHNOLOGIES, STATIONARY HEAT EXCHANGE

The research object is the cooling of polymeric materials in additive technologies.

The purpose of the work is the study of the cooling of polymeric materials while blowing a solidification zone in 3d-printer with air flow through a cooling nozzle.

As a result of the calculations performed according to the proposed methodology, it was demonstrated that blowing the zone of solidification of polymeric materials by air flow through the cooling nozzle allows for a flow rate of w = 8.5 m/s to reduce the cooling time of the material by almost 2 times, which, in turn, enables to increase printing performance. In addition, cooling with a strictly directed air flow through the nozzle eliminates the need for thermal protection of the print head of a 3d-printer that occurs when blowing fans are used.

симого полимерного материала и предотвращения растекания наплавляемого слоя.

Целью работы является исследование охлаждения полимерных материалов в аддитивных технологиях при обдуве зоны затвердевания потоком воздуха через сопло охлаждения.

Охлаждение полимерных материалов при 3d-печати является, строго говоря, нестационарным процессом. Но в процессе нанесения ма-

* E-mail: tiomp.vstu@mail.ru (V. Dryukov)

1q вестник витебского государственного технологического университета, 2019, № 2 (37)

териала и скорость перемещения печатающей головки 3d-принтера, и скорость подачи фила-мента, и количество затрачиваемого для его расплавления тепла во времени практически не изменяются. Неизменной при этом является также и скорость потока охлаждающего воздуха. Таким образом, мощность отводимого теплового потока будет постоянной, что позволяет в первом приближении рассматривать при создании математической модели, описывающей охлаждение нанесенного материала, этот процесс как стационарный. Однако следует иметь в виду, что выводы, полученные в результате применения такой модели, носят оценочный характер.

В большинстве конструкций современных 3d-принтеров предусматривается установка одного или нескольких вентиляторов, которые обеспечивают охлаждение распечатываемой модели. Однако такой метод имеет существенные недостатки. Во-первых, это относительно низкая эффективность охлаждения, а во-вторых, возникает необходимость тепловой защиты самой печатающей головки 3d-принтера. Охлаждение печатающей головки является недопустимым, поскольку это может привести к застыванию в ней полимерного материала при определенных режимах печати, что вызовет закупорку сопла экструдера и остановку процесса печати.

Для интенсификации процесса охлаждения и обеспечения требуемой прочности соединения наплавляемого материала с нижележащим слоем предлагается использовать обдув зоны наплавки потоком воздуха через специальное сопло охлаждения, направленное вдоль наплавляемого слоя под углом порядка 20° к горизонтали (рисунок 1).

Количество выделяющейся в процессе охлаждения нанесенного слоя тепловой энергии может быть определено по уравнению

где р - плотность наплавляемого материала, кг/м3; Упл - объем выдаваемого материала, м3/с\с - теплоемкость материалаДж/кг'град; А1 - изменение температуры в зоне наплавки, С.

Параметры процесса нанесения полимерного материала при 3d-печати могут изменяться в достаточно широких пределах, однако наиболее часто применяются: диаметр печатающего сопла ^ = 0,4 мм; высота наносимого слоя 8 = 0,1^0,2 мм; толщина стенки в = 0,8^1,6 мм; скорость печати до = 60 мм/с. Объем выдаваемого ма-

г

Рисунок 1 - Схема охлаждения потоком воздуха через сопло:

1 - стол; 2 - формируемое изделие; 3 - экструдер; 4 - нагревательный блок; 5 - сопло экструдера; 6 - сопло системы охлаждения

ч.

У

териала при этом составляет в среднем V = 5

мм

Ус = 5 • 10-9 м3/с.

При определении мощности теплового потока Qo, отдаваемого с поверхности наплавляемого материала, необходимо учитывать как конвективный, так и лучистый теплообмен:

.

(2)

Мощность теплового потока, отдаваемого излучением Qл, рассчитывается в соответствии с законом Стефана-Больцмана [2]:

где £ - степень черноты поверхности тела; С0 = 5,67 Вт/м2 •град4 - коэффициент излучения абсолютно черного тела; F - площадь зоны охлаждения; Т и Т - средние абсолютные

ст ж

температуры поверхности тела и окружающей среды соответственно.

При расчете мощности конвективного теплового потока Qк применяется уравнение Ньюто-на-Рихмана:

где ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией. Для нахождения значения коэффициента теплоотдачи конвекцией необходимо использовать критериальные уравнения.

При свободной конвекции критериальное уравнение в общем случае имеет вид:

Рг - критерий Прандтля.

Здесь I - определяющий размер тела, \ж - ко -эффициент теплопроводности окружающей среды, \ж - коэффициент кинематической вязкости окружающей среды, в - коэффициент объемного температурного расширения окружающей среды, g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения, АЬ - температурный напор между поверхностью тела и окружающей средой. Значения физических параметров среды (Аж, Уж,Рг) определяются по таблице параметров воздуха [2] в зависимости от определяющей температуры, значение коэффициента объемного температурного расширения для газообразных веществ

В нашем случае определяющим размером будет являться ширина зоны охлаждения, равная толщине стенки (I = в), а определяющей температурой является средняя температура пограничного слоя:

В случае свободной конвекции с горизонтальной поверхности при верхнем ее расположении при {Gr•Pr) < 2 • 107 критериальное уравнение принимает вид [3]

В этом уравнении: N4 - число Нуссельта,

При вынужденной конвекции критериальное уравнение при движении среды вдоль под углом 20° к поверхности [2] для случая ламинарного движения, что имеет место при Яв = 5^1 • 103, принимает вид

Ог - критерий Грасгофа,

30

температуры в зоне наплавки

а для случая турбулентного движения, что имеет место при Ее = 1 • 103^2 • 105, вид

В этом уравнении Ее - критерий Рейнольдса,

где ш - скорость потока.

В этом случае определяющим размером будет являться ширина зоны охлаждения (I = в), а определяющей температурой - средняя температура окружающей среды гж.

Значения физических параметров (температура плавления г^ , температура экструзии t , температура размягчения г , плотность

экст/ г 3 г г разм/

р, массовая теплоемкость с), наиболее часто используемых для 3С-печати полимерных материалов, приведены в таблице 1.

Проведем расчет требуемой скорости охлаждающего воздушного потока для ЗС-печати при использовании различных материалов.

Количество выделившегося тепла определяется согласно формуле (1), при этом изменение

Время охлаждения зоны печати, как было установлено в результате проведенных экспериментов, должно составлять порядка Тохл = 0,8 с.

Количество отводимого при охлаждении тепла получим равным

Средняя температура поверхности материала по всей зоне охлаждения тогда будет равна

Принимая значение степени черноты для полимерных материалов е = 0,7, мощность теплового потока, отдаваемого излучением, определяем в соответствии с законом Стефана-Больцмана (3). При этом, как правило, температура окружающей среды гж принимается равной 20 °С. Площадь зоны охлаждения F = 57,6 мм2 = 5,76 • 10-5 м2.

Тогда, в соответствии с формулой (2), за счет конвективного теплообмена необходимо отвести

Таблица 1 - Физические свойства материалов для 3d-печати

Материал г , °с пл.' г , °с экст/ г , °с разм р, кг/м3 с, Дж/кг'град

ABS-пластик 210 270 105 1040 1350

Р1_Д-пластик 180 230 50 1250 1270

PETG-пластик 220 240 80 1270 1030

Н^-пластик 210 240 97 1050 1190

BFNyLon-пластик 220 260 120 1130 1310

РС-пластик 300 310 135 1200 1100

PC/ABS-пластик 240 260 127 1110 1150

ASA-пластик 220 270 100 1080 1330

Исходя из уравнения Ньютона-Рихмана (4), коэффициент теплоотдачи конвекцией при этом должен составлять

Рассчитав значение числа Нуссельта по формуле (6), из критериального уравнения (11) или (12) находим величину критерия Рейнольдса. Из формулы (13), необходимая скорость потока охлаждающего воздуха равна

Полученные результаты приведены в таблице

2.

Таким образом видно, что при данных условиях необходимая скорость охлаждающего потока воздуха в зависимости от вида используемого для печати пластика изменяется в пределах от 3,67 м/с до 22,08 м/с и в среднем составляет около 8,5 м/с.

По формулам (2)-(4), (6)-(9), с использованием уравнений (10) и (11), проведем тепловой расчет процессов 3d-печати полимерных мате-

риалов при тех же условиях, без обдува поверхности материала и в случае применения обдува потоком воздуха со скоростью ш = 8,5 м/с. Время охлаждения наплавляемого материала тохл. при этом определяется как

длина зоны охлаждения 1охл, на протяжении которой происходит затвердевание пластика - как

Результаты расчетов приведены в таблице 3. ВЫВОДЫ

1. Полученные результаты показывают, что применение обдува зоны затвердевания полимерных материалов потоком воздуха через сопло охлаждения позволяет при скорости потока w = 8,5 м/с сократить время охлаждения материала практически в 2 раза, что, в свою очередь, дает возможность увеличить производительность печати.

2. Охлаждение строго направленным потоком воздуха через сопло устраняет необходимость тепловой защиты печатающей головки 3d-прин-тера, возникающей при применении вентиляторов обдува.

Таблица 2 - Параметры процессов теплоотдачи при 3d-печати

Материал Я, Дж г , °с ст Яо, Вт Я , Вт Я , Вт "к' а, к Вт/м2 •град Яв ш, м/с

ABS-пластик 1,158 187,5 1,448 0,086 1,362 141,2 620 7,78

Р1_Д-пластик 1,429 140 1,787 0,051 1,736 251,2 1759 22,08

PETG-пластик 1,046 160 1,308 0,064 1,244 154,3 741 9,29

Н^-пластик 0,893 168,5 1,116 0,069 1,047 122,4 466 5,85

BFNyLon-пластик 1,036 190 1,295 0,088 1,207 123,3 475 5,96

РС-пластик 1,155 222,5 1,444 0,122 1,322 113,3 399 5,01

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

PC/ABS-пластик 0,849 193,5 1,061 0,092 0,969 97,0 293 3,67

ASA-пластик 1,221 185 1,526 0,084 1,442 151,7 716 8,98^

32

Таблица 3 - Результаты интенсификации охлаждения зоны 3d-ne4amu

Материал Q0, Вт т , с охл.7 1 , мм охл/

без обдува с обдувом без обдува с обдувом без обдува с обдувом

ABS-пластик 0,784 1,478 1,47 0,78 88,5 47,0

PLA-пластик 0,699 1,382 2,04 1,03 122,6 62,0

PETG-пластик 0,661 1.280 1,58 0,82 94,8 49,0

HIPS-пластик 0,636 1,218 1,40 0,73 84,2 43,9

BFNylon-пласгик 0,750 1,409 1,38 0,74 82,9 44,1

PC-пластик 0,890 1,631 1,30 0,71 77,9 42,5

PC/ABS-пластик 0,688 1,289 1,23 0,66 74,1 39,5

ASA-пластик 0,692 1,505 1,76 0,81 105,8 48,6

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

REFERENCES

1. Повышение качества 3С-печати с помощью охлаждения, 2016, [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://habr.com/ru/post/179533/. - Дата доступа 12.10.2019.

1. Improving 3D printing quality with cooling [Povyshenie kachestva 3d pechati s pomoschju ohlazhdeniya], (2016), available at https://habr. com/ru/post/179533 - (accessed 12.10.2019).

2. Нащокин, В. В. (2009), Техническая термодинамика и теплопередача, Москва, 469 с.

3. Исаченко, В. П., Осипова, В. А., Сукомел, А. С. (2014), Теплопередача, Москва, 416 с.

4. Как правильно печатать филаментом Р1_Д, 2017, [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://rusabs.ru/bLogs/bLog/PLA-FiLament-Рппйпд. - Дата доступа 03.10.2019.

2. Nashchokin, V. V. (2009), Technical thermodynamics and heat transfer [Tehnicheskaja termodi-namika i teploperedacha], Moscow, 469 p.

3. Isachenko, V. P., Osipova, V. A., Sukomel, A. S. (2014), Teploperedacha [Heat transfer], Moscow, 416 p.

4. How to print with filament PLA [Kak pravilno pechatat filamentom PLA], (2017), available at https://rusabs.ru/blogs/blog/PLA-Filament-Printing- (accessed 12.10.2019).

Статья поступила в редакцию 18. 10. 2019 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.