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Wärmeverteilung im Filament

geschrieben von Willy 
Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 03:29
Hallo,

in verschiedenen Beiträgen habe ich ja schon angedeutet, dass ich den Trend zu kurzen Düsen, d.h. eine kurze wärmeübertragende Länge, nicht verstehe. Jetzt habe ich mal die Wärmeübertragung von der Düse in das Filament unter folgenden Randbedingungen gerechnet:
1. Die Oberfläche vom Filament wird zum Zeitpunkt t=0 plötzlich von 20°C auf 240°C erhöht.
2. Wärmeleitung findet nur in radialer Richtung statt (wärmeübertragende Strecke ist groß im Vergleich zum Filament-Radius).
3. Die Stoffwerte von ABS sind: Dichte = 1,1 g/cm^3, spez. Wärmekapazität = 1,3 J/(gK), Wärmeleitfähigkeit = 0,18 W/(mK).
Das Ergebnis ist in folgender Grafik dargestellt:



R = 1,5 mm ist die Filamentoberfläche, R=0 die Filamentmitte. Es ist zu sehen, dass das Material nicht "plötzlich" warm wird, sondern eine gewisse Zeit braucht. nach 10 s sind in der Filamentmitte beispielsweise erst 226°C erreicht. Da gerade im interessanten Bereich um 240°C die Grafik schlecht abzulesen wäre hier noch ein paar weitere Werte in tabellarischer Form:



Wenn beispielsweise die Temperatur in Filamentmitte nur 5°C unter der eingestellten Temperatur liegen soll, dann sind rund 13 s Verweilzeit in der Düse erforderlich. Wenn die Düse 15 mm lang ist, dann darf die Vorschubgeschwindigkeit max. 15/13 = 1,15 mm/s betragen, was die Druckgeschwindigkeit auf 1,15 * (3/0,5)^2 = 41,5 mm/s begrenzt.

Wenn hohe Druckgeschwindigkeiten bei "sauberer" Erwärmung des Materials erreicht werden sollen, dann müssen die Düsen lang sein.

LG, Willy
Re: Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 03:38
Du hast das Problem nicht begriffen....
Je mehr Material flüssig ist, in der Düse, je mehr kleckert die. Also muß man da einen Mittelwert finden.

Die Erfahrungen haben gezeigt je kürzer die Heizzone ist, desto kleiner wird dieses Problem.
Das ist aber nicht errechnet worden, sondern einfach probiert worden.

Aber vielleicht kannst du die Formel ja auf die Düse gravieren, und das wird dann besser spinning smiley sticking its tongue out


Mfg
Wolfgang
Aller Anfang war schwer - Wolfstrap Reprap-fab.org Meine Meinung

Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 05:12
@Stoffel15:

da halte ich es mit Paraman der hier im Forum schonmal feststellte, dass Feststoffe und Flüssigkeiten praktisch inkompressibel sind und dass deshalb die Menge flüssigen Kunststoffes nicht entscheidend sein kann. Zumindest dann, wenn der flüssige Kunststoff Solltemperatur erreicht hat. Material unterhalb der Solltemperatur wird bei einem Extruder-Stopp noch weiter erwärmt und kann durch die Wärmedehnung zum Kleckern führen. Insofern kommt es also nicht auf die flüssige, sondern auf die unvollständig erwärmte Materialmenge an.

> Die Erfahrungen haben gezeigt je kürzer die Heizzone ist, desto kleiner wird dieses Problem

Mag sein (Materialmenge kleiner). Desto langsamer wird aber auch der Druck. eye rolling smiley

Eine wirkungsvolle Reduzierung des Kleckerns sollte meiner Meinung nach durch eine geeignete Firmware-Anpassung möglich sein. Statt eines ruckartigen Retracts von Skeinforge müsste die Firmware bei einem Extruder-Stopp selbstständig erst schnell und dann immer langsamer werdend zurückziehen. Hier sehe ich Entwicklungspotential, nicht bei immer kürzeren Düsen.

LG, Willy
Re: Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 08:05
Achso, deshalb funktionieren auch Öldruckdämpfer nicht ????? Weil man die Flüssigkeit nicht zusammen drücken kann ?? confused smiley

Da stimmt doch was nicht ?


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 08:45
http://de.wikipedia.org/wiki/Stoßdämpfer

Zitat von der Seite: "Einen reinen Öldämpfer kann es also nicht geben, denn Öl ist wie alle Flüssigkeiten nahezu inkompressibel."

LG, Willy
Re: Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 10:26
hmm... wußte ich auch noch nicht, man lernt doch immer noch dazu winking smiley

Aber wenn dem so ist, bringt mich das doch auf ne komische Idee...

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 09.01.12 10:32.


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 10:39
Quote
Achso, deshalb funktionieren auch Öldruckdämpfer nicht ?????

Das Öl ist in den Öldruckdämpfer nur zum dämpfen - Nicht für die Rückfederung!
Das Öl soll ein schnelles Rückfedern verhindern, deshalb ist in so einem Dämpfer eine Engstelle eingebaut, wo das Öl mühsam und langsam nur durchkommt. Für die Rückfederung ist normalerweise eine Feder zuständig.

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 09.01.12 10:41.


Grüßle aus em Schwobaländle
Michael
Re: Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 14:26
vollkommen korrekt war schon immer so...öl nich kompressierbar.. wie alle hydraulik dieser welt.. deswegen geht hydraulik auch über 10bar nich wie pneumatik =)
aber das nur btw

Willys ansatz mit der Wärmverteilung des filaments haben wir bei unserem Hotend derzeit auch.
Ist vollkommen logisch... wenn man Eiswürfel ins Wasser wirft ist das wasser ja auch nich sofort kalt =)
Bei Hitze das gleiche...

Ultrakurze Heizzone testen wir auch.. jeddoch noch keine fundierten Fakten gesammelt um das hier posten oder überhaupt vergleichen zu können... kommt zeit kommt rat...


Am rande... Willy was machst du beruflich wenn man Fragen darf?

Beste Grüße Ben


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Re: Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 15:14
Fragen ist immer erlaubt smiling smiley und da ich kein Politiker bin gibt's sogar eine halbwegs sinnvolle Antwort.

Ich hab' mich mal eine ganze Weile mit Tröpfchen in Siebbodenkolonnen beschäftigt:
Siebbodenkolonnen
Aus der Zeit stammt auch das Programm, mit dem die Temperaturverteilung gerechnet ist (für das instationäre Wärmeübergangsproblem gibt es keine einfache Formel - nur eine Reihenentwicklung).

Heute bauen wir physikalische Lehrgeräte für Schulen und Unis:
Physikalische Lehrgeräte

LG, Willy
Re: Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 15:30
hehe.. schonma nen gutes zeichen.. solange du nich in die politik willst winking smiley
aber ich glaub gewalt pornografisches und politik sind im forum hier verboten grinning smiley

die drops in siebbodenkolonnen is da ja schon ne richtig anspruchsvolle ecke.. aus der zeit?!
in Aachen studiert?

ich finds aufjedenfall bemerkenswert mit dem rechenweg.. würde gerne mal nen paar andere sachen durchrrechnen ..
aber da fehlt mir derzeit noch input.. aber man soll ja auch nich zuviele baustellen anfangen


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Re: Wärmeverteilung im Filament
09. January 2012 15:55
> .. aus der zeit?!

die Venia Legendi wurde mir 2003 erteilt - muß also vorher gewesen sein grinning smiley - und AC ist richtig.

LG, Willy
Re: Wärmeverteilung im Filament
10. January 2012 03:53
"Wenn beispielsweise die Temperatur in Filamentmitte nur 5°C unter der eingestellten Temperatur liegen soll, dann sind rund 13 s Verweilzeit in der Düse erforderlich. Wenn die Düse 15 mm lang ist, dann darf die Vorschubgeschwindigkeit max. 15/13 = 1,15 mm/s betragen, was die Druckgeschwindigkeit auf 1,15 * (3/0,5)^2 = 41,5 mm/s begrenzt."

Das ist in etwa die Maximale Geschwindigkeit die ich mit ABS hin bekomme... wundert mich nur, das Bensor dann auf eine Verdoppelung kommt ?? Seine ist ja noch kürzer ?? Sehr seltsam...


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: Wärmeverteilung im Filament
10. January 2012 07:28
Verdoppelung sagt ja noch nichts über die erreichte Geschwindigkeit ...

Weiterhin scheinen mir Geschwindigkeitsangaben sehr von der verwendeten Software abzuhängen. Wenn ich mit Skeinforge arbeite ist die "gefühlte" Geschwindigkeit deutlich geringer als bei Sfact. Das muß ich mir nochmal genauer anhand des gcode ansehen.

Die von Ultimaker angegebene Geschwindigkeit von 300 mm/s (Insane Speeds) für das Teil z-bearing-plate (in 12 min gedruckt) korreliert auch nicht mit meinen Ergebnissen. Ich habe das Teil mit 120 mm/s (Sfact) gedruckt und das hat 15 min 17 s gedauert - also nicht 2,5 mal so lange.

Da besteht noch Klärungsbedarf.

LG, Willy
Re: Wärmeverteilung im Filament
10. January 2012 08:51
Ich werde mal versuchen die Heizzone zu verlängern... mal gucken was passiert... ich hab ja unten an der Düse genug Platz.
Da bin ich ja mal gespannt ob das was bringt.... deinen Berechnungen nach müßte ich dann ja schneller drücken können.


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: Wärmeverteilung im Filament
10. January 2012 14:48
Hallo Leute,
das sind ja mal super hilfreiche Beiträge. Mir ist bei dem Rechenmodell aufgefallen, dass mit einer gleichbleibenden Temperatur auf dem gesamten Schmelzweg gerechnet wird. Was passiert wenn man eine Temperaturverteilung in das Rechenmodell einbaut? Z. B. könnte man mal schauen ob es hilfreich ist, am Anfang mit einer sehr hohen Temperatur zu starten um an der Düse eine optimale Temperatur zu bekommen. Damit könnte man vielleicht eine kürzere Bauform hin bekommen, denn ich höhre immer wieder, dass die Bauhöhe der Drucker nicht eingeschränkt werden darf.
Gruß
Philipp
Re: Wärmeverteilung im Filament
10. January 2012 15:20
....
>
> Die von Ultimaker angegebene Geschwindigkeit von
> 300 mm/s (Insane Speeds) für das Teil
> z-bearing-plate (in 12 min gedruckt) korreliert
> auch nicht mit meinen Ergebnissen. Ich habe das
> Teil mit 120 mm/s (Sfact) gedruckt und das hat 15
> min 17 s gedauert - also nicht 2,5 mal so lange.
>
> Da besteht noch Klärungsbedarf.
>
> LG, Willy

Das Passiert soweit ich weiß wegen der Beschleunigung, die Skeinforge nicht mit berechnet...
Re: Wärmeverteilung im Filament
10. January 2012 16:13
Ich hab die Heizfläche mal länger gemacht...
ich bekomme maximal 10-15% mehr Geschwindigkeit.. dann ist wieder Ende.

Die Heizlänge hab ich von 8mm auf 15mm erhöht. Den Heizklotz hochkant gestellt. Und dann je einen Widerstand recht und links parallel zur Düse.

Ich weis auch nicht wie man die "echte" Geschwindigkeit raus bekommt. Denn ich hab auch schon bemerkt, das das von Firmware zu Firmware unterschiedlich ist. Bei der einen sehen 50mm/s aus wie bei der anderen 35... das ist ganz komisch.


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: Wärmeverteilung im Filament
11. January 2012 10:28
@Philipp:
> Was passiert wenn man eine Temperaturverteilung in das Rechenmodell einbaut?

Eine Temperaturverteilung ist kein Problem - werde ich mal machen.

@Vollnormal:
> Das Passiert soweit ich weiß wegen der Beschleunigung, die Skeinforge nicht mit berechnet..

Die Beschleunigung ist sicherlich ein Grund für Abweichungen zwischen einer berechneten und einer gemessenen Druckzeit. Bei den o. a. Werten (12 bzw. 15 min) handelt es sich aber in beiden Fällen um gemessene Werte (Ausgabe >nach< dem Druck, ich habe die Zeit sogar mit einer mechanischen! Stoppuhr mitgestoppt smiling smiley ) Da außerdem der Ultimaker höhere Beschleunigungen als mein Prusa ermöglichen sollte, bleibt die Frage wieso mein Druck nicht in etwa 2,5 mal länger gedauert hat.

@Stoffel15:
> Die Heizlänge hab ich von 8mm auf 15mm erhöht. Den Heizklotz hochkant gestellt. Und dann je einen Widerstand recht und links parallel zur Düse.

Bei Deiner bisherigen Konstruktion waren die 7 mm über dem Heizblock ja nicht kalt sondern nur etwas kälter als direkt am Heizblock (geschätzt 10°C bis max. 20°C, da der Becher eine gewisse Kühlwirkung hat). Daher ist die relativ kleine Geschwindigkeitssteigerung verständlich.

LG, Willy
Re: Wärmeverteilung im Filament
12. January 2012 16:39
Ich hab jetzt mal einen Kunstgriff gemacht winking smiley ich hab den Teflon-Liner durch ein Messingröhrchen ersetzt.... also künstlich die Heizlänge erhöht...

Hmm.... jetzt komme ich an die Grenzen meiner alten Gen3 ... wenn ich ihn noch schneller laufen lasse, verläuft er sich. Aber ich höre am Motorgeräusch vom Extruder, es wäre noch mehr drin...
Morgen geb ich mal mehr Dampf auf die Motoren.
Der Motorstrom steht wegen dem Geräuschpegel sehr niedrig.
Jetzt bin ich schon fast doppelt so schnell wie vorher winking smiley ... hätte ich nicht erwartet.


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: Wärmeverteilung im Filament
12. January 2012 17:31
Kleckert das nicht?
Re: Wärmeverteilung im Filament
12. January 2012 21:39
nein, weniger wie vorher... läuft weniger nach.


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: Wärmeverteilung im Filament
13. January 2012 04:26
> Jetzt bin ich schon fast doppelt so schnell wie vorher ... hätte ich nicht erwartet.

Bingo thumbs up

> Hmm.... jetzt komme ich an die Grenzen meiner alten Gen3 ... wenn ich ihn noch schneller laufen lasse, verläuft er sich.

Das Problem habe ich mit meiner RAMPS 1.3 auch, aber ich vermute die Grenzen eher bei der Firmware:

Die Temperaturmessung dauert immerhin rund 100 µs und wird nur bei "print moves" und nicht bei "travel moves" gemacht, da "travel moves" mit 120 mm/s einen Schrittimpuls pro 130 µs erfordern - da bliebe neben der Temperaturmessung nicht mehr genug Zeit fürs rechnen. Kritisch wird es aber wenn "print moves" auch mit 120 mm/s durchgeführt werden...

Ich bin schon dabei die Firmware umzuschreiben: Free-Running-Mode für den ADC.

LG, Willy
Re: Wärmeverteilung im Filament
13. January 2012 10:02
hier käme der extruder controler der gen3 wieder ins spiel smiling smiley

einmal den auf heizen trimmen und gut ist es.. diese kann die themperatur alleine verarbeiten...

das stepper signal kommt ja von einem pin des MB...

mit der gen3 und pololus statt der alten karten sollte da richtig was gehen


grüße
Bernhard
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Re: Wärmeverteilung im Filament
13. January 2012 19:23
@Wolfgang: Versteh ich das richtig, dass Du jetzt kein PTFE mehr im Hotend hast? Wie ist das mit dem Hochquellen von flüssigem ABS? Klemmt das nicht fest nach dem Abkühlen?
Re: Wärmeverteilung im Filament
14. January 2012 05:03
Hi Detlef,
Ich hab das Teflon raus genommen, durch ein Messingröhrchen mit den selben Maßen ersetzt.
Die Drucke werden besser, die Düse tropft erheblich weniger nach. Ich hab eine Vermutung warum das so sein könnte...

Das Messingrohr hab ich innen gerieben. Da bleibt nichts kleben... wenn ich die wieder aufgeheizt habe läuft es normal weiter.
Ich hab bisher nichts negatives feststellen können. Ich kann mit der Geschwindigkeit ERHEBLICH höher... und die drucke werden sauberer.

Mein Vermutung ist, das Messingrohr dichtet zum einen besser ab wie das Teflon. Weil sich das durch das Zuschrauben regelrecht in den Grund der düse "Krallt"
Dann ist die Bohrung, wo das Teflon drin sitzt, ja immer minimal größer wie der Außendurchmesser von dem Teflon (sonst würde ich es nicht rein bekommen)... also hat das Teflon die Möglichkeit sich minimal zu dehnen... das kann das Messingrohr nicht. Dadurch kommt es bei dem Teflon zu eine Art "Pumpeffekt" . Den schalte ich mit dem Messingrohr aus.
Zusätzlich dann die bessere Wärmeverteilung.
Alles in allem klappt es besser.
Minimale Änderung, maximaler Effekt. thumbs up


Mfg
Wolfgang
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Re: Wärmeverteilung im Filament
14. January 2012 05:13
Der Heizwiderstand sitzt ja auch bei stoffels hotend ganz guten drin.... eigentlich solllte durch das peek schon genug isolation stattfinden...

son bisschn tweakn bringt immer was... auf was printest du jetzt stoffel?

Willy : Ich bin schon dabei die Firmware umzuschreiben: Free-Running-Mode für den ADC.

Das mit der Temperaturabfrage habe ich auch festgestellt. Bei Geschwindigkeiten über 300 spint die Temp-abfrage bei mir auch.
Wenn du mit dem Travel-speed auf 500 gehst... baut die Firmware sich nen fehler zusammen und Travelt nurnoch mit 50.... Das sollte man in der Firmware-entwicklung neu bedenken...wenn du schon am rumeditiern bist winking smiley

gruß ben


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Re: Wärmeverteilung im Filament
14. January 2012 05:18
"auf was printest du jetzt stoffel?"

du mußtest doch wissen das ich auf den Dauerdruckplatten von Mtplus.de drucke... hab ich hier ja schon oft genug erwähnt.

Ich hab bisher noch nichts gesehen was besser zum drauf drucken ist. Und ich hab schon einiges getestet.


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: Wärmeverteilung im Filament
14. January 2012 05:28
Quote
ch hab bisher nichts negatives feststellen können. Ich kann mit der Geschwindigkeit ERHEBLICH höher... und die drucke werden sauberer.

war falsch forumliert... soviel kann ich mir merken... wie schnell printest du jetzt mit schwarzem ABS um ganz genau zu sein..


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Re: Wärmeverteilung im Filament
14. January 2012 15:10
Wirklich gut an der Geschichte finde ich, dass man damit vom Teflon wegkommt. Ich fand es nie eine gute Idee, das Zeug so hoch zu erhitzen bis es schmilzt.

Schön ist auch, dass endlich mal wieder probiert wird, statt alte Weisheiten nachzukauen.
Re: Wärmeverteilung im Filament
14. January 2012 15:24
Ich hab das selbe jetzt an der 2. Maschine auch versucht... klappt leider nicht. Aber ich bin noch nicht sicher warum... kann sein das die Rolle nicht mehr OK ist, denn auch nach einem Rückbau hatte Schwierigkeiten...
Montag probiere ich es weiter.. Kiste muss ja laufen.

Aber jetzt ist Schluss... bin am WE-Domizil . Ich muss einfach mal weg von dem Maschinen... smiling smiley


Aber wie es aussieht scheint das Teflon grundsätzlich erst mal nicht nötig zu sein...
Aber es ist schwer zu sagen ob es wirklich schneller wird, oder ob es nur eine Schwankung im Material ist... das muß ein längerer Test zeigen.
Im Normalfall fahre ich ja einen Mittelwert, so das ich immer weiter drucken kann auch wenn das ABS mal nicht so gut ist.


Mfg
Wolfgang
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