Grzejniki kasetowe 12 V w świecie druku 3D i produkcji przyrostowej

Szybki rozwój biurowego i przemysłowego druku 3D sprawił, że prosta grzałka kasetowa 12 V znalazła się w centrum uwagi jak nigdy dotąd. Niemal zawsze można znaleźć mały cylindryczny grzejnik wciśnięty w aluminiowy blok grzejny pośrodku drukarki do modelowania osadzania topionego (FDM) w dowolnej przestrzeni produkcyjnej, laboratorium uniwersyteckim lub komercyjnym zakładzie wytwarzania przyrostowego. Wiele drukarek, od-modeli podstawowych, takich jak Ender-3, po zaawansowane systemy przemysłowe drukujące PEEK do części lotniczych i kosmicznych, wykorzystuje podgrzewacze kasetowe 12 V do przekształcania stałego włókna w precyzyjny przepływ stopionego materiału. Dotyczy to zwłaszcza drukarek zaprojektowanych z myślą o bezpieczeństwie, przenośności i pracy przy niskim poborze mocy.

Zadanie grzejnika jest zwodniczo proste, ale bardzo ważne. Musi podnieść temperaturę gorącego końca z temperatury pokojowej do 200 stopni w przypadku PLA lub 400 stopni w przypadku-polimerów wysokotemperaturowych w czasie krótszym niż 60 sekund. Następnie, gdy dysza porusza się z prędkością 60–150 mm/s, musi mieścić się w zakresie ±1 stopnia od tej wartości zadanej. Wszelkie rozbieżności mogą powodować powstawanie sznurków, wypaczeń, przesunięć warstw, a nawet całkowitych niepowodzeń drukowania. Kiedy drukarka nagle wyświetla komunikat „Nie udało się nagrzewać”, „Temp. za niska” lub osiągnięcie celu zajmuje dużo czasu, technicy często w pierwszej kolejności sprawdzają grzałkę kasetową 12 V.

Każdy multimetr cyfrowy pozwala szybko i niezawodnie zdiagnozować problem. Możemy skorzystać z prawa Ohma, aby bezpośrednio obliczyć opór zimnej grzałki kasetowej:R=V^2 / P

Przewidywana rezystancja dla konwencjonalnej jednostki 40 W, 12 V, często spotykana w hotendach, wynosi:[ R=\\frac{12^2}{40}=\\frac{144}{40}=3.6\\ \\Omega \\]

Jeśli rezystancja jest nieskończona (obwód otwarty), oznacza to, że niklowo-chromowa cewka w środku uległa spaleniu, zwykle dlatego, że nie była dobrze dopasowana lub była zbyt gorąca. Jeśli odczyt jest znacznie niższy od oczekiwanego (lub zerowy), oznacza to, że w środku doszło do zwarcia. Jest to zwykle spowodowane przedostawaniem się wilgoci lub mechanicznym uszkodzeniem izolacji MgO. Technicy dokonują pomiarów w temperaturze pokojowej, ponieważ opór wzrasta o około 10–15%, gdy robi się gorąco.

Oprócz całkowitej awarii, istnieje szereg mniejszych kryteriów wydajności, które odróżniają dobre grzejniki kasetowe 12 V od tych, które powodują ciągłą frustrację:
• Profilowanie ciepła. Większość grzejników-klasy ekonomicznej ma jednakową gęstość uzwojenia, co powoduje, że środek wkładu nagrzewa się bardziej niż końce, gdzie ciepło przedostaje się do chłodniejszych elementów mocujących i przewodów. Do wymagających zastosowań, takich jak drukowanie-z dużą szybkością, duże dysze czy włókna-techniczne, marki premium sprzedają wkłady-z nawijaniem strefowym o przełożeniach takich jak 1,3:1:1,3 (większa gęstość na obu końcach). To kompensuje straty na końcach i zapewnia bardziej płaski profil temperatury na całej długości podgrzewania, co utrzymuje stałą lepkość stopu tuż przy gardzieli dyszy. Od razu widać zmianę w jakości druku: krawędzie są wyraźniejsze, jest mniej plam, a przepływ jest stały przy prędkościach powyżej 200 mm/s.
• Gdzie umieścić termistor (lub PT100). Grzejnik nie będzie działał dobrze, dopóki pętla sprzężenia zwrotnego temperatury nie będzie działać prawidłowo. Czujnik musi znajdować się w otworze jak najbliżej dyszy, najlepiej w odległości 3–5 mm, ale nadal musi być w stanie odczytać rzeczywistą temperaturę bloku. Jeśli regulator PID znajduje się zbyt daleko od grzejnika lub zbyt blisko radiatora, opóźnienie termiczne może spowodować, że regulator PID przesunie się za daleko lub będzie się nieprawidłowo kołysał. W przypadku korzystania z oprogramowania sprzętowego takiego jak Marlin lub Klipper nieprawidłowe wartości PID (stałe P, I, D) pogarszają problem, powodując wahania temperatury o ±5–10 stopni, które pogarszają-wydruki o wysokiej rozdzielczości lub niższą krystaliczność PEEK.

Więcej najlepszych praktyk sprawia, że ​​produkcja przyrostowa jest bardziej niezawodna. Pomiędzy grzejnikiem a blokiem powinien znajdować się luz średnicowy wynoszący 0,001–0,002 cala (0,025–0,05 mm). Wielu użytkowników nakłada małą warstwę-pasty termicznej wysokotemperaturowej, aby wypełnić najmniejsze szczeliny powietrzne. Aby blok aluminiowy szybko się nagrzewał i działał przez długi czas, gęstość watów jest zwykle utrzymywana w zakresie od 15 do 25 W/cal². Jeśli termistor ulegnie awarii, użycie zbyt dużej ilości energii (np. 60 W w przestrzeni o mocy 20 W) może spowodować spalenie grzejnika lub stopienie aluminium bloku.

W fabrykach grzejniki 12 V są zwykle używane z płytkami sterowanymi przez MOSFET-lub przekaźnikami-półprzewodnikowymi, które mogą wytrzymać prąd ciągły o natężeniu 10–15 A. Są one używane w drukarkach-wielkoformatowych, wytłaczarkach do granulatów i systemach wielomateriałowych-. Ponieważ nie zużywają dużo energii, nie potrzebują blokad bezpieczeństwa-wysokonapięciowego. Dzięki temu doskonale nadają się do sal lekcyjnych, mobilnych drukarni i drukarek terenowych zasilanych akumulatorowo.

Lekcja dla branży wytwarzania przyrostowego jest jasna: grzałka kasetowa 12 V to nie tylko prosty element rezystancyjny; jest to precyzyjny silnik cieplny. Wybór odpowiedniej mocy i długości, upewnienie się, że jest dobrze dopasowane, w razie potrzeby zastosowanie uzwojeń strefowych, umieszczenie czujnika w najlepszym miejscu i dostosowanie pętli PID mają wpływ na to, czy drukarnia będzie produkować prototypy o jakości muzealnej-, czy też będzie to mnóstwo śmieci. Grzejniki te są nadal najlepszym wyborem dla branży, która nieustannie przesuwa granice prędkości, zakresu materiałów i dostępności, ponieważ są małe, bezpieczne i działają z konwencjonalnym zasilaniem 12 V. Kiedy wszystko jest już na swoim miejscu, 12-woltowa grzałka kasetowa cicho topi elementy z zachowaniem wysokiej wierności, zamieniając pomysły komputerowe w rzeczywiste rzeczy.