Nowe rozwiązanie do chłodzenia wydruków 3D

Wracając do tematu poruszonego w tekście Jak efektywnie chłodzić wydruki, od jakiegoś czasu eksperymentuję z usprawnieniem chłodzenia w mojej drukarce w celu poprawienia jakości niektórych drukowanych przedmiotów. Jeszcze w zeszłym roku zdarzyło mi się zaprojektować pewną nakładkę do istniejącego nawiewu, mającą poprawić przepływ powietrza dookoła dyszy:

Projekt niestety zupełnie się nie sprawdził – prawdopodobnie ze względu na zbyt małą moc wentylatora przy dosyć ciasnych tunelach prowadzących powietrze. Nawiew doczekał się też wersji “power” z wielkim, 10 watowym wiatrakiem o średnicy 60 mm, który razem z mocowaniem ważył ok. 150 g, i hałasował jak średnich rozmiarów odkurzacz:

Rozwiązanie również zostało zarzucone już po wstępnych testach – po części dlatego, że plastik idący w pobliżu blogu grzewczego wskutek wysokiej temperatury zaczynał się topić. Inną dużą wadą takiego “zabudowania” hotendu było zasłonięcie całej dyszy – przez co podczas druku nie dało się obserwować, jak drukarka tworzy przedmiot i jakie ewentualne problemy w międzyczasie się pojawiają. Sam wentylator puszczony na pełne obroty był też po prostu bardzo głośny.

Samo projektowanie tunelów wewnątrz takiego wynalazku nie jest prostą sprawą – bo tak naprawdę można się jedynie domyślać, jak powietrze będzie się w nich zachowywało i z której strony będzie najmocniej wylatywać. Po kilku nieudanych wydrukach odpuściłem taki sposób konstrukcji nawiewu (dopiero później wpadłem na pomysł jak takie rzeczy testować).

W związku z powyższymi niepowodzeniami, w najnowszym podejściu zdecydowałem się użyć 2 wentylatorów, umiejscowionych po lewej i prawej stronie hotendu. Jest to dość popularne rozwiązanie w różnych drukarkach, i zdecydowanie prościej jest w ten sposób zapewnić równomierny obieg powietrza przy końcówce dyszy:

Jak widać na zdjęciu – wentylatory są przykręcone do spiczastych kominów, które z kolei są połączone z mocowaniem umieszczonym za hotendem. Mocowanie to jest przykręcone do spodu ekstrudera w miejscu oryginalnego nawiewu:

Same wentylatory, jak można wypatrzeć na zdjęciach, pracują na 12 V i mają moc 2.9 W. Są stosunkowo cienkie (15 mm) i mają sporą wydajność (wg dystrybutora jest to 23,78 m³/h). Nie były najtańsze – za 2 sztuki na tme.pl zapłaciłem nieco ponad 80 zł.

Żeby osłonić blog grzewczy przed powietrzem z wentylatorów wykorzystałem fragment arkusza PTFE (teflonu). Wyciąłem w nim otwór na dyszę i wcisnąłem go nad znajdujące się po bokach kominy:

Wykorzystanie teflonowej osłony nie jest konieczne, jednak przy mocnych wentylatorach poprawia kierunek ruchu powietrza i pozwala uniknąć spadku temperatury dyszy po włączeniu nawiewu. Arkusz PTFE 20 x 20 cm (grubości 1 mm) można kupić w internecie za kilkanaście zł.

Wydruki testowe

Sam projekt kominów razem z mocowaniem powstawał trochę metodą prób i błędów – i przed uzyskaniem ostatecznej wersji powstała masa próbnych wydruków. Wszystkie miały formę odwróconego, ściętego stożka ze ściankami odchylonymi od poziomu pod różnymi kątami. Na skośnych powierzchniach przedmiotów można było zaobserwować różne zaburzenia struktury związane z lepiej lub gorzej działającym chłodzeniem. W dalszej części artykułu porównam wydruki z użyciem standardowego chłodzenia, oraz z wykorzystaniem nowego system z dwoma wiatrakami.

Wszystkie wydruki były wykonywane ze stosunkowo dużą prędkością 70 mm/s (poza pierwszymi warstwami, które były drukowane nieco wolniej, tak aby zachować minimalny czas stygnięcia warstwy ustawiony na 8 sek). Powstawały z podwójnym obrysem i 10-procentowym, kratkowym wypełnieniem. W celu przyspieszenia testów nie drukowałem w ogóle górnej płaszczyzny modelu. Wykonanie każdego z obiektów zajęło ok. 20 minut.

Wszystkie drukowane ścięte stożki miały dolną średnicę równą 24 mm oraz wysokość od 18 do 20 mm. Górna średnica zależała od stopnia nachylenia bocznej powierzchni – dla 3 różnych testów leżącej pod kątem 45, 40 i 35 stopni w stosunku do poziomu. Ogólnie w przypadku drukowania bez wsporników, im bardziej jakaś powierzchnia jest nachylona względem płaszczyzny poziomej, tym trudniej jest ją drukarce wykonać. Zazwyczaj przyjmuje się, że 45 stopniowe skosy w miarę dobrze wychodzą bez użycia dodatkowego materiału podporowego – dla większych przewieszeń często warto jest już zastosować support.

Już na najprostszym, 45 stopniowym stożku widać ogromną różnicę między stosowaniem pojedynczego nawiewu z tyłu drukarki (przedmiot oznaczony jako ORG), oraz podwójnego chłodzenia po obu stronach dyszy (wydruk NEW). Przy oryginalnym chłodzeniu przedmiot nie ma żadnych zniekształceń z tyłu oraz po bokach, jednak z przodu (czyli po przeciwnej stronie od nawiewu) widać dość mocne pofałdowania jego powierzchni związane z niedostatecznym chłodzeniem tej części wydruku. Z kolei przedmiot wykonany przy nowym chłodzeniu wyszedł bez żadnych defektów (pomijając szew idący z dołu do góry – nie związany w ogóle z kwestią chłodzenia). Przód modelu jest wskazywany kierunkiem strzałki. Wszystkie zdjęcia przedstawiają wydruki widoczne od spodu.

W przypadku silniejszego, 40-stopniowego przewieszenia sytuacja jest jeszcze bardziej kontrastowa. Pofałdowania powierzchni przy oryginalnym chłodzeniu są dużo mocniejsze i bardziej rozległe – podczas gdy wydruk z nowym chłodzeniem wygląda praktycznie idealnie:

Przy stożku o powierzchniach pochylonych pod kątem 35 stopni w stosunku do poziomu, przy oryginalnym chłodzeniu już cały obiekt wyszedł zdeformowany. Przy użyciu mocniejszego chłodzenia – przedmiot wyszedł bez żadnych problemów, z wyjątkiem jednego miejsca (z przodu na szczycie obiektu) gdzie plastik zaczął minimalnie zawijać się do góry.

Większych skosów już nie udało mi się wycisnąć z drukarki – próba wydrukowania 30-stopniowego stożka już z nowym chłodzeniem zakończyła się kompletną klapą, przypominając wcześniejsze wydruki z użyciem pojedynczego wentylatora:

Warto zaznaczyć, że wykonanie takich skosów bez materiału podporowego jest dla drukarki naprawdę trudne – przy tworzeniu kolejnych warstw zewnętrzny obrys obiektu praktycznie nie ma się o co oprzeć i ma jedynie szansę przykleić się do obrysu bliżej środka przedmiotu (przy mniejszych skosach filament jest częściowo podparty niższą warstwą).

Bardzo mnie ciekawią przyszłe efekty drukowania “zwykłych” przedmiotów przy zastosowaniu nowego systemu chłodzenia. Do tej pory wykonałem jedynie zestaw segmentów macek dla ośmiornicy – z czym wcześniej nie mogłem sobie poradzić. Już przy ustawieniu nowych wentylatorów na 60% mocy o żadnym zawijaniu się filamentu nie było tu mowy:

Pliki STL są dostępne na Thingiverse (Cooling fan duct for Monkeyfab Prime3D), tak więc każdy użytkownik Prime’a, któremu nie wystarcza standardowe chłodzenie może wypróbować rozwiązanie z dwoma wiatrakami. Osobom, które nie potrzebują aż tak mocnego nawiewu polecam przynajmniej wymienić standardowy wentylator przykręcony za ekstruderem na coś nieco mocniejszego. Przy zwróceniu uwagi na kilka parametrów druku (o których niedawno pisałem), może dać to całkiem dobre rezultaty.