Зачем иметь нагревательные блоки на хотендах?

Я думаю, что идея состоит в том, чтобы не менять температуру быстро. Вы хотите, чтобы он поддерживал определенную температуру, чтобы у вас был постоянный поток. Дополнительная масса на горячем конце обеспечивает массу, необходимую для поддержания тепла. Если вы не поддерживаете температуру во время печати, у вас будет несогласованный поток филамента, что испортит вашу печать.

Давайте посмотрим на элементы и на то, что они делают:

Нагревательный картридж (синий) - это устройство, которое преобразует электрическую энергию в тепловую, чтобы расплавить пластик. 30 и 40 Вт являются общими.

Термосенсор (красный) предназначен для обратной связи с материнской платой.

Путь нити накала (золото) в этой области состоит из сопла и теплового разрыва, он содержит зону плавления.

Блок нагревателя (прозрачный зеленый) является креплением для всех деталей. Он также действует как среда для передачи тепловой энергии от нагревателя Cartridge к термодатчику и пути накаливания. Он также действует как демпфер для цепи управления.

Теперь давайте сложим все вместе и опустим провода и холодный конец (а также внутреннюю геометрию траектории нити, потому что я ленив):

Теперь конструкция дает нам несколько причин для формы блока нагревателя:

• Простота конструкции. Взять простой блок и добавить пару отверстий и один разрез позволяет очень быстро производить.
• Максимальная поверхность контакта. Чтобы получить максимальную поверхность контакта с патроном нагревателя, блок нагревателя должен контактировать по всей его длине, диктуя минимальный размер в 2-м направлении. То же самое относится и к термосенсору.
• Блок нагревателя передает температуру в значительной степени радиально от картриджа нагревателя. Поскольку это металл, градиент между областями очень мал, но он измерим. Это были бы линии теплового эквивалента при нагреве:

Вы можете легко заметить, что температурные линии кажутся более прямыми, когда они приближаются к пути нити и термосенсору. Это помогает придать нити в теплозащите и сопле более равномерный нагрев и лучшую печать.

Макет, который я сделал, имеет преднамеренный недостаток: изменение температуры сначала влияет на нить накала, а затем появляется на датчике, заставляя температуру в пути нити колебаться до крайности. Блок обогревателя действует в значительной степени как передатчик так же, как и замедление времени между командой нагрева и датчиком.

Поскольку такое расположение не очень хорошо, давайте поменяем датчик и путь филамента и посмотрим на те же линии.

Теперь у нас есть гораздо более короткий контур обратной связи, что позволяет нашему принтеру быстрее реагировать на изменения температуры, и путь нити также нагревается более равномерно. Температура внутри пути нити изменяется меньше вокруг целевой температуры. Весь блок теперь действует в основном как распределительная среда, но также и как хранилище тепловой энергии:

До этого момента мы не учитывали очень простой факт: hotend отводит тепловую энергию через две области:

• Наружная поверхность нагревательного блока излучает тепло в воздух.
• Нить накала расплавляется и экструдируется.

Фактор 1 прост, и здесь больший блок нагревателя на самом деле положителен: тепловая емкость "хранилища" зависит от объема, поэтому идет с $xyz \approx a^3$. Поверхность, от которой излучается тепло, идет с $2\times(xy+xz+yz)\approx 6\times a^2$. Построение графика этого показывает нам закон квадрата-куба: увеличение емкости для одного блока увеличивает поверхность только на долю этого, поэтому хранение становится лучше, чем больше блок нагревателя.

Фактор 2-это то, почему мы должны иметь накопление тепловой энергии в первую очередь: поток филамента не является точно таким же все время. Конечно, у нас есть моменты равномерного потока, но у нас также есть моменты низкого или нулевого потока, когда принтер перемещается между частями печати. Это изменение стока тепловой энергии из блока нагревателя означает, что если бы мы опустились до минимального размера, мы бы быстро нагревали блок, когда мы находимся в движении, и охлаждали бы по мере начала экструзии, пока равновесие не будет достигнуто снова. Чем больше тепловой мощности для хранения энергии, тем меньше отсутствие экструзии сразу же повлияет на печать и тем более равномерная температура будет в пути нити.

Быстрая печать?!

Как достигается более быстрая печать с помощью специального хотенда? Итак, в хотендах, предназначенных для очень быстрой или очень горячей печати, используются 4 фактора:

• Более длинный и мощный нагревательный картридж.
• Более длинный путь нити.
• Очень большой нагревательный блок, чтобы выровнять изменения температуры при экструзии больше.
• Изолируя блок обогревателя от воздуха.

Одним из главных примеров будет e3D-вулкан.

Нагревательные блоки используются на горячих концах, поскольку они являются современным инженерным компромиссом между конструктивными факторами стоимости, надежности, срока службы, технического обслуживания и производительности.

В идеале не было бы блока нагревателя, нагреватель имел бы бесконечную мощность, сопло мгновенно нагревалось бы и охлаждалось при передаче тепла филамента, а температура расплавленного пластика измерялась бы мгновенно.

Но поскольку это инженерия, а не магия, ни одно из этих условий не является идеальным. Инженерная проблема состоит в том, чтобы найти правильный компромисс.

Каждый из них может рассматриваться отдельно. Как мы измеряем температуру пластика? Предположим, что у нас есть крошечная термопара в пластиковом потоке. Почему термопара? Потому что он меньше по размеру, менее подвержен допускам при изготовлении и подходит для более высоких температур.

Представьте себе нагреватель, в котором нагревательный провод образует резьбу, в которую ввинчивается сопло, а также где сопло имеет более тонкие стенки, чтобы уменьшить тепловую массу сопла. Кроме того, сопло изготовлено из алмаза, теплопроводность которого почти в десять раз превышает теплопроводность латуни. Да, обрабатывать алмазы непросто, а поставки достаточно крупных алмазов ограничены, но мы пока стараемся не идти на компромисс.

В этой схеме нет блока нагревателя. Мы мгновенно узнаем температуру пластика и можем сбрасывать большое количество тепла в систему, чтобы получить достаточно высокую температуру. Мы все еще должны удерживать сопло на месте и соединять его с источником нити (обычно это "тепловой разрыв"), поэтому давайте сделаем его из термоизоляционной керамики, чтобы он не участвовал в процессе теплопередачи.

Благодаря этому у нас есть горячая точка, где мы могли бы иметь большой контроль. Мы непосредственно измеряем важный для нас параметр-температуру пластика. Мы можем быстро доставить тепло. Когда скорость экструзии увеличивается, температура немного падает, и мы сбрасываем больше тепла. Термопара хрупкая (не пытайтесь тянуть на холод) и подвержена износу. Насадка очень дорогая и ее трудно изготовить.

Хорошо, переместите термопару снаружи наконечника сопла. Теперь у нас есть нагреватель, плотно обернутый нитями сопла. Это, вероятно, трудно сделать, поэтому давайте использовать обычный нагревательный картридж, который находится очень близко к резьбе сопла. Давайте поставим столько нагревателей, сколько сможем упаковать рядом с нитями. Если мы расположим нагреватели под углом, они не будут ударяться друг о друга, поэтому предположим, что мы можем разместить четыре нагревателя на расстоянии вокруг сопла. Больше тепла, меньше расстояние от источника тепла до сопла. Сделайте этот новый тепловой блок из серебра, как и сопло. Серебро обладает на 80% более высокой теплопроводностью, чем алюминий. (Или мы могли бы использовать алмаз, но на самом деле, у кого есть такие большие бриллианты?)

Я предполагал, что термопара измеряет температуру сопла, и она достаточно мала, чтобы она могла пристроиться в небольшом доме в сопле. Мы могли бы использовать термистор, запрессованный в отверстие в насадке, но опыт показал, что термисторы хрупкие. Мы обнаружили, что крошечные стеклянные бусинки склонны либо к разбиению стекла, либо к отделению от тонких проводников. Электроника для измерения температуры с помощью термистора проще и дешевле, чем термопара, и, по-видимому, имеет достаточно хорошее разрешение, точность и диапазон температур. Если мы последуем этому опыту, мы упакуем термистор в корпус картриджа, который будет проще и надежнее размещен и защитит термистор от повреждений. Но картридж слишком велик, чтобы соединяться непосредственно с соплом, поэтому мы поместим его в один блок с нагревателями. В конце концов, они серебряные и очень хорошо проводят тепло.

Это может быть лучшим хотендом, чем обычная система. Он нагревается быстрее и точнее измеряет температуру пластика. Но есть и проблемы. Серебро тяжелее, и четыре нагревателя и их проводка имеют больше массы, чем один. И отверстия для картриджей нагревателя расположены в разных плоскостях, поэтому их обработка обходится дороже. И цена за серебро может быть фактором. Серебро стоит (сегодня) \215 долларов за фунт, где алюминий составляет 0,80 доллара за фунт.

В этом ответе я попытался показать, как нагревательные блоки полезны для подключения тепла от нагревателей к соплу, и показать, что существуют альтернативы с возможно лучшей производительностью, но проблемами с надежностью или стоимостью.

Правка: В комментарии ОП спрашивает, почему мы не убираем лишний материал, который не требуется для подвода тепла к соплу, и правильно поднял вопрос о стоимости. Также может возникнуть проблема с производительностью.

Обычный нагреватель находится только на одной стороне сопла. Когда нагреватель охлаждается филаментом, он отводит тепло со всех сторон. Тепловая масса на ненагретой стороне обеспечивает стабильность, обеспечивая источник тепла, из которого может извлекаться сопло.

Со стороны нагревателя следует учитывать фактор передачи тепла от нагревательного картриджа к блоку нагревателя. Удаление дополнительного материала должно быть оценено, чтобы убедиться, что оно не увеличивает тепловое сопротивление нагревателя остальной части блока и термистора. Это важно для обеспечения термостабильности, а также для обеспечения того, чтобы нагреватели не перегревались сами по себе.

Для значений теплопроводности я использовал этот справочник. Что касается ценообразования на металлы, я использовал Google, чтобы найти спотовые цены на металлы на 3/6/2019.