‘).appendTo(this.inner).click(function () { $(document).toggleFullScreen(); $.fancybox.toggle(); $(‘.fullscreen’).hide(); }); }, afterClose: function () { $(document).fullScreen(false); $(‘.fullscreen’).show(); }, scrolling: ‘yes’, helpers: { title: { type: ‘over’ }, overlay: {locked: false} } }); });
многих оставил неравнодушными. Появились как желающие стать владельцами такого же аппарата, так и ругающие его (впрочем — без конкретики, к сожалению).
И так, имеем:
В реале выглядит так:
Первоначальным дизайном был вдохновлен проектом
Даже нарисовал себе фанероида-лилипута на основании исходников этого принтера, после чего «переобулся» и сделал свой вариант в металле. Впрочем — от оригинала без изменений сейчас осталась только печатающая голова, очень рекомендую исходный проект — все хорошо продумано и реализовано.
Но вернемся к теме.
Т.к. с подготовкой стеклокерамической плиты для рабочего стола принтера меня подвели, в корпус был «вписан» столик 214х214 мм со стеклом Ultrabase. На консольных пластиковых навесах, да. Но это временно и по моим раздумьям они имеют все шансы быть реализованными в металле.
Для печати высокотемпературными пластиками (полиэфиримид PEI, возможно — PEEK) необходима высокая фоновая температура 70+ град.С. Температура стеклования PEI, насколько помню, составляет около +215 С, что требует прогрева рабочей поверхности до +150…+170 С.
Мой экземпляр MK3b имеет допустимую рабочую температуру до +180 С.
На какую температуру рассчитан 3M скотч крепления Ultrabase к нему, я не знаю ))) Да и саму ультрабазу вряд ли испытывали в подобных условиях. От себя могу только сказать — после 100+ часов печати сплавами ABS/PC с температурой поверхности +125 С поверхность этого стекла пошла деградировать (адгезия упала), сейчас иногда спрыскиваю ее 3D лаком.
При печати просто в закрытой камере на фанерном кубике размеров фоновая температура не превышала +50 С, и температура поверхности стола была ограничена в +125 С (но выше 132 С мне и не получалось вывести).
Просчитаем тепловой баланс с этим столом в новых условиях.
Имеем:
- потенциально закрытую камеру с вентилируемым подвалом и каналами шаговых двигателей XY и экструдера E0;
- стол MK3b с сопротивлением при +20 С в R1 = 1.5 Ом;
- площадь вентилируемых поверхностей:
— колодцы: F кол. = (130.4+113.9)*2 = 488.6 см2
— подвал: F подв. = 671.3 см2
ИТОГО: 1160.1 см2
- площадь невентилируемых поверхностей с естественной конвекцией (для расчетов принимаю высоту «колпака» предварительно в 60 мм):
— верхняя крышка: Fкр = 812.3 см2
— фронтальная поверхность: Fф = 964.8 см2
— боковые поверхности: Fб = 730.3*2=1460.6 см2
— задняя поверхность: Fз = 502.5 см2
ИТОГО горизонтальных: 812.3 см2
ИТОГО вертикальных: 2927.9 см2
- площадь греющего стола:
— верх: Fсв = 458 см2
— неутепленный низ: Fсн = 458 см2
Подвал и колодцы вентилируются двумя вентиляторами (предполагается так) 60х10 мм с потоком в 20.7 фут3/мин каждый, что составит суммарно максимально V = 0.0195 м3/с.
Плотность воздуха при 20 С составляет p = 1.17 кг/м3
Изобарная теплоемкость воздуха: Cp = 1.005 кДж / [кг*К]
Для расчета принимаем:
— температура рабочей поверхности: t1 = 170 C
— температура рабочей камеры: t2 = X
— температура окружающей среды: t3 = 20 C
Предварительно задаемся коэффициентами теплоотдачи от поверхности (можно принять справочно, можно посчитать по критериям Gr, Pr, Ar, Re, Nu, Ar и т.д., но я уже столько их в свое время насчитался, что часть помню наперечет):
— от горизонтальной невентилируемой поверхности вверх: a_г1 = 7.2 Вт/[м2*K]
— от горизонтальной невентилируемой поверхности вниз: a_г2 = 6.8 Вт/[м2*K]
— от и к вертикальной невентилируемой поверхности: a_в1 = 8.7 Вт/[м2*K]
— к горизонтальной обдуваемой (вентилируемой) поверхности: a_г3 = 20 Вт/[м2*K]
— к вертикальной обдуваемой (вентилируемой) поверхности: a_в2 = 25 Вт/[м2*K]
Составим уравнения теплового баланса.
Теплоотдача от стола к внутреннему пространству камеры:
Qс1 = (a_г1 * Fсв + a_г2 * Fсн) (t1- X) = (7.2 * 458*10^-4 + 6.8 * 458*10^-4)*(170 — X) = 109 — 0.6412 X [Вт]
Дополнительно в пространстве камеры будет обращаться в качестве источника дополнительной теплоты хотэнд максимальной мощностью 50 Вт. Для расчета возьмем теплопоступления от него в размере половины максимальной мощности
Qх2 = 50 / 2 = 25 [Вт]
ИТОГО теплопоступлений в рабочую камеру: Q = 134 — 0.6412 X [Вт]
Теперь определим теплопотери: из рабочей камеры к смежным пространствам:
Подвал и колодцы:
Потоковая теплоемкость поступающего в подвал воздуха составит:
Hвп = V * Cp * p = 0.0195 * 1.005*10^3 *1.17 = 23 Вт/К
Т.е. на каждые переданные потоку воздуха в подвале 23 Вт мощности он (поток) будет нагреваться на 1 градус С (или Кельвина).
в подвале расположен двигатель оси Z, плата управления с 4 драйверами ШД и блок питания на 360 Вт.
При потреблении от БП 80% его максимальной мощности и его КПД в размере 85% (пусть я буду оптимист), теплопоступления от него составят:
Qбп = 360 * 80% * (100% — 85%) = 43.2 Вт
Теплопоступление от двигателя Nema17 типоразмера 3402, приводящего в движение ось Z при токе удержания в 0.6 А оцениваю в:
Qшдz = 5 Вт
Теплопоступления от платы управления с драйверами примем в размере не более 10 Вт (с мануалами плохо).
Qпу = 10 Вт
Теплопоступление от двигателей Nema17 типоразмера 4408, приводящих в движение оси XY при токе удержания в 1.0 А оцениваю в:
Qшдxy = 15 Вт
Теплопоступление от двигателя Nema17 типоразмера 3402, приводящего в движение экструдер E0 при токе удержания в 0.6 А оцениваю в:
Qшдe0 = 5 Вт
Средняя температура воздуха в подвале подлежит определению, т.к. он нагревается всеми электронными компонентами и теплопередачей через стенку подвала с рабочей камерой.
Зададимся температурой воздуха на выходе из колодцев как Y, тогда:
Средняя температура воздуха в подвале/колодцах будет:
tп.ср. = (t3 + Y) / 2 = (20 + Y) / 2 = 10 + Y/2 [С]
Теплопередача от рабочей камеры к колодцам и подвалу составит:
— к подвалу: Qп = 1: (1/a_г1 + 1/a_г3) * Fподв. * (X — tп.ср.) = 1:(1/7.2 + 1/20) * 671.3*10^-4*(X — 10 — Y/2) = 0.3554 (X — Y/2) — 3.554 [Вт], сопротивлением теплопередаче стальной стенки в расчетах пренебрегаем;
— к колодцам: Qк = 1: (1/a_в1 + 1/a_в2) * Fкол. * (X — tп.ср.) = 1:(1/8.7 + 1/25) * 488.6*10^-4*(X — 10 — Y/2) = 0.3153(X — Y/2) — 3.153 [Вт], сопротивлением теплопередаче стальной стенки в расчетах также пренебрегаем.
Из уравнения теплового и материального баланса, нагрев вентиляционного воздуха будет также равен:
Qп + Qк = Qвозд = Hвп(Y — t3) = 23 (Y — 20) = 20Y — 460 =
= 0.3554 (X — Y/2) — 3.554 + 0.3153(X — Y/2) — 3.153 = 0.6707 X — 0.3354Y — 6.707
Отсюда берем равенство: 20Y — 460 = 0.6707 X — 0.3354Y — 6.70, выразим Y через X
Y = 0.03298 X + 22.29 [C]
Теплопередача от рабочей камеры через боковые и верхнюю стенки к окружающему воздуху:
Qокр = [1: (1/a_г1 + 1/a_г2) * Fкр + 1: (1/a_в1 + 1/a_в1) * (Fф + Fб + Fз)] * (X — t3) = [1: (1/6.8 + 1/7.2) * 812.3 + 1: (1/8.7 + 1/8.7) * (964.8+ 1460.6 + 502.5)] * 10^-4 * (X — 20) = [2840.7 + 12736.4]* 10^-4 * (X — 20) = 1.5577 X — 31.15 [Вт] , сопротивлением теплопередаче стальных и стеклянных (акриловых) стенок пренебрегаем.
ИТОГО суммарные теплопотери от тепловой камеры составят:
Q = [Qп + Qк] + Qокр = [0.6707 X — 0.3354Y — 6.707] + [1.5577 X — 31.15] = 2.2284 X — 0.3354 Y — 37.857,
подставив вместо Y ранее полученное выражение, получим:
Q = 2.2284 X — 0.3354 (0.03298 X + 22.29) — 37.857 = 2.2173 X — 45.333 [ Вт]
Согласно закона сохранения энергии (пока что его сильно не опровергли), теплопотери из камеры равны теплопоступлениям в нее же:
Q = 2.2173 X — 45.333 = 134 — 0.6412 X [Вт]
Отсюда X = 62.74 С
Расчетная температура внутри рабочей камеры составит около 63 град. С
Температура воздуха на выходе из подвала и колодцев составит: Y = 0.03298 X + 22.29 [C] = 25 [С], т.е. воздух, проходя через подвал и колодцы, будет нагреваться на 5 градусов.
Требуемая эффективная мощность греющего стола в установившемся режиме составит:
Qс1 = 109 — 0.6412 X = 69 [Вт]
Так как расчетами не учитывался коэффициент негерметичности (утечки горячего воздуха из рабочей камеры) и теплового излучения , примем его равным 1.5
Мощность нагрева стола составит: Qстола = 69 * 1.5 = 104 [Вт]
По опыту примерно так и есть — после выхода на режим в термостабилизированной камере нагрев стола работал примерно две трети времени.
Проверим возможность стола генерировать необходимую мощность.
Насколько помню, температурный коэффициент для меди в диапазоне до 150 градусов С составляет at = 0,004 [1/С]
Отсюда сопротивление стола при 170 С составит:
R2 = R1 (1 + at*(t1 — 20)) = 1.5*(1 + 0.004*(170-20)) = 2.4 Ом;
Требуемое напряжение для генерации такой мощности:
U = [R2 * Qстола]^0.5 = (2.4*109)^0.5 = 16.1 В
Иииииии… автор статьи:
— делает вывод о возможности избежать устройства отдельного нагрева для термостабилизации рабочей камеры путем использования рабочего стола заведомо бОльшей площади, чем требуется для построения;
— отправляется подбирать блок питания на 18 В мощностью в 400+ китайских Вт;
— искать эстетичные способы утепления рабочей камеры или внешней поверхности аппарата, ибо 60+ градусов — это и дофига, и расточительно в плане отопления помещения при работе оборудования.
Всем спасибо!
P.S.: Статья была создана не похвальбы для, а чтобы показать инженерный подход к созданию чего-либо, руководствуясь не только чувством интуиции, а подтверждая свои предположения расчетами. Хотя бы даже такими — сделанными на коленке, по памяти и не пользуясь справочниками.
