Ich bin wieder in einer meiner 'theoretisier und philosophier' Phasen.

Anlässlich der Master-Arbeit der Uni Perm in Russland, die anwofis in diesem Beitrag aufbrachte (Master-Arbeit selbst, siehe hier), musste ich mir Gedanken machen, was diese Arbeit eigentlich erreichen wollte. Im Gegensatz zu der Einleitung, wo der menschliche Eingriff als ‚schädlich‘ (harmful) deklariert wurde, behandelte die Arbeit bloß die Heizung des Extruders, und auch da wurde nur eine induktive Heizlösung untersucht.

Also liegt es an der Heizung, interpretiere ich einmal frei von der Leber. Gut, damit kann ich sicherlich besser leben als mit dem (vermutlich irrtümlicherweise) angegebenen menschlichen Einfluss.

Damit kommen wir wieder ins Sinnieren…

Was soll die Heizung im Idealfall?

1. Das Material auf die optimale Verarbeitungstemperatur bringen.
2. Und das in möglichst kurzer Zeit. (Das heißt aber auch: ‚ohne es zu lange auf Temperatur zu halten‘.)
3. Und ohne das Material zu schädigen (z.B. durch Überhitzung, oder auch: siehe Nachsatz in der vorigen Zeile).
4. Das Material in der Übergangszone so weit erwärmen, dass sich der notwendige Pfropf bilden kann.

Variablen, mit der die Heizung zu kämpfen hat:

1. Kunststoffe sind generell schlechte Wärmeleiter.
2. Einen ungleichmäßigen Materialfluss während des Drucks (einmal wird viel gefördert, dann wieder fast nichts).
3. Unterschiedliche Wärmeleitwerte der eingesetzten Materialien. Zum Beispiel leiten BrassFill oder Kohlefaserfilamente die Wärme sicherlich besser als reine Kunststoffe, aber auch die Pigmente, selbst, beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit in einem gewissen Maße innerhalb einer Materialklasse.
4. Fehlende oder kaum vorhandene Konvektion in der Heizkammer (Konvektion ist die natürliche Durchmischung durch Temperaturunterschiede).

Wie sieht das übliche Hot End aus?

Es gibt dutzende Hot End Varianten, mittlerweile. Aber die meisten sind prinzipiell ähnlich aufgebaut:
Eine recht lange/tiefe Bohrung, etwas größer als der Filamentdurchmesser.
Im unteren Bereich eine Heizung, mittels Temperatursensor überwacht.
Am unteren Ende eine austauschbare Düse, die der Zugänglichkeit halber recht frei steht.
Aus der Sicht des Filaments besteht diese lange Bohrung aus drei Bereichen

1. Der kalte Bereich (Cold Zone), wo das Filament noch völlig fest ist. Dieser Bereich muss natürlich nicht wirklich ‚kalt‘ sein, das Filament könnte knapp an die 50° warm sein, ohne seine Festigkeit drastisch einbüßen zu müssen.
2. Der Übergangsbereich (Transition Zone), wo das Filament seine Festigkeit zu verlieren beginnt, und sich, als Folge des Drucks und Gegendrucks, zu stauchen beginnt. Das ist nicht unwichtig, denn der aufgestauchte Pfropfen dichtet nach oben hin ab und verhindert, dass verflüssigtes Filament nach oben ausweicht.
3. Die Schmelzkammer selbst (Hot Zone), in der das Material beinahe oder völlig flüssig ist (zumindest hat es eine sehr niedrige Viskosität). Die Düse bildet hier das untere Ende des Systems, wo schließlich das Material (möglichst kontrolliert) austreten soll.

Manche Hot Ends sind gänzlich aus Metall, einige verwenden einige Kunststoffelemente zusammen mit Metallteilen. Jede Konstruktion hat seine Vor- und Nachteile.

Eine der Nachteile, die (fast?) alle Systeme innehaben, ist die fehlende, sofortige Temperaturregelung des heißen Bereichs, der Schmelzkammer. Alle üblichen Systeme verwenden inzwischen häufig ‚Huckepack-Heizungen‘, die von außen die Schmelzkammer erhitzen. Zum Einsatz kommt hier meist ein massiver Alu- oder Kupferblock, in der eine Heizpatrone montiert ist. Durch die Konstruktion selbst, die thermische Masse des Heizblocks, ergibt sich eine thermische Hysterese, die eine sofortige Regelung behindert und verzögert. Wird die Heizung abgeschaltet, dauert es einige Zeit, bis die überschüssige Wärme aus dem Heizblock aufgebraucht wurde (zum Beispiel durch Abstrahlung oder durch Erwärmung frischen Filaments). Wird die Heizung eingeschaltet, vergeht ebenfalls etwas Zeit, bevor die Schmelzkammer, und schließlich das Filament selbst, was davon ‚mitbekommt‘.

Ich glaube, die oben zitierte Master-Arbeit zielte auf eine Minimierung dieser Hysterese indem die thermische Masse des Hot Ends durch den Einsatz einer induktiven Heizung reduziert wird.
Falls jemand jahrelang einen ‚konventionellen Herd‘ (Halogen oder ähnlich) in Verwendung hatte, und dann auf einen induktiven Herd gewechselt hat, wird das leicht nachvollziehen können.

Die Düse in der Master-Arbeit sieht so aus (die Originalzeichnung ist nur eine Schnittzeichnung – hier wurde diese kopiert & gespiegelt):Die Düse selbst ist der innerste, zylindrische Teil. Etwas mehr als die untere Hälfte ist von der Induktionsspule umgeben, dann weiters von irgendeiner Abschirmung (vermutlich).
Die Schmelzkammer in der Düse ist beinahe 22mm lang.
Ungefähr im Bereich des Heat Breaks (dem unteren Einschnitt in der Düse) wird sich eine recht kurze Übergangszone ausbilden, die kaum länger als die Nutbreite sein wird.
Insgesamt ist weit weniger Metall im Erwärmungsprozess beteiligt als in ‚konventionellen‘ Designs, da der Heizblock samt Heizpatrone fehlt. Dadurch könnte das System rascher reagieren, sowohl bei der Abkühlung als auch beim Heizen.

Leider wird bei dem gezeigten System der Düsenwechsel schwierig. Wenn überhaupt, müsste die (sehr lange) Düse nach unten hin entfernt werden. Vermutlich müsste die induktive Heizung mit gewechselt werden, wenn diese auf die Düse 'eingestimmt' werden muss.

Die Düse erinnert mich ein wenig an die Düse meines ersten Druckers, eines Mendels. Jedenfalls hat mich das Thema nachdenklich gestimmt.
Wie kann ich, mit unserem ‚konventionellem‘ System, die Hysterese des Heizsystems herabsetzen? Würde das was bringen? Kann man auf eine andere Art das System verbessern und/oder die Nachteile minimieren?

Demnächst geht es hier weiter.

mjh11

Kommen wir zurück zu den Punkten, die eine Heizung leisten muss (aus dem vorigen Beitrag):

Einmal das Material in möglichst kurzer Zeit auf die optimale Verarbeitungstemperatur bringen.

Das wird meist durch eine ordentliche Heizleistung erreicht. Diese ist eigentlich überdimensioniert. Es werden für 3D Drucker Heizpatronen bis zu 40W angeboten (und auch eingebaut). Wenn ich an mein Lötkolben denke, der ‚nur‘ 12W benutzt, jedoch tadellos bleifreien Lötzinn im selben Temperaturfenster zum Schmelzen bringt, wie unsere Drucker das Filament.
Ich höre schon die ersten, die argumentieren, dass hier ganz andere Mengen im Spiel sind. Mag sein. Rechnen wir einmal:

• Raupenbreite 0.5mm (Düse = 0.5mm)
• Layerhöhe 0.20mm
• Geschwindigkeit 40mm pro Sekunde (für einige im Forum gilt das als schon recht ‚flott‘)

Diese Werte zusammen ergeben 4mm³ pro Sekunde Filament, dass vom festen in den flüssigen Zustand gebracht wird. Das entspräche einer Länge von ungefähr 5mm Lötzinn (mit 1mm Durchmesser), dass pro Sekunde durch meinen Lötkolben verflüssigt werden müsste – klingt machbar. Von der Leistung her sind wir zumindest in der Nähe.

Also, ich wiederhole, die Heizung ist oft überdimensioniert. Der Grund dürfte das Argument sein, dass das Filament in möglichst kurzer Zeit auf Temperatur gebracht werden sollte.

Damit nimmt man einige Nachteile in Kauf. Besonders die Gefahr der Überhitzung des Filaments. Diese findet durch die rasche Erwärmung statt, die durch die hohe Heizleistung ermöglicht wird.
Hier ein 'typischer' Heizblock: Wenn der Temperatursensor ungünstig platziert ist, kann ein Teil der Schmelzkammer bereits eine überhöhte Temperatur erleben, bevor es der Sensor (Thermistor) ‚merkt‘ und die Heizleistung drosselt.


In diesem Heizblock ist der Thermistor (I) recht weit von der Heizpatrone (II) untergebracht.Die Lage des Thermistors dürfte zwar unmittelbar neben der Schmelzkammer sein, bloß auf der gegenüberliegenden Seite der Heizpatrone (siehe gelb-skizzierte Bohrung). Durch die Masse des Heizblocks steigt die thermische Hysterese einerseits, andererseits kann der Bereich der Schmelzkammer, die der Heizpatrone zugewandt ist, um einige Grade heißer sein, als der Thermistor anzeigt.

Meiner Meinung nach ist die Gefahr einer zu hohen Temperatur eher gering, zumindest bei PETG, TPE und PLA, die Materialien, mit denen ich die meiste Erfahrung habe. Beim Druck eines Materials variiere die Temperaturen oft um bis zu 15°, ohne dass es zu gröberen Problemen kommt. Ich schätze, dass die Heizsysteme der meisten Hot Ends locker weit innerhalb dieser Bandbreite die Temperaturen zu regeln imstande sind. Damit könnte es sich hier, bei der Gefahr der Überhitzung, nur um ein theoretisches und kein echtes Problem handeln.

Eine weitere Forderung an die Heizung war, das Material nicht zu lange auf Temperatur zu halten, da viele Kunststoffe darunter leiden.
Ich bin kein Chemiker oder Kunststofftechniker, aber das scheint plausibel.

Diesem Problem zu begegnen, wird recht schwierig. Möchte ich das Material möglichst kurz der Verarbeitungstemperatur aussetzen, muss ich die Größe der Schmelzkammer reduzieren. Reduziere ich die Schmelzkammer, laufe ich Gefahr, bei einer plötzlichen Zunahme des Materialbedarfs nicht genügend Material mit der geforderten Temperatur bereitstellen zu können. Dieser Gefahr könnte man begegnen, indem wir die Heizleistung erhöhen, mit den möglichen damit verbundenen Gefahren (siehe weiter oben).

Wäre das alles kein Problem, könnte man im extremsten Fall die Schmelzkammer nur mehr auf die Größe der kleinen Bohrung in der Düse reduzieren. Das ist noch Utopie und wird zurzeit nicht machbar sein. (Man denke hier an einige Tintenstrahldrucker. Da werden bei vielen Modellen die mikroskopisch kleinen Tröpfchen aus der Düse ‚geschossen‘ indem ein Teil der Tinte in der Düse durch rasches Erwärmen zum Kochen gebracht wird. Wenn man weiß, wie klein da die Düsen sind und wie schnell 'geschossen' wird….).

Im nächsten Beitrag geht es mit einer Idee weiter, wie man hier vielleicht weiterkommt.

mjh11

PERM Induktionshotend

@mjh11
Super resumee, danke !
Mir scheint, dass die Arbeit von Perm etwas genauer durchleuchtet werden müsste um die Möglichkeiten eines induktionsgeheizten Hotends
zu verstehen. Leider sind ein paar wichtige Punkte nicht erwähnt, so etwa die Kühlung , die Temperaturregelung etc. Ein allgemein brauchbares Hotend ist das in der Masterarbeit beschriebene Ding natürlich nicht. Damit das in der Praxis funktioniert , ist noch viel Schweiss und harte Arbeit notwendig.

Ziel wäre es, ein leichtes Hotend mit kleiner Hysteresis und kurzer Aufheizzeit zu konstruieren welches auch für eine grosse Auswahl an Druckmaterialien bei höheren Temperaturen geeignet ist.
Zum besseren Verständnis habe ich eine grafische Zusammenfassung gemacht welche die wichtigsten Elemente des Perm -Induktionshotends darstellt.
U,a auch die optimierte Version welche in 4 sec aufgeheizt ist und einen ziemlich homogenen Verlauf der Temperatur im Extruder aufweist ( längs).
Das Hauptproblem einer praxistauglichen Ausführung dürfte die schnelle Temperaturmessung bzw. Regelung sein. Da ist die Ausbildung der Düse bzw. ihre anwendungsgerechte Form noch das wenigste.
Was mir auffällt, ist die Tatsache, dass kein kommerzieller Drucker mit einer Induktionsheizung ausgerüstet ist. Zu teuer, zu kompliziert ?
Traut sich da einer unserer developer an eine vertiefte Untersuchung ?

ciao Georg

Danke Georg,

Mir war der Zweck der äußersten Hülle nicht klar. Deiner Meinung nach könnte es sich hier also um einen 'Konzentrator' (Verstärker?) des Magnetflusses handeln?

Durch deine Gegenüberstellung merkte ich auch, dass der Heat Break (die Nut) in der optimierten Version breiter wurde als ursprünglich verwendet.

Ein möglicher Nachteil einer induktiven Heizung: Falls das Niro im Nirosta-Filament martensitisch ist, würde es sich dafür nicht eignen, da es magnetisch ist und ebenfalls aufgeheizt werden würde.

mjh11

Hi mjh11

Ich denke, dass derart kleine Partikel im Filament nicht zu einer Erhöhung der Temperatur desselben führen
selbst wenn sie zb. 10% im Kunststoff ausmachen.
Mittlerweile habe ich auch den Grund herausgefunden wieso kein induktionsgeheiztes Hotend auf dem Markt ist.
Das US Patent 9.596.720 B2 von Sterling, Chilson, English vom 14. März 2017 verhindert das.

ciao Georg

Na, da wäre das Material vermutlich unten durch...
Da sind wir bei 90 % Edelstahl-Anteil und 10 % Trägermaterial...

Aber ich schätze, dass ist und bleibt eher die Ausnahme, obwohl es eine Enorme Güte gegenüber den
Herkömmlichen Verfahren anscheinend aufweist... Aber ohne Edelstahl Antriebsritzel und am besten
Saphire-Düse nicht wirklich zu empfehlen (Edelstahldüse geht zwar, aber die Saphire ist deutlich besser
in Sachen Wärmeleitfähigkeit...). Ob langlebiger wird sich zeigen - der Saphire mit Sicherheit, aber der
Sitz der Düse muß das ja auch überdauern... Getreu dem Motto "Der beste Kiefer nützt nichts, wenn kein
Zahn mehr drin steckt..."

Gruß, Christian

Ja, Christian/Digibike hat recht. Bei den Niro-Filamenten, die für das spätere Sintern vorgesehen sind, ist der Metallanteil >80%. Handelt es sich dabei beim eingesetzten Stahl um martensitisches Material, würde sich dieses unkontrolliert erhitzen.

Es gibt sogar explizit magnetisches Material (z.B. hier). Das würde definitiv Probleme bereiten.

Bei anderen Sorten (hier, beispielsweise) ist nicht eindeutig, ob es sich um Material handelt, dass magnetisch reagiert.

Bei den Filamenten, die nicht für das Sintern vorgesehen sind, ist nicht angegeben, wie hoch der Metallanteil ist. Basierend auf dem BrassFill, das ich habe, wird es schon zwischen 25% und 40% liegen.

mjh11

Hmmmm...

Wie schaffe ich es, das Material in kurzer Zeit zu erhitzen, ohne es zu stark zu erwärmen, und es gleichzeitig möglichst kurz bei der Verarbeitungstemperatur halten zu müssen?

Einfach mit der Heizleistung hoch zu gehen birgt die vorhin genannten Gefahren. Die Schmelzkammer zu verkleinern bringt ebenso eigene Risiken mit sich.

Die Idee     

Meine Idee basiert auf der Annahme, dass die meisten eingesetzten Materialien umso weniger ‚leiden‘, je niedriger die Temperatur ist. Wobei die mögliche Lagerzeit bei einer bestimmten Temperatur, ohne signifikante Schädigung des Materials, nicht linear ist.
Das heißt, wäre beispielsweise ein Material bei Zimmertemperatur ewig haltbar und bei 280° nur mehr maximal 10 Sekunden, bedeutet das noch lange nicht, dass es bei der ‚halben‘ Temperatur von (280-20)/2 = 130° nur ‚doppelt‘ so lange haltbar wäre (also ca. 20 Sekunden), sondern es könnte eventuell sogar noch tage- oder wochenlang, ohne Schaden zu nehmen, gelagert werden. (Ich hoffe ich habe das verständlich ‘rübergebracht' ). Jedenfalls ist dieses Temperaturverhalten nicht linear.

Daher glaube ich, dass man sehr wohl das Volumen der Schmelzkammer deutlich reduzieren könnte, wenn man eine getrennt gesteuerte ‚Vorkammer‘ einsetzt, die das Material gerade auf die notwendige Temperatur hält, die für die Bildung des ‚Pfropfens‘ notwendig ist. Also eine eigens gesteuerte ‚Übergangskammer‘. Diese hätte eine Temperatur in der Gegend von 130°-150°.
Das Material ist damit schon vorgewärmt und die Schmelzkammer kann entsprechend verkleinert werden, da das Material nicht mehr von Zimmertemperatur auf die Verarbeitungstemperatur erwärmt werden muss, sondern deutlich weniger. Also beispielsweise statt von 25° auf 225°, einem Delta von 200°, nur mehr von 140° auf 225°, einem Delta von bloß 85°. Das muss doch was ausmachen, oder?
Man könnte sogar eine ziemlich großzügige Heizleistung für diesen zusätzlichen Bereich vorsehen, ohne die Gefahr der Überhitzung, da die Temperatur deutlich unter dem Gefahrenbereich liegt.

Hier eine erste Idee:

• Der kupferfarbene Block ist für die Schmelzkammer zuständig. Die Schmelzkammer befindet sich zu einem Großteil in der austauschbaren Düse.
• Der messingfarbene Block wäre für die Übergangszone zuständig mit eigener Heizpatrone und eigenem Thermistor.
• Darüber ist schon das Cold End des Hot Ends, mit Kühlrippen zur zusätzlichen Wärmeabfuhr.

Die kleinen Bohrungen in den Heizblöcken sind für die Temperatursensoren vorgesehen.
Zwischen den drei Bereichen ist jeweils ein Heat Break, der den ungewollten Wärmeübergang vermindern soll.
Im Schnitt sieht es so aus:Die Düse, mit ihrem konischen Sitz, erzielt (hoffentlich) einen guten Wärmeübergang zum Heizblock (evtl. mittels Wärmeleitpaste).

Nicht gut ersichtlich ist, wie die Düse verschraubt wird. Nachdem die Düse sehr stark im Heizblock integriert wird, wird es mit einem gewöhnlichen Maulschlüssel schwierig. Daher sieht eine mögliche Lösung so aus:Diese Kopfform nennt sich ‚Spanner‘ 2-Loch, intern, glaube ich. Hier noch zwei Links Link1,Link2.

So wer übernimmt die Kickstarter Kampagne und beginnt so was zu fertigen?

Spaß beiseite.

Damit so was funktioniert, muss die Hardware und die Firmware eine zweite Heizung unterstützen, inklusive Thermistor. Alle, die ein Dual-System ihr Eigen nennen (also RF2000 Besitzer), hätten zumindest die Hardwarevoraussetzungen für EIN Hot End. Aber die Firmware unterstützt das nicht unbedingt. Kann da einer mit Erfahrung was hier beitragen?
Ich denke mir, wenn ich dem Slicer erzähle ich hätte 2 Extruder und der zweite Extruder soll 145° heizen (und in Wirklichkeit ist das der zweite Heizblock des ersten {und einzigen} Extruders), werden da die 145° während des gesamten Drucks beibehalten? Auch wenn kein Filament vom zweiten Extruder jemals gefördert wird? Wenn JA, könnte jemand mit einem Dual-System diese Idee spielend testen, ein entsprechendes Hot End vorausgesetzt, natürlich.

Noch offene Fragen:

• Wie groß muss die 'Übergangskammer' sein, um den Materialfluss zu garantieren?
• Wie groß darf diese Kammer höchstens sein, um den Förderwiderstand nicht unnötig zu erhöhen? (Der Förderwiderstand dürfte sich ziemlich linear mit der Länge des Pfropfens ändern - doppelt so langer Pfropfen, ungefähr doppelter Förderwiderstand.)
• Wie klein kann die Schmelzkammer werden, wenn die ersten zwei Fragen beantwortet wurden?
• Wie wirkt sich das System auf den Retract aus? (Wird dieser kleiner oder größer werden müssen?)
• Macht eine Kartuschenheizung für die Schmelzkammer überhaupt Sinn, wenn diese so klein wird? Da muss man den Heizblock wieder so groß machen, dass die Hysterese unnötig steigt.
• Wer liest überhaupt noch so einen langen Text?
• Interessiert das jemand überhaupt?

Die Diskussion über Vor- und Nachteile sowie erwarteter Probleme kann beginnen!

mjh11

STEP-Dateien der Komponenten kann ich beisteuern, wenn alle Verbesserungsvorschläge eingearbeitet wurden (ich habe selbst noch welche).

Was mir konstruktiv inzwischen wichtig ist, wäre ein extrem kurzer und rutschiger Weg bis in die Heizzone. Im Extremfall ist es dann mehr und mehr egal ob man Flex oder PLA druckt.

Was mir bei den Full-Metal so gefällt ist die gute Steuerbarkeit.
Dagegen ist im Vergleich das V2 sehr viel schlechter weil so viele Matrerial-Übergänge mit evtl. leichtem Versatz überwunden werden müssen bis das material ganz unten ist. Damals hats ja viel gebracht das V2 oben zu kühlen, weil dann das Material nicht mehr vor dem eigentlichen Schmelzbereich warm + weich wurde. Das Problem habe ich heute nicht mehr.
Bei mir reicht das Teflon vom Ritzel bis ins Heatbreak knapp über der Heatbreak-Zone. (E3D Heatbreak Type mit M6 und oben M7 mit ID3 OD4 Teflon Inliner)

LG

Hallo zusammen.
Aus meiner Erfahrung,
möchte ich die Größe der Schmelzkammer als maßgebend bezeichnen.
@ rf1k_mjh11, deine Analyse geht nun in die richtige Richtung.

Als Beispiel möchte ich das Extrusion Holblasen anführen.
Bitte die Extrusionseinheit einer Spritzgussmaschine außer Acht lassen.

So ein Extruder von der industriellen Produktion zeigt uns den richtigen Weg.
Leider sind wir im Miniaturbereich und wir müssen Kompromisse eingehen.
Das erste E3D V6 (China Klon), habe ich schon mal gebunkert.
Natürlich werde ich mit dem Ding nicht nur drucken.
Es wird auch nicht nur bei dem Einen bleiben.
Die Vielfältigkeit der Manipulation ist weitaus größer, wie mit dem V2.

Hier meine persönlichen Vorgaben, die ich mir selber bestätigen möchte:

• Schmelzdrahtdurchmesser von 1,75 mm.
  Hierdurch wird der Materialdurchsatz um 3: 1 erhöht, im Verhältnis zum 3,0 mm Draht.
  Verkleinerung der Schmelzkammer auch in der Länge.
  Schlechtere Wärmeleitfähigkeit im Bereich der Schmelzkammer und gute Wärmeabführung zum Kühlkörper.
  Dazu eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit zur Düse.

Unter dem Strich möchte ich ein Delta T, Düse zur Schmelzkammer von 10 – 15 C° sehen.
Leider ist, wenn man das umsetzt wie ich mir es vorstelle, der Durchsatz der Schmelze maßgebend.
Geschwindigkeitsänderungen beeinflussen maßgebend das ganze System!
Sollte diese Versuche von Erfolg gekrönt sein, dann wird es wohl später so aussehen müssen:

• Die Düse bekommt aus PEEK eine ca. 3mm lange Verlängerung (Isolation).
  Die Düse bekommt eine zusätzliche Heizung.
  Ob man unbedingt die Düsentemperatur überwach muss, stelle ich noch in Frage?
  Ist Delta T Schmelzkammer zur Düse zu hoch, fliest die überschüssige Wärme zur Schmelzkammer einfach ab und wird von der dortigen Temperaturregelung verdaut.
  Dieses Verhältnis des Wärmeflusses, gilt es zu bestimmen.

LG AtlonXP