OVK01 Fusion360を使った熱解析 [OVK01]
現状のホットエンド構成において、バレルにPTFEチューブを入れずにオールメタル化した場合、どの様な温度分布になるかをFusion360でホットエンドをモデリングして熱解析でシミュレーションしてみました。
20mm x 20mm x 10mmのアルミ製ヒートブロックはφ6長さ20mmのヒーターから14Wの発熱指定でおおよそ235℃、18Wの指定でおおよそ280℃になります。
ヒーター以外は周囲温度20℃に対して材料ごとに指定した放射率で放熱しているものとし、ヒーターは表面発熱で熱量を指定しヒートブロックの温度が想定温度のになる様に熱量を調整しました。
発熱量14W指定してヒートブロックが235℃になった場合の温度分布はこちら
冷却ブロックではおおよそ90℃以下です。PLAでは冷却ブロックの上まで軟化するのでアウトですね。
ABSだとギリギリです。
発熱量を１８Ｗに指定してヒートブロックの温度を280℃まで上げてみた場合の温度分布はこちら
こうやってみると冷却ブロックから上は14W@235℃指定の時に比べ温度がそんなに上がりませんね
冷却ブロックでの温度は94.4℃ぐらいです。
あくまでシミュレーションですが、２８０℃でフィラメントを押し出そうとした場合現状の構成をオールメタルに変えても融点の高いフィラメントであればギリギリ押せそうな感じです。
この手の問題の対策として、バレルの上部にだけPTFEチューブを入れて熱伝達を遅くするという手法がAfinia/Zortrax系のホットエンドで行われています。
ではどこまでＰＴＦＥチューブを入れることができるかというと、PTFEの連続耐熱温度に対し少し余裕をみて240℃までの温度分布がどうなっているか確認してみます。
おおよそバレルの中央までです。冷却ブロックの直下のM6三種ナットより上であればＰＴＦEチューブを設置しても問題なさそうです。
あくまでシミュレーションですので、パラメータ設定が間違っていたら元も子もありませんが、大体のイメージはつかめましたので、あとは上記の想定でPTFEチューブ入りのバレルを製作して、実機に実装して試験してみます。
試験は機材の都合から当分先になる見込みです。
～2016年4月8日追記～
Fusion360における熱解析は現時点で対応できるのは自然空冷のみになります。強制空冷を考慮したシミュレーションはCFD（熱流体解析）がないとできません。ですが、ヒートシンクの強制冷却面の荷重に熱伝達を指定することで疑似的に強制空冷による放熱を設定する事ができます。
Fusion360のフォーラムに上記の内容の投稿がありましたのでシミュレーションに反映させてみました。
ヒートシンクの加重に熱伝達を設定して疑似強制空冷にした場合の解析結果はこちらになります。
ノズルを280℃に上げるためにはヒーターの発熱が26Wまで増えました。
冷却ブロックより上が大分冷えましたね。PTFEの連続耐熱温度に少し余裕を見た240℃になるのは自然空冷でのシミュレーション結果と変わらずバレルの中間ぐらいです。意外とバレルから上は熱が拡散して冷えている様子です。
～追記終わり～
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