Wärmeverteilung im Filament

Welche Konstruktion ist für die Extruder-Düse optimal? Eine Recherche zeigt, dass einige der Meinung sind, dass die beheizte Strecke möglichst kurz sein soll, um "kleckern" zu verhindern. Das Problem ist dann aber die Wärme überhaupt in das Material zu bekommen. Hier habe ich mal die Wärmeübertragung von der Düse in das Filament unter folgenden Randbedingungen gerechnet:
1. Die Oberfläche vom Filament wird zum Zeitpunkt t=0 plötzlich von 20°C auf 240°C erhöht.
2. Wärmeleitung findet nur in radialer Richtung statt (wärmeübertragende Strecke ist groß im Vergleich zum Filament-Radius).
3. Die Stoffwerte von ABS sind: Dichte = 1,1 g/cm^3, spez. Wärmekapazität = 1,3 J/(gK), Wärmeleitfähigkeit = 0,18 W/(mK).
Das Ergebnis ist in folgender Grafik dargestellt:

Insta_WU.png

R = 1,5 mm ist die Filamentoberfläche, R=0 die Filamentmitte. Es ist zu sehen, dass das Material nicht "plötzlich" warm wird, sondern eine gewisse Zeit braucht. nach 10 s sind in der Filamentmitte beispielsweise erst 226°C erreicht. Da gerade im interessanten Bereich um 240°C die Grafik schlecht abzulesen wäre hier noch ein paar weitere Werte in tabellarischer Form:

InstaTab.png

Wenn beispielsweise die Temperatur in Filamentmitte nur 5°C unter der eingestellten Temperatur liegen soll, dann sind rund 13 s Verweilzeit in der Düse erforderlich. Wenn die Düse 15 mm lang ist, dann darf die Vorschubgeschwindigkeit max. 15/13 = 1,15 mm/s betragen, was die Druckgeschwindigkeit auf 1,15 * (3/0,5)^2 = 41,5 mm/s begrenzt.

Wenn hohe Druckgeschwindigkeiten bei "sauberer" Erwärmung des Materials erreicht werden sollen, dann müssen die Düsen lang sein.

Dem Einwand, dass in langen Düsen mehr flüssiges Material ist, welches bei einem retract herauskleckern kann, steht folgende Überlegung entgegen: Flüssigkeiten sind praktisch inkompressibel und dehnen sich bei einem retract nicht wesentlich aus. Deshalb kann die Menge flüssigen Kunststoffes nicht entscheidend sein. Zumindest dann, wenn der flüssige Kunststoff Solltemperatur erreicht hat. Material unterhalb der Solltemperatur wird bei einem Extruder-Stopp noch weiter erwärmt und kann durch die Wärmedehnung zum Kleckern führen. Insofern kommt es also nicht auf die flüssige, sondern auf die unvollständig erwärmte Materialmenge an, die gerade in kurzen Düsen sehr hoch ist.