ホットエンドの温度はファンありなしでどう変わるか
3Dプリンタのホットエンドはファンで冷却するのが基本的な考え方です。ノズルの熱が上まで上がってくると、フィラメント全体が軟化してしまい、ホットエンド内部で座屈して押し込むことができなくなってしまいます。
言葉でいうと簡単ですが、ファンで冷却するとどんな変化が起きるか？ヒートブレイクはどれくらい効果があるか？エアダクトの影響度合いは？などはなかなかイメージしにくいところです。具体的にどういう変化が起きるかについては、ホットエンドにファン送風した時の温度変化をシミュレーションで確認した例があります。
THERMAL ANALYSIS OF A 3D PRINTER HOTEND AND NOZZLE
4th International Congress on 3D Printing (Additive Manufacturing) Technologies and Digital Industry 2019 11 - 14 April 2019 at Antalya, Turkey
http://indexive.com/uploads/papers/pap_indexive15943179682147483647.pdf
E3Dホットエンドに対して、A : ファンなし（実際にはファンなしでは設計されていない）、B : ファンあり、C : ファンとエアダクトあり の3つをシミュレーションで確認しています。
シミュレーションの条件
| 空気の温度 | 25℃ |
|---|---|
| ノズル温度 | 220℃ |
| ファン | 109P0412H902 (40mm角x10mm厚) |
| ファン回転数 | 649 rad/s = 約6200 rpm |
A. ファンなし
このタイプのホットエンドはファンなしでの使用は想定されておらず、実用的にこの状態で使われることはありませんが、ホットエンドとフィラメントがどのように温度上昇するかを知っておくと、ホットエンド周りの熱の動きを理解することに役立ちそうです。
左の画像は加熱直後、右の画像は空気の対流が起きはじめたときの様子です。色表示は固体部分が温度、気体部分が流速です。ホットエンドが上向きになっているため、時間が経つと上向きの気流が発生します。常に高温の空気がヒートシンクを取り囲んでしまうため、フィンとフィンの間の空気が動かなくなってしまい、冷却が進まなくなることがわかります。
ヒートブロックの最も上側とヒートシンクの温度差は約110℃です。ヒートブレイクはうまく機能していることがわかります。ですが、ヒートシンク部のPLAフィラメントは117℃で、相当軟化が進んでいる温度域になっています。この状態でプリントすると、軟化したPLAがホットエンド内部で変形してしまい、冷えた時に入口部分をふさいでしまうことで使えなくなってしまう可能性があります。
B. ファンあり
ヒートシンクに向かってファンで空気を吹き付けます。左の画像は加熱直後、右の画像はファンを回転させたときのシミュレーションです。フィンとフィンの間に空気の流れを作って強制的に熱交換することで、効率的に熱を取り除くことができていることがわかります。水平方向に空気の流れができることによって、ヒートシンク周辺に高温の空気が滞留することがなくなり、熱の移動はほとんどが材料を介した熱伝導のみに制限されています。
ヒートブレイク手前のフィラメント温度は58℃で、PLAのガラス転移点をギリギリで下回るように設計されているようです。軟化したフィラメントがヒートシンクまで上がってくることは防げていると考えられます。
C. ファン、エアダクトあり
エアダクトで整流した状態でヒートシンクに空気を送り込みます。ヒートシンクに対してストレートな形で空気が抜けており、エアダクトなしよりもさらに望ましい状態で空気が流れていることがわかります。
温度分布としてはファンのみと比較した場合と大きな差はありません。ダクトをつけたからといって、より冷却効率があがるということではなさそうです。ダクトなしの場合でファン送風の乱れがヒートブロックの熱を奪う量がわずかなためだと考えられます。今回のシミュレーションの条件では差が明確ではありませんが、例えばより造形スピードを上げたり、より溶融温度の高い樹脂を使ったりする場合にはヒートブロックの熱ロスが無視できなくなることも考えられます。エアダクトは、より高いレベルで造形を行っていく上では有効に機能する可能性があります。
（上画像の「Temperature (Solid)」の308.16℃は208.16℃の間違いだと思われます。論文原文には208.16℃と記載があります）
関連ページ
- PLA樹脂のL体とD体について
- ガラス転移点の3Dプリンタ向け解説
- 吸水しにくいフィラメントの選び方
- 結晶性樹脂と非晶性樹脂の違い 3Dプリンタの観点から
- なぜPLAは3Dプリンタで広く使われるのか
- PLA樹脂の歴史と現状
- ABSとはどのような樹脂なのか 3Dプリンタの観点から
- プラスチックの耐熱温度とは何か
- PLAの生分解プラスチックとしての誤解
- PLA表面処理におけるジクロロメタンの危険性
- フィラメントの重さ、長さをWEBで計算
- ホットエンドでフィラメント樹脂もれが起きる理由
- PLAが加水分解すると3Dプリンタでは何が起きるか
- フィラメント交換で3Dプリンタを一時停止させる方法(Simplify3D)
- メルトフラクチャの発生原因と対策
- 世界のPLA（ポリ乳酸）樹脂メーカー
- 樹脂のコンパウンドとは
- PLA樹脂は何に使われている？
- PETG樹脂とは？ PETGとPETの違い
- 繊維強化プラスチックの3Dプリント基礎知識
- 2019年に発生したPLA樹脂の世界的需給ひっ迫について
- 樹脂の射出グレードと押出グレードの違い
- PLA樹脂原料の取り扱い、乾燥、再生に関する基礎知識
- 3Dプリンタ ダイレクト式とボーデン式の違いは？
- 3Dプリンタ フィラメントに合ったノズル材質の選び方
- 3Dプリンタのノズル詰まり 考えられる3つのメカニズム
- プラスチックの成形原料「樹脂ペレット」とは？
- PLAの生分解メカニズムについて
- 3Dプリンタ造形中にどんな有害ガスが出るか
- 3Dプリント造形品のアニール処理で何が改善する？
- フィラメントの乾燥で気を付けておきたい3つのこと
- 3Dプリンタで反りはなぜ起こる？(FDM)
- 導電性フィラメントとは？
- PLA樹脂の結晶化 アニール時に起きていること
- FDM式3Dプリンタの分解能の限界はどこにある？
- 造形品の積層強度は結局どうすれば上げられるのか
- なぜこれまで3Dプリンタにはエンクロージャーがなかったのか
- PLA樹脂 2021年の展望
- 3Dプリンタのファーストレイヤーの考え方
- クリーニングフィラメントとは？
- 積層ピッチと造形品強度の関係
- フィラメントはどのように量産している？
- フィラメント押出量はどう計算されている？
- 3Dプリンタのビード断面形状を決めているもの
- 3Dプリンタにおける高分子鎖の配向と絡み合いの影響
- 栓流（プラグフロー）とは？
- 3Dプリンタにおける樹脂冷却の際の挙動
