3D 印表機入手半年,使用量不大,前後印掉的 PLA 線材還不到 1 公斤,機器狀況良好,但最近散熱風扇出了點狀況。 開機後風扇轉軸有明顯摩擦聲,聲音在運轉一陣子後消失,關機一陣子再使用,相同情節重複上演。 歸納症狀為「散熱風扇冷機啟動時有雜音,運轉一陣子後消失」,推測是風扇掛點的前兆,該預做準備。

爬文做了功課,也在 3D 印表機的臉書社團發問,得到不少前輩的熱心指點,終於完成了 CR-8S 散熱風扇改造,效果頗優,抱著回饋心情分享研究心得,供有需要的同學參考。

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FDM 列印靠融化線材重新擠出成形,需要散熱的原理為何?

FDM 列印的原理是加熱融化線材重新塑形(延伸閱讀:3D印表機的7大成型技術,材質與固化方式你知道多少?),起初我誤解了主要散熱風扇用途。側風扇被導向擠出口用來冷卻擠出材料加速硬化定型不難理解,但主風扇吹向擠出頭,我誤以為是加熱頭過熱時冷卻用的,拿掉只是散熱慢一點...

這個想法大錯特錯,主風扇屬通常是暴力級高轉速風扇,運轉噪音不小,這是有原因的,它的散熱對象是加熱頭上方的散熱器鰭片,而加熱頭本身有保溫材料包覆,這裡出現「散熱鰭片必須盡快冷卻,加熱頭必須避免熱能散失」的有趣矛盾,這與喉管的運作原理有關。

這篇為什麼擠出頭的喉管需要散熱??詳細解釋了下熱上冷的理由:冷卻加熱頭上端是為了確保回流的液態塑料冷卻固化,避免向上溢出阻塞擠出頭。換句話說,一旦散熱不及,很快就會面臨堵料等棘手問題。

為什麼要改裝散熱風扇架?

散熱風扇屬消耗品,更換機率不低。原廠設計散熱風扇鎖被包覆擠出頭的金屬盒內,拆換不易。網路上有不少高手設計出可 3D 列印的改良式散熱風扇架,用自己製作出的零件改造自己,聽起來就是酷。參考社團前輩的推薦,我選用 Jhon Ting 為 CR 及 Ender 系列設計的版本,評估有以下優點:

  1. 風扇外掛,插入固定免鎖螺絲,更換方便 (主熱散風扇插糟比我的風扇稍大一點點,塞一小塊泡棉搞定,如要快速抽換需改裝電源接頭)
  2. 風扇與散熱鰭片距離縮短,並有導流罩將氣流完整導向散熱片,效率更好並避免吹到不需散熱的加熱塊(沒肥到豬,肥到狗)
    改裝後加熱頭上升到指定溫度的時間明顯縮短,但印完溫度下降的速度也變慢
  3. 風扇外掛設計允可改用效率更好但尺寸較大的風扇
  4. 印頭散熱風扇有導管將氣流導引直吹印噴嘴(擠出孔)位置,避免冷卻到加熱塊
  5. 不會遮蔽噴嘴,觀察列印狀況方便許多

另外,風扇架模型設計考量得很周到,不需分次列印組裝,放進 Cura 切片輸出一次成功,很讚!

風扇規格怎麼看?

前面提到 FDM 列印的散熱風扇很重要,這也是它配備吵死人高速風扇的原因。尋找替換風扇的過程我學到一些冷知識,整理如下:

  1. 散熱風扇的軸承主要有油封、滾珠、磁浮三種。油封軸承便宜但不耐用(約5000-8000小時),滾珠軸承壽命較長(可達15萬小時)但比較吵,磁浮軸承則是台灣廠商建準(SUNON)的專利,壽命比美滾珠但比較安靜。
    參考:PC散熱風扇之研究五:風扇軸承類別
  2. 原廠附的風扇為油封軸承,潤滑油脂流失或混入灰塵便會發出噪音,用沒多久就掛,要自行潤滑難度很高,且這類風扇一般價格不高,直接更換較省事。
  3. 散熱風扇規格主要是看尺寸、電壓跟轉速。講到尺寸會有 40x40x10、404020 這類的術語,意思是 40mm x 40mm 正方形,高 10mm,有時簡稱 4010。 電壓部分有 5V、12V、24V 等。
  4. 原廠主散熱風扇規格為 4010 24V,依我查到的文章,官方建議轉速要 8000 rpm 以上才夠力。 參考:4010 24V 風扇拆解全紀錄(失敗)
  5. 風扇轉速愈高通常冷卻效果愈好,但這與扇葉數、形狀也有關,真正精確的衡量單位是風量 CFM,專業散熱風扇規格書應可查到。 例如我查到建準 Sunon KDE2404PFVX11.MS.A.GN 24V 8500 rpm 的風量是 9.5 CFM,有些強調靜音的風扇不到 5 CFM 可能就不夠力。
  6. CR-8S 除了主風扇外,側面還有一個用來吹物件的風扇,它採正面進氣側面出風,如果要購買,關鍵字為「渦輪風扇」,CR-8S 物件風扇的電壓規格為 12V。

散熱架用 PLA 印可以嗎? 會不會融化?

3D 列印線材我只用過 PLA,它便宜無毒好印,缺點是韌性低及不耐熱,60 度開始變軟。ABS 可耐熱到 105 度,但列印難度高,熱床保溫不良很容易失敗,加上氣味難聞,我不想碰。參考:3D打印材料比較 - ABS 和 PLA

我平日列印加熱頭溫度 200 度起跳,用 PLA 當散熱風扇撐得住嗎?尤其是要會直接鎖在散熱器上。

改裝前我先做了測試,散熱風扇運作正常,列印過程散熱器的溫度大約在 30 度左右,對 PLA 不是問題。改裝後前後列印超過二十小時一切正常,看來用 PLA 是可行的。

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