Grundlegende Wartung des Hotends

Das Hotend ist eine der wichtigsten Komponenten eines FFF-3D-Druckers und diejenige, die dem größten Verschleiß unterliegt. Eine ordnungsgemäße Wartung und eine regelmäßige Kontrolle des Zustands sind unerlässlich.

Es gibt mehrere Arten von Hotends, sowohl eigenständige (z. B. E3D V6) als auch in kompakte Köpfe integrierte (z. B. Hemera, LGX FF), die jedoch alle eine Reihe gemeinsamer Komponenten aufweisen.

Bild 1: In den LGX-Kompaktkopf integriertes Hotend. Quelle: bondtech.se

Die folgenden Komponenten sind in jedem Hotend zu finden:

• Düse: Dies ist das Element, durch das das geschmolzene Material extrudiert wird.
• Heizpatrone: Sie besteht aus einem Widerstand, der die Aufgabe hat, den Heizblock zu erwärmen.
• Temperatursensor: Es können verschiedene Typen sein: Thermistor, Thermoelement, PT100, .... Seine Aufgabe ist es, die Temperatur des Heizblocks zu messen.
• Heizblock: Er ist das Element, das für die Übertragung der Temperatur auf die Düse und die heiße Zone der Wärmebremse zuständig ist.
• Heatbreak: Dies ist das thermische Bremselement. Sie hat die Aufgabe, das Filament zur Düse zu führen und zu verhindern, dass es vorzeitig schmilzt. Sie besteht aus einer heißen und einer kalten Zone, und ihre thermische Leistung ist für das ordnungsgemäße Funktionieren der Heizstation von entscheidender Bedeutung. Es gibt zwei verschiedene Arten: Ganz aus Metall und mit Tefloneinsatz. Die ganz aus Metall bestehende Wärmeleitpaste kann hohen Temperaturen standhalten, neigt aber bei nicht optimaler thermischer Leistung zum Wärmekriechen. Das Hotend mit Tefloneinsatz verhindert das Schmelzen des Filaments im Heatbreak und minimiert die Reibung im Heatbreak. Es wird jedoch nicht für Materialien empfohlen, die Temperaturen über 265 °C erfordern.
• Kühlkörper: Dieses Element ist für die Kühlung der Wärmebremse zuständig und sorgt dafür, dass die heißen und kalten Zonen getrennt bleiben. Sie kann passiv oder aktiv sein.
  

Bild 2: Teile einer Oberleitung. Quelle: Peter Solomon Design.

Um das einwandfreie Funktionieren des Gerätes zu gewährleisten, ist es notwendig, den Zustand der einzelnen Elemente sowie die Montage aller Elemente zu überprüfen.

Nozzle

Es ist ein Verbrauchselement und hat daher eine begrenzte Lebensdauer. Die Abnutzung der Düse führt zu einer Vergrößerung des Düsendurchmessers und einer Verringerung der Düsenlänge. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Extrusion, die die Oberfläche der Teile verschlechtert.

Es gibt mehrere Faktoren, die den Verschleiß einer Düse beschleunigen. Die häufigste ist die Verwendung von Verbundwerkstoffen. Das Vorhandensein von Fasern oder Partikeln im Filament verursacht einen hohen Abrieb an den Düsenwänden. Besonders abrasiv sind Glas- oder Kohlefaserfäden, mit Keramik- oder Metallpartikeln beladene Fäden und phosphoreszierende Fäden.

Andererseits bestimmt das Material, aus dem die Düse hergestellt ist, auch die Haltbarkeit der Düse. Die gebräuchlichsten Materialien sind die folgenden:

• Messing: Sie haben eine sehr begrenzte Haltbarkeit, selbst bei nicht scheuernden Filamenten. Es ist ratsam, sie häufig zu ersetzen, um eine optimale Druckqualität zu gewährleisten.
• Messing oder Kupfer mit Nickelbeschichtung: Die Nickelbeschichtung verleiht der Düse eine höhere Oberflächenhärte und damit eine höhere Abriebfestigkeit. Die Haltbarkeit ist bei nicht abrasiven Filamenten sehr hoch und bei abrasiven Filamenten mäßig.
• Edelstahl: Diese Düsen wurden für Anwendungen in der Medizin und im Lebensmittelbereich entwickelt, haben aber eine gute Haltbarkeit mit nicht-abrasiven Filamenten. Obwohl sie eine mäßige Haltbarkeit mit abrasiven Filamenten aufweisen, sind sie nicht die empfohlene Wahl.
• Gehärteter Stahl und ähnliches: Sie haben eine gute Haltbarkeit bei der Verwendung mit abrasiven Materialien und eine sehr gute Haltbarkeit bei nicht abrasiven Filamenten. Im Allgemeinen ist die Druckqualität aufgrund der Rauheit des Materials und seiner Haftung mit dem geschmolzenen Kunststoff nicht so gut wie in den vorhergehenden Fällen, aber einige enthalten spezielle Beschichtungen, die dieses Problem lösen.
• Mit Rubinspitze: Rubin ist eines der härtesten Materialien und dasjenige, das am wenigsten verschleißt, allerdings ist nur die Düsenspitze aus diesem Material, die auf eine Messingdüse gepresst ist. Es hat eine hohe Haltbarkeit mit nicht-abrasiven Materialien und sein Hauptvorteil ist, dass es während seiner Lebensdauer nicht an Qualität verliert. Im Laufe der Zeit nutzt sich das Messingteil ab, so dass sich die rubinrote Spitze ablöst. Bei sehr abrasiven Materialien empfiehlt es sich, Düsen aus gehärtetem Stahl zu verwenden.

Bild 3: Düsen aus Messing, vernickeltem Kupfer und gehärtetem Stahl. Quelle: Brozzl.de

Es ist schwierig abzuschätzen, wie oft eine Düse ausgetauscht werden sollte, da dies in hohem Maße vom verwendeten Material und der Temperatur abhängt; als Richtwert können jedoch die folgenden Werte gelten:

• Düse aus Messing:
• Bei nicht scheuernden Materialien: alle 200 Betriebsstunden wechseln.
• Bei abrasiven Materialien: nicht empfohlen.
• Düse aus vernickeltem Messing
• Bei nicht scheuernden Materialien: alle 1000 Betriebsstunden wechseln.
• Bei abrasiven Materialien: Wechsel alle 100 Betriebsstunden
• Rostfreier Stahl:
• Bei nicht scheuernden Materialien: alle 1000 Betriebsstunden wechseln.
• Mit abrasiven Materialien: 100 h
• Gehärteter Stahl:
• Mit nicht-abrasiven Materialien: nicht zur Verwendung empfohlen.
• Mit abrasiven Materialien: 400 h
• Mit Rubinspitze:
• Bei nicht scheuernden Materialien: wenn sich der Rubin ablöst.
  Bei abrasiven Materialien: wenn sich der Rubin ablöst.

Heizpatrone

Die häufigste Störung im Zusammenhang mit der Heizpatrone ist auf ein Problem mit dem Anschluss zurückzuführen. Die in die Patrone führenden Drähte sind in der Regel mit zwei temperaturbeständigen Kunststoffmänteln geschützt. Diese Ummantelungen neigen dazu, sich mit der Zeit zu zersetzen und den Metalldraht freizulegen. Sobald eine Abnutzung erkennbar ist, sollte die Heizpatrone ausgetauscht werden, da ein Verlust der Isolierung an den Drähten einen Kurzschluss, einen Brand oder schwere Verletzungen des Benutzers verursachen kann.

Temperatursensor

Wie bei der Heizpatrone ist der heikelste Punkt der Kabelanschluss. Eine Beschädigung des Kabels oder seiner Verbindung führt zu fehlerhaften und unregelmäßigen Temperaturmessungen. Wenn das Kabel vollständig unterbrochen ist, bleibt der Temperaturwert auf seinem Höchstwert stehen. Es wird empfohlen, den Zustand der Anschlüsse regelmäßig zu überprüfen.

Bild 4: Verschiedene NT100-Thermistorformate. Quelle: alibaba.com

Heizblock

Obwohl er keine besondere Wartung erfordert, ist es sehr wichtig, ihn so sauber wie möglich zu halten. Angesammelte Kunststoffreste können sich während des Drucks ablösen und am Teil haften bleiben, was zu ästhetischen Mängeln oder sogar Druckfehlern führen kann. Die Verwendung von Silikonmanschetten oder kunststoffabweisenden Farben kann dazu beitragen, den Druckstock sauber zu halten, insbesondere beim Bedrucken mit Materialien wie Petg. Wenn Silikonmanschetten verwendet werden, ist es ratsam, sie regelmäßig zu entfernen und zu reinigen und sie zu ersetzen, sobald sie sich abnutzen. Bei nicht haftenden Farben wird empfohlen, alle 2 bis 3 Drucke neu zu streichen.

Bild 5: E3D Silikonhülle. Quelle: e3d-online.com

Heatbreak

Bei Ganzmetall-Hitzeschutzvorrichtungen ist keine besondere Wartung erforderlich. Wenn regelmäßig abrasive Materialien gedruckt werden, wird empfohlen, die Wärmebremse alle 500 Betriebsstunden zu zerlegen, um den Verschleiß der inneren Kehle zu überprüfen. Sobald sich Verschleißerscheinungen zeigen, sollte die Wärmebremse ausgetauscht werden.

Bei Hitzeschäden mit Tefloneinsätzen tritt der Verschleiß direkt am Einsatz auf. Der Einsatz sollte bei PLA alle 500 Betriebsstunden, bei ABS oder PETG alle 300 Betriebsstunden und bei abrasiven Filamenten alle 80 Betriebsstunden ausgetauscht werden.

Kühlkörper

Die Heatbreak wird in der Regel direkt an einem Kühlkörperelement verankert. Dieser kann passiv (Kühlkörper mit Rippen) oder aktiv (Kühlkörper mit Rippen + Lüfter) sein. Die Fähigkeit der Wärmeleitpappe, die Wärme von der kalten Seite der Wärmeleitpappe abzuleiten, ist entscheidend für die Vermeidung von Problemen. Eine übermäßige Erwärmung der kalten Zone kann dazu führen, dass das Filament weich wird und sich zusammenzieht, was einen Stau verursacht. Dieses Phänomen ist bekannt als "Heat Creep" und tritt häufig auf, wenn PLA auf einem Hotend mit einer Metall-Heatbreak gedruckt wird.

Um eine optimale Wärmeableitung zu gewährleisten, ist es erforderlich, Wärmeleitpaste in dem Bereich aufzutragen, in dem die Wärmeleitpaste auf den Kühlkörper trifft. Es ist ratsam, Wärmeleitpasten mit Antihafteigenschaften zu verwenden, z. B. Bornitrid, um die Demontage des Kühlkörpers bei künftigen Revisionen zu erleichtern.

Bei aktiven Kühlkörpern sollte zu Beginn jedes Druckvorgangs überprüft werden, ob der Lüfter ordnungsgemäß funktioniert. Bei einigen Druckern wird dieses Gebläse thermostatisch gesteuert, so dass es ausgeschaltet bleiben kann, bis die Heizplatte 50 ºC oder 100 ºC erreicht.

Montage

Da jedes Hotend-Element aus einem anderen Material besteht und auch die Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich sind, kommt es häufig vor, dass sich die Verbindung zwischen den Elementen aufgrund plötzlicher Temperaturschwankungen lockert.
Es ist sehr wichtig, alle 2-3 Wochen zu überprüfen, ob alle Elemente und Schrauben des Heizelements richtig angezogen sind.

Falls sich die Düse gelockert hat, muss sie in heißem Zustand wieder angezogen werden. Es ist sehr wichtig, dass Heatbreak und Düse dicht und in Kontakt miteinander sind, da ein kleiner Spalt zwischen den beiden zu Schmelzaustritt und Beschädigung des Hotends führt.

Bild 6: Kunststoffleckage, verursacht durch ein schlechtes Anziehen des Hebezeugs. Quelle: forum.prusaprinters.org

Das optimale Anzugsdrehmoment für jedes Heizelement sollte beim Hersteller erfragt werden, da ein zu hohes Anzugsdrehmoment die Gewinde des Heizblocks beschädigt. Als Referenz empfiehlt E3D ein Drehmoment von 3 n-m für seine Hotends, während Slice Engineering 1,5 n-m verwendet. Wenn kein Referenzwert des Herstellers verfügbar ist, kann ein Drehmoment im Bereich von 1-2 n-m gewählt werden.

Es ist auch wichtig, die Schrauben zu überprüfen, die die Heizpatrone und den Temperatursensor halten.

Gemischte Systeme

Verwenden Sie immer Originalersatzteile oder zumindest Teile aus dem gleichen System. Auch wenn es oft den Anschein hat, dass die Komponenten verschiedener Systeme miteinander kompatibel sind, da sie denselben Gewindetyp haben, sind die Länge und die Abmessungen der einzelnen Elemente ebenfalls sehr wichtig. Die verschiedenen Komponenten eines Hotends sind so konzipiert, dass sie gut zusammenarbeiten, und das Mischen von Komponenten, die nicht zum selben System gehören, kann zu Fehlfunktionen oder sogar zu Schäden am Hotend führen.

Materialwechsel

Wenn ein Filament aus dem Hotend entfernt wird, bleiben immer Reste im Inneren zurück. Wenn ein neues Material mit einer niedrigeren Drucktemperatur eingelegt wird, trägt es die nicht geschmolzenen Reste des vorherigen Materials mit sich und verursacht einen Stau. Aus diesem Grund muss die Heizeinheit bei jedem Materialwechsel mit einem Reinigungsfaden gereinigt werden. Zu diesem Zweck werden 500 bis 800 mm des Reinigungsfilaments bei einer Temperatur extrudiert, die 10 °C höher ist als die des zuletzt verwendeten Materials.

Der Gebläsebeschichter

Das Schichtgebläse ist zwar kein Bestandteil der Anlage selbst, befindet sich aber in der Regel neben der Anlage. Ein falsch positionierter Schichtlüfter kann die Luft direkt auf den Block leiten, wodurch dieser abkühlt. Dies führt dazu, dass das Hotend die eingestellte Temperatur nicht erreicht oder dass die Temperatur stark schwankt, was häufig zu einem Temperaturfehler im Drucker führt. In diesen Fällen ist es ratsam, den gleichen Ausdruck bei deaktiviertem Schichtlüfter zu testen, um zu prüfen, ob es sich um einen Fehler des Temperatursensors oder um eine Fehlstellung des Schichtlüfters handelt.

Fadeneinlauf

Ein Punkt, an dem Schmutz in das Innere des Hotends gelangt, ist der Filamenteinlassbereich. Bei Bowden-Systemen, bei denen das Filament durch einen PTFE-Schlauch zum Hotend geführt wird, ist der Einlass geschützt und es ist nicht üblich, dass Staub eindringt. Bei Druckern mit Direktextruder kann der Filamenteinlass jedoch der Luft ausgesetzt sein, was den Eintritt von Staub in das Hotend erleichtert. In diesen Fällen ist es ratsam, das Filament von der Spule zum Extruder möglichst durch einen PTFE-Schlauch zu führen. Das Eindringen von Staub und Schmutz in das Heizelement ist eine häufige Ursache für Verstopfungen.

Ebenso wird empfohlen, die Filamentspulen sauber zu halten und zu verhindern, dass sich Staub auf ihnen ablagert. Vermeiden Sie also, sie auf dem Druckerständer liegen zu lassen, wenn dieser nicht geschützt ist, und bewahren Sie sie in geschlossenen Beuteln oder Kartons auf.

Drucker mit mehreren Hotends

Wenn Sie einen Drucker mit mehreren Heißluftdüsen haben, müssen Sie die relative Position der Heißluftdüsen kalibrieren.

Prüfen Sie zunächst, ob der Abstand der Heftenden zur Druckfläche gleich ist. Zu diesem Zweck muss das Haupt-Heißluftgebläse fixiert und die Druckbasis in Bezug auf dieses nivelliert werden. Dann muss die Höhe der anderen Heizleisten in Bezug auf die Hauptheizleiste angepasst werden. Die Art und Weise, wie die Höhe eingestellt wird, ist von Drucker zu Drucker unterschiedlich. Ziehen Sie daher das Handbuch des Geräts oder den Hersteller zu Rate, wenn Sie nicht wissen, wie es geht.

Nach der Einstellung der Höhe der Heizleisten muss die relative XY-Position jeder Heizleiste in Bezug auf die Hauptheizleiste bekannt sein. Im Allgemeinen stellt jeder Hersteller eine Druckdatei zur Verfügung, die es Ihnen ermöglicht, den XY-Offset jedes Hotends zu kalibrieren, obwohl es auch viele andere Optionen in bekannten Dateispeichern gibt. In diesem Fall lässt sich die XY-Position der Heißkanäle nicht ändern, so dass die Versatzwerte in die Firmware eingegeben werden, um die Position während des Drucks zu kompensieren.

Die Höhe der Hotends sollte alle 2 Wochen überprüft werden, während die XY-Kalibrierung nur durchgeführt werden sollte, wenn ein Versatz oder eine Überlappung der gedruckten Teile mit jedem Hotend festgestellt wird.

Bild 7: Kalibrierungsmuster für zwei Extruder für Raise Pro2-Drucker. Quelle: Raise3D.com

Das Hotend ist wahrscheinlich das wartungsintensivste Teil des Druckers, aber es ist sehr wichtig, es in einem guten Zustand zu halten, um eine gute Druckqualität zu gewährleisten und das Risiko eines Ausfalls zu minimieren.

Hinweis: In diesem Leitfaden werden Konzepte in allgemeiner Form erörtert und es wird nicht auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell eingegangen, auch wenn diese möglicherweise an einer Stelle erwähnt werden. Die Kalibrierungs- oder Einstellverfahren können sich von Marke zu Marke und von Modell zu Modell erheblich unterscheiden. Es wird daher empfohlen, vor dem Lesen dieses Leitfadens das Handbuch des Herstellers zu konsultieren.