Funktionsweise und thermisches Verhalten eines Hotends
Der Extruder drückt das Filament in das Hotend und erzeugt darin Druck. Wenn es die Düse erreicht, schmilzt das Filament und tritt dank des vom Extruder erzeugten Drucks aus. Damit das Filament korrekt extrudiert werden kann, ist es wichtig, dass es nur im Bereich der Düse schmilzt und auf dem gesamten bisherigen Weg kalt bleibt.
Bild 1: Temperaturdiagramm eines Hotends. Quelle: Filament2print.
Aus diesem Grund sind alle Hotends thermisch in zwei Zonen unterteilt:
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Die heiße Zone, die immer oberhalb der Schmelztemperatur des Filamentes liegen muss.
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Die kalte Zone, die immer unter dem Tg-Wert des Materials liegen muss.
Es ist einfach, die heiße Zone über der Schmelztemperatur des Materials zu halten, da dies nur von der Wärmezufuhr durch die Heizpatrone abhängt, aber die kalte Zone unter der Tg zu halten, kann komplex sein. Das Schlüsselelement hierfür ist die Wärmebremse oder das Fass, das einzige Element, das sowohl der heißen als auch der kalten Zone angehört.
Arten der Wärmebremse und Optimierung der Wärmeableitung
Die Wärmebremse dient als thermisches Trennelement, das die heiße Zone von der kalten Zone physisch trennt. Es gibt grundsätzlich zwei Arten:
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Ganzmetall: vollständig aus Metall. In der Regel werden Metalle mit einem niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten verwendet, wobei Stahl und Titan die häufigsten sind. Innerhalb der Ganzmetall-Wärmeleitbleche gibt es einen Untertyp, der eine bessere thermische Leistung aufweist: die Bimetall-Wärmebremse . Bei dieser Art von Wärmebrücken werden für den inneren und äußeren Bereich zwei verschiedene Metalle verwendet, eines mit einem niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten, das als Wärmebrücke fungiert, und das andere mit einem hohen Wärmeübergangskoeffizienten, das die Wärme zum Kühlkörper hin ableitet.
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Nicht-Ganzmetall: Diese Art von Wärmebremse hat eine PTFE-Einlage im Inneren, die als Wärmeisolierung dient. Sie haben die Einschränkung, dass sie für Drucktemperaturen über 240 ºC nicht geeignet sind, sind aber für den Druck von PLA am besten geeignet.
Bild 2: Konstruktion einer bimetallischen Ganzmetall-Hotends. Quelle: Slice Engineering.
Damit sich die Wärmebremse thermisch richtig verhält, muss sie immer in Kontakt mit einem Temperaturableitungssystem stehen, das in der Regel aus einem gerippten Kühlkörper und einem Lüfter besteht. In diesem Fall ist es sehr wichtig, die Wärmeübertragung von der Wärmebremse zum Kühlkörper zu maximieren, weshalb Wärmeleitpaste auf die Verbindungsstelle aufgetragen werden sollte, um einen möglichst guten Kontakt zu gewährleisten. Auch die Wärmeübertragung zwischen dem Heizblock und der Wärmebrücke sollte so gering wie möglich gehalten werden, so dass an der Verbindungsstelle niemals Wärmeleitpaste verwendet werden sollte.
Geschlossene Drucker und Drucker mit beheizte Kammern
Es gibt einen besonderen Fall, in dem die thermische Kontrolle des Hotends komplizierter wird. Dies sind Drucker mit einer geschlossenen oder beheizten Kammer. Bei den üblichen Kühlsystemen, die auf einem Kühlkörper mit Rippen und einem Lüfter basieren, ist die niedrigste Temperatur, die erreicht werden kann, die Umgebungstemperatur.
Bei geschlossenen Druckern und insbesondere bei Druckern mit beheizter Kammer liegt die Umgebungstemperatur im Inneren des Druckers in der Nähe des Tg-Wertes des Materials, so dass die kalte Zone des Hotends in vielen Fällen über dieser Temperatur liegt. Um dieses Problem zu lösen, sind Drucker mit beheizten Kammern in der Regel mit Flüssigkeitskühlsystemen ausgestattet, die die Wärme aus dem Hotend nach außen leiten. Bei Flüssigkeitskühlsystemen ist die Wartung etwas komplexer, da der Zustand der Pumpe, der Leitungen und der Kühlmittelstand häufig überprüft werden müssen.
Bild 3: Hotend mit flüssigkeitsgekühltem Kühlkörper. Quelle: Slice Engineering.
Bei geschlossenen Druckern ohne beheizte Kammer sind die erreichten Temperaturen für die meisten Materialien nicht übermäßig hoch, nur PLA ist problematisch. Für den Druck von PLA auf geschlossenen Druckern mit Hotends ohne Flüssigkeitskühlung ist es wichtig, dass der Drucker während des Drucks geöffnet bleibt.
Probleme durch schlechte thermische Leistung des Hotends
Das Hauptproblem, das durch eine unzureichende thermische Leistung verursacht wird, ist das Verklemmen aufgrund der Erweichung des Filaments in der kalten Zone. Deshalb kommt es vor allem bei Filamenten mit einer niedrigen Tg, wie z. B. PLA, zu Fehlern. Dieses Problem wird als Heatcreep bezeichnet und ist eines der häufigsten Probleme beim PLA-Druck.
Wenn bei PLA Verstopfungen und Extrusionsprobleme beobachtet werden, die bei der Verwendung anderer Materialien wie PETg oder ABS verschwinden, ist dies in der Regel ein Symptom für ein Problem mit der Wärmeableitung. Dies wird in der Regel durch erneutes Auftragen von Wärmeleitpaste auf die Verbindung zwischen der Wärmebrücke und dem Kühlkörper behoben.
Beschränkungen des Hotends
Eine der wichtigsten zu berücksichtigenden Einschränkungen eines Hotends ist die Fähigkeit, ein bestimmtes Volumen an Kunststoff pro Zeiteinheit zu schmelzen. Dies wird als maximaler Volumendurchsatz bezeichnet und begrenzt vor allem die maximale Druckgeschwindigkeit. Der Volumenstrom ist das Produkt aus der Schichthöhe, der Extrusionsbreite und der Geschwindigkeit. Deshalb ist die Höchstgeschwindigkeit, mit der ein bestimmtes Hotend drucken kann, umso geringer, je höher die Schichthöhe eingestellt ist oder je größer der Durchmesser der verwendeten Düse ist. Einige Hersteller, vor allem von hochwertigen Hotends, geben den maximalen Volumendurchsatz als eines der Merkmale an.
In diesem Leitfaden werden die Konzepte in allgemeiner Form erörtert und es wird nicht auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell eingegangen, auch wenn diese an einigen Stellen 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.
