Das Hotend ist eines der wichtigsten Komponenten eines FFF 3D-Druckers und erleidet den größten Verschleiß. Es ist unerlässlich, eine angemessene Wartung durchzuführen und es regelmäßig zu überprüfen, um seinen Zustand zu überprüfen.

Es gibt mehrere Arten von Hotends, sowohl unabhängige (z. B. E3D V6) als auch in kompakten Köpfen integrierte (z. B. Hemera, LGX FF), aber alle haben eine Reihe von gemeinsamen Komponenten.

Bild 1: Hotend in kompaktem LGX-Kopf integriert. Quelle: bondtech.se

In jedem Hotend finden wir die folgenden Komponenten:

• Düse: Dies ist das Element, durch das das geschmolzene Material extrudiert wird.
• Heizpatrone: Es handelt sich um einen Widerstand, dessen Funktion darin besteht, den Heizblock zu erhitzen.
• Temperatursensor: Er kann verschiedene Typen haben: Thermistor, Thermoelement, PT100,... Seine Funktion besteht darin, die Temperatur des Heizblocks zu messen.
• Heizblock: Dies ist das Element, das die Temperatur an die Düse und die heiße Zone des Heatbreaks überträgt.
• Heatbreak: Dies ist das Element des thermischen Bruchs. Seine Funktion besteht darin, das Filament zur Düse zu führen, um zu verhindern, dass es vorzeitig schmilzt. Es besteht aus einer heißen und einer kalten Zone, und seine thermische Leistung ist entscheidend für das ordnungsgemäße Funktionieren des Hotends. Es gibt zwei verschiedene Typen: Vollmetall und mit PTFE-Einsatz. Das Vollmetall-Heatbreak hält hohen Temperaturen stand, ist aber anfällig für Hitzekriechen, wenn seine thermische Leistung nicht optimal ist. Das Hotend mit PTFE-Einsatz verhindert, dass das Filament im Inneren des Heatbreaks schmilzt, und minimiert die Reibung im Inneren, jedoch wird es nicht für Materialien empfohlen, die Temperaturen über 265 ºC erfordern.
• Kühlkörper: Dies ist das Element, das das Heatbreak kühlt und die heiße und kalte Zone voneinander trennt. Es kann passiv oder aktiv sein.

Bild 2: Teile eines Hotends. Quelle: cults3D.com

Um eine ordnungsgemäße Funktion des Hotends zu gewährleisten, müssen sowohl der Zustand der einzelnen Elemente als auch die Montage aller Elemente überprüft werden.

Düse

Dies ist ein Verbrauchsmaterial und daher mit einer begrenzten Lebensdauer versehen. Der Verschleiß der Düse führt zu einer Zunahme des Auslassdurchmessers und einer Verringerung ihrer Länge. Dies führt zu einer unregelmäßigen Extrusion, die die Oberflächenbeschaffenheit der Teile beeinträchtigt.

Es gibt mehrere Faktoren, die den Verschleiß einer Düse beschleunigen. Am häufigsten ist die Verwendung von Verbundwerkstoffen. Das Vorhandensein von Fasern oder Partikeln im Filament führt zu einem hohen Verschleiß an den Wänden der Düse. Besonders abrasiv sind Filamente aus Glas- oder Kohlefasern, solche, die mit keramischen oder metallischen Partikeln beladen sind, und phosphoreszierende Filamente.

Andererseits bestimmt auch das Material, aus dem die Düse hergestellt ist, ihre Haltbarkeit. Die häufigsten Materialien sind folgende:

• Messing: Diese haben eine sehr begrenzte Haltbarkeit, auch bei nicht abrasiven Filamenten. Es wird empfohlen, sie häufig auszutauschen, um die beste Druckqualität zu gewährleisten.
• Messing oder Kupfer mit Nickelbeschichtung: Die Nickelbeschichtung verleiht der Düse eine höhere Oberflächenhärte und damit eine höhere Beständigkeit gegen Abrasion. Ihre Haltbarkeit ist bei nicht abrasiven Filamenten sehr hoch und bei abrasiven Filamenten moderat.
• Edelstahl: Diese Düsen sind für medizinische Anwendungen und den Kontakt mit Lebensmitteln entwickelt worden, haben aber auch bei nicht abrasiven Filamenten eine gute Haltbarkeit. Obwohl sie bei abrasiven Filamenten eine moderate Haltbarkeit haben, sind sie nicht die empfohlene Option.
• Gehärteter Stahl und ähnliche: Sie haben eine gute Haltbarkeit bei Verwendung mit abrasiven Materialien und sehr gute bei nicht abrasiven Filamenten. Im Allgemeinen ist die Druckqualität nicht so gut wie bei den vorherigen Fällen aufgrund der Rauheit des Materials und seiner Haftung am geschmolzenen Kunststoff, jedoch haben einige spezielle Beschichtungen dieses Problem gelöst.
• Mit Rubin-Spitze: Rubin ist eines der härtesten Materialien und weist am wenigsten Verschleiß auf, jedoch besteht nur die Spitze der Düse aus diesem Material, die in eine Messingdüse eingesetzt ist. Es hat eine lange Haltbarkeit bei nicht abrasiven Materialien und sein Hauptvorteil ist, dass es während seiner gesamten Lebensdauer keine Qualitätseinbußen gibt. Im Laufe der Zeit verschleißt der Messingteil, bis sich die Rubin-Spitze löst. Bei sehr abrasiven Materialien wird empfohlen, Düsen aus gehärtetem Stahl zu verwenden.

Bild 3: Düsen aus Messing, Kupfer-Nickel und gehärtetem Stahl. Quelle: Brozzl.com

Es ist schwierig, eine Schätzung abzugeben, wie oft eine Düse ausgetauscht werden sollte, da dies weitgehend vom verwendeten Material und der Temperatur abhängt, jedoch können folgende Werte als Richtlinie geschätzt werden:

• Messingdüse:
• Bei nicht abrasiven Materialien: Alle 200 Stunden verwenden.
• Bei abrasiven Materialien: Verwendung wird nicht empfohlen.
• Messingdüse mit Nickelbeschichtung:
• Bei nicht abrasiven Materialien: Alle 1000 Stunden verwenden.
• Bei abrasiven Materialien: Alle 100 Stunden verwenden.
• Edelstahldüse:
• Bei nicht abrasiven Materialien: Alle 1000 Stunden verwenden.
• Bei abrasiven Materialien: 100 Stunden verwenden.
• Gehärteter Stahl:
• Bei nicht abrasiven Materialien: Verwendung wird nicht empfohlen.
• Bei abrasiven Materialien: 400 Stunden verwenden.
• Mit Rubin-Spitze:
• Bei nicht abrasiven Materialien: Wenn sich der Rubin ablöst.
• Bei abrasiven Materialien: Wenn sich der Rubin ablöst.

Heizpatrone

Der häufigste Fehler im Zusammenhang mit der Heizpatrone ist ein Problem mit der Verbindung. Die Kabel, die in die Patrone eintreten, sind in der Regel mit zwei hitzebeständigen Kunststoffhüllen geschützt. Diese Hüllen neigen dazu, sich mit der Zeit abzubauen und den metallischen Draht freizulegen. Sobald der Verschleiß sichtbar wird, sollte die Heizpatrone ausgetauscht werden, da der Verlust der Isolierung der Kabel einen Kurzschluss, einen Brand oder schweren Schaden für den Benutzer verursachen kann.

Temperatursensor

Wie bei der Heizpatrone ist der empfindlichste Punkt die Verbindung der Kabel. Eine Beschädigung des Kabels oder seiner Verbindung führt zu fehlerhaften und unsteten Temperaturmessungen. Wenn das Kabel vollständig bricht, bleibt der Temperaturwert auf seinen maximalen Wert eingestellt. Es wird empfohlen, den Zustand der Verbindungen regelmäßig zu überprüfen.

Bild 4: Verschiedene Formate des NT100-Thermistors. Quelle: alibaba.com

Heizblock

Auch wenn er keine spezifischen Wartungsaufgaben erfordert, ist es sehr wichtig, ihn so sauber wie möglich zu halten. Ablagerungen von Kunststoff können sich während des Druckvorgangs lösen und an das Bauteil haften, was zu ästhetischen Mängeln oder sogar zu Druckausfällen führen kann. Die Verwendung von Silikonhüllen oder Kunststoffabweisenden Farben kann helfen, den Block sauber zu halten, insbesondere beim Drucken mit Materialien wie PETG. Im Falle von Silikonhüllen wird empfohlen, sie regelmäßig zu entfernen und zu reinigen, sowie sie auszutauschen, sobald sie zu altern beginnen. Für die antihaftbeschichtung wird empfohlen, alle 2 oder 3 Druckvorgänge neue Anwendungen vorzunehmen.

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

Heatbreak

Vollständig metallische Heatbreaks erfordern keine spezielle Wartung. Wenn jedoch regelmäßig abrasive Materialien gedruckt werden, wird empfohlen, das Heatbreak alle 500 Stunden zu demontieren, um den Verschleiß des internen Kanals zu überprüfen. Sobald Anzeichen von Verschleiß auftreten, muss das Heatbreak ausgetauscht werden.

Bei Heatbreaks mit Tefloneinsatz ist der Einsatz direkt dem Verschleiß ausgesetzt. Dieser muss alle 500 Stunden bei Verwendung von PLA, alle 300 Stunden bei Verwendung von ABS oder PETG und alle 80 Stunden bei Verwendung abrasiver Filamente ausgetauscht werden.

Kühlkörper

Das Heatbreak ist normalerweise direkt an einem Kühlkörper befestigt. Dieser kann passiv (Lamellenkühlkörper) oder aktiv (Lamellenkühlkörper + Lüfter) sein. Die Fähigkeit, Wärme aus dem kalten Bereich des Heatbreaks abzuleiten, ist entscheidend, um Probleme zu vermeiden. Eine übermäßige Erwärmung des kalten Bereichs kann dazu führen, dass das Filament erweicht und komprimiert wird, was zu einem Verstopfen führt. Dieses Phänomen wird als Wärmebrückenbildung bezeichnet und tritt häufig auf, wenn PLA auf einem Hotend mit metallischem Heatbreak gedruckt wird.

Um eine optimale Wärmeableitung zu gewährleisten, ist es erforderlich, Wärmeleitpaste im Verbindungsbereich des Heatbreaks mit dem Kühlkörper aufzutragen. Es wird empfohlen, Wärmeleitpasten zu verwenden, die auch antihaftende Eigenschaften wie Bor-Nitrid haben, um das Entfernen des Kühlkörpers bei zukünftigen Revisionen zu erleichtern.

Bei aktiven Kühlkörpern muss zu Beginn jedes Druckvorgangs überprüft werden, ob der Lüfter ordnungsgemäß funktioniert. Einige Drucker regeln diesen Lüfter thermisch, daher kann es sein, dass er erst ab 50 ºC oder 100 ºC am Hotend eingeschaltet wird.

Montage

Da jedes Element des Hotends aus einem anderen Material gefertigt ist und ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten ebenfalls unterschiedlich sind, ist es üblich, dass die Verbindung zwischen ihnen aufgrund plötzlicher Temperaturänderungen locker wird. Es ist daher sehr wichtig, alle 2-3 Wochen zu überprüfen, ob alle Elemente und Schrauben des Hotends ordnungsgemäß angezogen sind.

Wenn die Düse sich gelockert hat, muss sie erneut bei erhöhter Temperatur angezogen werden. Es ist sehr wichtig, dass das Heatbreak und die Düse fest und in Kontakt miteinander sind, da ein kleiner Spalt zwischen ihnen zu einem Ausfluss von geschmolzenem Material führen kann, das das Hotend beschädigt.

Bild 6: Kunststoffleckage durch unsachgemäßes Anziehen des Hotends. Quelle: forum.prusaprinters.org

Es ist wichtig, den Hersteller nach dem optimalen Anzugsmoment für jedes Hotend zu konsultieren, da ein übermäßiges Anzugsmoment das Gewinde des Heizblocks beschädigen wird. 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.

Mischung von Systemen

Es sollten immer Originalersatzteile oder zumindest Teile aus demselben System verwendet werden. Obwohl es manchmal scheinen mag, dass Kompatibilität zwischen Komponenten verschiedener Systeme besteht, da sie denselben Gewindetyp haben, sind auch die Länge und Abmessungen jedes Elements sehr wichtig. Die verschiedenen Komponenten eines Hotends wurden entwickelt, um zusammen ordnungsgemäß zu funktionieren, und das Mischen von Komponenten, die nicht zum selben System gehören, kann zu einer Fehlfunktion oder sogar zur Beschädigung des Hotends führen.

Materialwechsel

Beim Entfernen eines Filaments aus dem Hotend bleiben immer Rückstände im Inneren. Wenn ein neues Material mit einer niedrigeren Drucktemperatur geladen wird, wird es die nicht geschmolzenen Rückstände des vorherigen Materials herausziehen und so eine Verstopfung verursachen. Daher ist es wichtig, bei jedem Materialwechsel das Hotend mit einem Reinigungsfaden zu reinigen. Dazu werden zwischen 500 und 800 mm Reinigungsfaden bei einer Temperatur extrudiert, die 10 ºC höher ist als die des zuletzt verwendeten Materials.

Die Schichtlüfter

Obwohl der Schichtlüfter kein eigenes Element der Hotend ist, befindet er sich in der Regel neben diesem. Ein falsch platzierter Schichtlüfter kann die Luft direkt auf den Block lenken und ihn abkühlen lassen. Dies führt dazu, dass das Hotend die eingestellte Solltemperatur nicht erreicht oder dass die Temperatur stark schwankt, was normalerweise zu einem Temperaturfehler im Drucker führt. In solchen Fällen wird empfohlen, denselben Druckversuch mit deaktiviertem Schichtlüfter durchzuführen, um zu überprüfen, ob es sich um einen Fehler im Temperatursensor handelt oder ob dies auf eine schlechte Position des Schichtlüfters zurückzuführen ist.

Materialzuführung

Ein Einstiegspunkt für Schmutz in das Hotend ist der Filamentzufuhrbereich. In Bowden-Systemen, bei denen das Filament durch einen PTFE-Schlauch bis zum Hotend geführt wird, ist der Eingang geschützt und das Eindringen von Staub ist nicht üblich. In Druckern mit direktem Extruder kann der Eingang des Filaments jedoch der Luft ausgesetzt sein, was das Eindringen von Staub in das Hotend erleichtert. In solchen Fällen wird empfohlen, das Filament von der Spule zum Extruder durch einen PTFE-Schlauch zu führen, wann immer dies möglich ist. Das Eindringen von Staub und Schmutz in das Hotend ist eine häufige Ursache für Verstopfungen.

Ebenso wird empfohlen, die Filamentspulen sauber zu halten und zu vermeiden, dass sich Staub darauf ablagert. Es wird daher empfohlen, sie nicht auf dem Druckerständer zu lassen, wenn dieser nicht geschützt ist, und sie in geschlossenen Taschen oder Kisten aufzubewahren.

Drucker mit mehreren Hotends

Bei einem Drucker mit mehreren Hotends muss die relative Positionierung dieser kalibriert werden.

Zunächst sollte überprüft werden, ob der Abstand der Hotends zur Druckoberfläche gleich ist. Dazu wird das Haupt-Hotend fixiert und die Druckbasis wird daraufhin im Vergleich dazu eingeebnet. Dann muss die Höhe der anderen Hotends in Bezug auf das Haupt-Hotend angepasst werden. Die Methode zur Anpassung der Höhe variiert von einem Drucker zum anderen, daher sollte bei Unklarheiten die Anleitung des Geräts oder des Herstellers konsultiert werden.

Nachdem die Höhe der Hotends angepasst wurde, ist es erforderlich, die relative XY-Position jedes Hotends im Vergleich zum Haupt-Hotend zu kennen. Im Allgemeinen stellt jeder Hersteller eine Druckdatei bereit, mit der die XY-Verschiebung jedes Hotends kalibriert werden kann, obwohl es auch viele andere Optionen in bekannten Datei-Repositories gibt. In diesem Fall kann die XY-Position der Hotends nicht geändert werden, daher werden die Versatzwerte in das Firmware eingegeben, um die Position während des Drucks auszugleichen.

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

Bild 7: Doppel-Extruder-Kalibriermuster für Raise Pro2-Drucker. Quelle: Raise3D.com

Die Hotend ist wahrscheinlich das System des Druckers, das am meisten Wartung erfordert, jedoch ist es sehr wichtig, es in gutem Zustand zu halten, um eine gute Druckqualität zu gewährleisten und das Risiko von Ausfällen zu minimieren.

Hinweis: In diesem Leitfaden werden die Konzepte allgemein behandelt und konzentrieren sich nicht auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell, obwohl sie gelegentlich erwähnt werden können. Es kann wichtige Unterschiede in den Kalibrierungs- oder Anpassungsverfahren zwischen verschiedenen Marken und Modellen geben, daher wird empfohlen, die Anleitung des Herstellers zu konsultieren, bevor Sie diesen Leitfaden lesen.