Das Hotend ist eines der grundlegenden Teile eines FDM-3D-Druckers,und trotz seiner scheinbaren Einfachheit eines der komplexesten. Dieses Bauteil hängt nicht nur von der Auflösung des Druckers ab,sondern auch von der Fähigkeit, bestimmte Materialien,wie abrasive oder hochtemperaturbeständige, zu drucken. Es gibt mehrere Optionen bei der Auswahl eines Hotends,sowie mehrere Ersatzteile und Zubehörteile für jedes davon. Es gibt kein perfektes Hotend für alle Anwendungen, und die Auswahl des am besten geeignetenfür jeden Benutzer wird durch die bevorzugte Verwendung beim 3D-Druck oder durch die Materialien, die Sie normalerweise verwenden, bedingt sein.

Um zu lernen, wie man das am besten geeignete Hotend für jeden Benutzer auswählt und konfiguriert, ist es notwendig zu verstehen, wie es funktioniert und welche Teile es ausmachen.

Wie das Hotend funktioniert

Das Hotend ist die Gruppe von Elementen , die dazu bestimmt sind, das Filament zu schmelzen und auszuschieben, bevor es im Bauraum abgelagert wird. Das Hotend arbeitet immer in Verbindung mit dem Extruder,entweder in direkter oder indirekter Montage (Bowden). Es besteht im Wesentlichen aus: Der Extruder schiebt das Filament in eine kleine Kammer, wo es schmilzt und aufgrund des erzeugten Drucks das geschmolzene Material durch ein kleines Loch austritt, wo es sich verfestigt, wenn es auf die Basis des Aufbaus oder des Teils abgelagert wird. Da das Filament geschoben wird, muss es vor Erreichen des Schmelzbereichs maximale Steifigkeit beibehalten. Dafür müssen im Hotend zwei deutlich voneinander unterschiedene Teile vorhanden sein: eine kalte Zone und eine heiße Zone, mit einem Übergang zwischen ihnen, der so kurz wie möglich ist.

Bild 1: Umrisse eines Hotends. Quelle: impresoras3d.com

Teile des Hotends

Hotends bestehen hauptsächlich aus sechs Komponenten:

• Düse
• Heizblock.
• Temperatursonde.
• Heizpatrone.
• Heatbreak.
• Kühlkörper

Düse

Es ist der letzte Teil des Hotends und derjenige, der die Auflösung des Druckers in der XY-Ebene bestimmt. Bei der Auswahl des am besten geeigneten müssen wir drei Parameter berücksichtigen: das System, zu dem sie gehören, den Durchmesser und das Material.

System:

Es gibt mehrere Hotend-Systeme, obwohl die häufigsten zwei sind: das V6-System und das Mk8. Neben diesen haben einige anerkannte Marken wie Ultimaker, BCN3D oder Raise 3D ihre eigenen.

Bild 2: Düse MK8 und V6.

Obwohl sowohl die V6- als auch die MK8-Düsen ein M6x1-Gewinde haben und auf den ersten Blick kompatibel zu sein scheinen, ist dies nicht der Fall. Die Abmessungen unterscheiden sich erheblich zwischen den beiden. Während die Düsen des MK8-Systems eine Länge von 8 mm haben, haben die des V6-Systems eine Länge von 5 mm. Dies bedeutet, dass bei Druckern, bei denen der Niveausensor am Kopf angebracht ist, die Düse höher sein wird und nicht druckbar sein wird. Obwohl Änderungen am Drucker vorgenommen werden können, um Hotends aus einem anderen System anzupassen, ist es ratsam, im originalen System zu bleiben und das Mischen von Komponenten aus anderen Systemen zu vermeiden. Dies ist derzeit kein Problem, da es in beiden Systemen Hersteller gibt, die Komponenten von außergewöhnlicher Qualität produzieren, wie E3D, MicroSwiss oder 3DSolex.

Durchmesser:

Allgemein verwenden die meisten Hotends standardmäßig eine 0,4 mm Düse, da sie als der ideale Kompromiss zwischen Auflösung und Druckzeit gilt. Es gibt jedoch viele andere Durchmesseroptionen, die in bestimmten Fällen besser sein können.

Die Palette der verfügbaren Düsen variiert je nach System und Hersteller, reicht jedoch im Allgemeinen von 0,25 bis 0,8 mm. Dies liegt an den intrinsischen Einschränkungen der FDM-Technologie. Kunststoffe behalten bei geschmolzenem Zustand eine beträchtliche Viskosität bei, was es erforderlich macht, einen höheren Druck anzuwenden, je kleiner der Durchmesser ist. Deshalb ist bei einem Durchmesser unter 0,25 mm der erforderliche Druck so hoch, dass es unmöglich ist, einige Kunststoffe mit höherer Viskosität zu drucken. Einige Hersteller wie E3D haben jedoch experimentelle Düsen bis zu 0,15 mm,mit denen ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden können, indem mit PLA bei niedriger Geschwindigkeit gedruckt wird.

Bild 3: Düsen verschiedener Größen. Quelle: e3d-online.com

Für Düsen über 0,8 mm liegt die Einschränkung an der Fähigkeit der Hotends, ausreichend Kunststoffvolumenfluss zu schmelzen, um eine ordnungsgemäße Extrusion aufrechtzuerhalten. Eine Düse mit großem Durchmesser erfordert eine Extrusionsgeschwindigkeit, die so hoch ist, dass es unmöglich sein kann, das Filament mit derselben Geschwindigkeit zu schmelzen. Trotzdem haben es zwei der bekanntesten Hersteller teilweise geschafft, dieses Limit mit zwei verschiedenen Strategien zu lösen.

Zum einen bietet E3D zwei V6-Subsysteme namens Volcano und Supervolcano an, die auf der Erhöhung der Länge der heißen Zone des Hotends basieren, um einen viel größeren Kunststofffluss zu schmelzen. Dies ermöglicht die Möglichkeit, mit Düsen standardmäßiger Größen bei höheren Geschwindigkeiten zu drucken, sowie die Möglichkeit, Düsen bis zu 1,4 mm zu verwenden.

Bild 4: Düsen Supervolcano. Quelle: e3d-online.com

Andererseits hat der Hersteller 3DSolex die innovative Technologie "Core Heating Technology" eingeführt. Diese Technologie basiert auf der Aufteilung des Inneren des Hotends in drei Kammern,was eine größere heiße Oberfläche in Kontakt mit dem Filament und somit eine schnellere und homogenere Fusion ohne die Notwendigkeit einer Verlängerung der heißen Zone ermöglicht. Dank dieser bietet 3DSolex Düsen mit Durchmessern bis zu 2 mm, die mit dem V6-System kompatibel sind.

Bild 5: Düse 3DSolex. Quelle: 3DSolex.com

Materialien:

In den letzten Jahren hat das Aufkommen neuer fortschrittlicher Materialien auch die Notwendigkeit mit sich gebracht, Düsen aus neuen Materialien zu entwerfen. Derzeit sind die häufigsten Materialien bei der Herstellung von Düsen wie folgt:

• Messing: Es ist das gebräuchlichste Material. Seine Hauptvorteile sind niedrige Kosten, leichte Herstellbarkeit und hoher Wärmeübergangskoeffizient. Zu seinen Hauptnachteilen gehören geringe Verschleißfestigkeit, sowie seine geringe Beständigkeit gegen hohe Temperaturen,da es nicht ratsam ist, es über 300 ºC zu verwenden. Es ist das ideale Material, wenn nur mit Materialien wie PLA, ABS, ASA gedruckt wird
• Vermessingt: Es wird zum Standard bei Hochleistungshotends. Es handelt sich um eine Messingdüse, auf die eine feine Nickelbeschichtung aufgebracht wurde. Diese Oberflächenbehandlung verleiht ihnen eine höhere Verschleißfestigkeit, geringeren Reibungskoeffizienten und hohe Korrosionsbeständigkeit. Dadurch haben sie eine Haltbarkeit, die über Messingdüsen hinausgeht.
• Vermessingtes Kupfer: Das spezifische Material für den Druck mit Hochtemperaturfilamenten. Es muss mit einem Heizblock aus dem gleichen Material kombiniert werden. Ermöglicht Temperaturen bis zu 500 oC erreicht zu werden.
• Gehärteter Stahl oder Werkzeugstahl: Sie zeichnen sich durch hohe Abriebfestigkeit aus. Sie wurden entwickelt, um mit stark abrasiven Filamenten wie solchen zu arbeiten, die mit Fasern oder Partikeln verstärkt sind. Es ist in Materialien wie Metallfilamenten oder solchen mit Glasfaser- oder Kohlenstoffverstärkung unerlässlich. Ihr Hauptnachteil ist, dass sie in der Regel eine geringere Oberflächenqualität aufweisen als die vorherigen. Obwohl sie im Allgemeinen in Größen ab 0,4 mm erhältlich sind, wird empfohlen, Größen über 0,5 mm zu verwenden, um Verstopfungen zu vermeiden. Obwohl sie bis zu 500 ºC aushalten können, wird nicht empfohlen, sie mit abrasiven Materialien über 350 ºC zu verwenden
• Edelstahl: Obwohl es ähnlich aussehen mag wie das vorherige und viele Benutzer es für den Einsatz mit abrasiven Filamenten erwerben, ist dies nicht ihre Hauptanwendung, da ihre Abriebfestigkeit viel geringer ist als die der vorherigen. Diese Art von Düsen werden hauptsächlich in medizinischen und Lebensmittel-Anwendungen verwendet, da sie aufgrund ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit keine toxischen Partikel freisetzen, die sich mit dem geschmolzenen Material vermischen können. Es ist wahrscheinlich das seltenste Material bei der Herstellung von Düsen. Wie die vernickelten Kupferdüsen sind sie für Anwendungen bei hohen Temperaturen geeignet und halten bis zu 500 ºC aus.
• Messing oder Kupfer mit Rubin-Spitze: Dies sind Düsen aus Messing oder Kupfer, mit einem Rubin an der Spitze. Obwohl viele Leute glauben, dass es sich um Düsen handelt, die keinen Verschleiß und keine Abnutzung erleiden, ist dies nicht ganz korrekt. Es ist zwar richtig, dass die hohe Härte der Rubin-Spitze dazu führt, dass die Rubin-Spitze keinen Verschleiß und eine hohe Druckqualität für die gesamte Lebensdauer der Düse aufrechterhält, der aus Messing oder Kupfer gefertigte Körper leidet jedoch an Verschleiß. Bei Filamenten ohne Last ist die Haltbarkeit dieser Art von Düsen sehr hoch und in vielen Fällen kann sie höher sein als die des Druckers. Mit abrasiven Filamenten führt jedoch der interne Verschleiß des Messing- oder Kupferkörpers dazu, dass sich der Rubin im Laufe der Zeit von der Düse löst. Es ist die ideale Düse für den Druck abrasiver Materialien mit höchster Qualität, vorausgesetzt, dieser Einsatz wird eine begrenzte Lebensdauer verursachen. Es ist auch die ideale Düse für diejenigen Benutzer, die keine abrasiven Materialien verwenden und eine Düse mit hoher Haltbarkeit und die während der gesamten Lebensdauer die höchste Qualität beibehält, möchten.

Bild 6: Düse The Olson Ruby. Quelle: olssonruby.com

Heating block:

Es ist das Element, das die Wärme an die Düse und die heiße Zone des Heatbreaks überträgt. Es gibt hauptsächlich zwei Arten: normal und Hochtemperatur. Standard-Heizblöcke bestehen in der Regel aus Aluminium. Sie sind die wirtschaftlichste Option, halten jedoch nur Temperaturen bis zu 300 oC stand. Hochtemperatur-Heizblöcke bestehen aus vernickeltem Kupfer und können Temperaturen bis zu 500 oC standhalten.

Einige, wie die im V6-System, haben als Option eine Silikonhülle oder Socke, die dazu beiträgt, das Bauteil vor ausgestrahlter Wärme zu schützen, was bei Materialien wie PLA von besonderer Bedeutung ist.

Temperature probe:

Es ist das Element, das die Temperatur des Heizblocks misst. Es gibt mehrere verschiedene Typen mit unterschiedlichen Bauformen und Parametern. Es ist vielleicht eines der schwierigsten Elemente zu wechseln,da neben unterschiedlichen Bauformen möglicherweise Änderungen an der Drucker-Firmware oder sogar zusätzliche elektronische Komponenten erforderlich sind. Die häufigsten Typen sind drei:

• Thermistor: Es ist am häufigsten anzutreffen. Es hat eine hohe Genauigkeit bei niedrigen Temperaturen und sein Preis ist sehr wirtschaftlich. Als Nachteil ist es nicht für Temperaturen über 285 ºC geeignet.
• Thermoelement: Sie ermöglichen es, sehr hohe Temperaturen genau zu messen, jedoch können sie, wenn sie für einen bestimmten Bereich kalibriert sind, nicht gleichzeitig hohe und niedrige Temperaturen mit hoher Präzision messen. Obwohl sie in der Regel preiswert sind, erfordern sie zusätzliche Elektronik, um das Signal zu konvertieren. Einer ihrer Hauptnachteile ist, dass sie empfindlich auf elektromagnetische Störungen reagieren, daher müssen ihre Kabel abgeschirmt und von Stromversorgungen oder Spulen ferngehalten werden.
• PT100-Sonde: Sie haben den Einsatz von Thermoelementen fast vollständig ersetzt. Sie ermöglichen es, Temperaturen bis zu 500 ºC präzise zu messen, indem sie die Vorteile von Thermistoren und Thermoelementen kombinieren. Im Gegenzug ist ihr Preis der höchste und sie erfordern zusätzliche Elektronik.

Bild 7: PT100-Sonde. Quelle: e3d-online.com

Heating Cartridge:

Es besteht im Wesentlichen aus einem Widerstand, der beim Durchfließen eines Stroms Wärme an den Heizblock überträgt. Die häufigsten haben eine Leistung von 30 W oder 40 W. Mit Ausnahmen sind ihre Abmessungen im Allgemeinen universell. Sie sind in 12V- und 24V-Versionen erhältlich, es ist unerlässlich, die für die Druckerplatine geeignete Spannung zu verwenden.

Heatbreak:

Eines der wichtigsten Elemente des Hotends. Seine Funktion besteht darin, die heiße Zone und die kalte Zone des Hotends zu trennen und seine Qualität ist entscheidend, um mögliche Verstopfungen zu vermeiden. Es ist das Bauteil, das bestimmen wird, ob ein Hotend vom All-Metal-Typ ist oder nicht,je nachdem, ob sein Inneres mit Teflon beschichtet ist oder nicht. Es wird aus Materialien mit geringem thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten wie Edelstahl hergestellt, um den thermischen Unterbrechungseffekt zu erhöhen. Die höchste Qualität wird in Titan oder mit bimetallischen Kombinationen hergestellt wie Slice Engineering.

Bild 8: Bimetallisches Heatbreak von Slice Mosquito. Quelle: sliceengineering.com

Heatsink:

Seine Funktion besteht darin, die kalte Zone des Hotends zu kühlen, und zu verhindern, dass das Filament vor Erreichen der Schmelzzone erneut verhitzt. Es ist sehr wichtig, dass ihre Qualität und Leistung sehr hoch sind, insbesondere beim Einsatz hoher Temperaturen oder von Polymeren mit niedriger Erweichungstemperatur wie PLA. Im Falle von Direktantrieben besteht eine weitere wichtige Funktion darin, zu verhindern, dass Wärme an diesen übertragen wird,außer bei Ausnahmen von kompakten Extrudern wie dem E3D Aero und Hemera, bei denen der Extruderkörper selbst als Kühlkörper fungiert.

Bild 8: Kühlkörper für Slice Copperhead. Quelle: sliceengineering.com

Wie man das richtige Hotend auswählt

Wie wir zu Beginn besprochen haben, gibt es keinen idealen Hotend, das in allen Fällen mit maximaler Leistung arbeiten kann. Für jede Situation gibt es ein optimales Modell oder eine optimale Kombination. Obwohl Standard-Hotends im Allgemeinen gut bei gelegentlichen Drucken mit Grundmaterialien funktionieren, kann es bei anspruchsvolleren Situationen erforderlich sein, das Hotend oder bestimmte Komponenten davon zu ersetzen. Zu diesen speziellen Situationen gehören diese sechs häufigsten:

• Drucken mit nicht abrasiven Materialien bei hoher Temperatur
• Drucken mit abrasiven Materialien bei hoher Temperatur
• Drucken mit abrasiven Materialien
• Medizinische und Lebensmittel-Anwendungen
• 3D-Drucke im Großformat
• High-Speed-Drucke

Drucken mit nicht abrasiven Materialien bei hoher Temperatur

Obwohl im Allgemeinen die meisten gängigen Materialien Drucktemperaturen unter 280 oC haben, gibt es einige Ingenieursfilamente, deren Drucktemperatur leicht darüber liegen kann, wie zum Beispiel Polycarbonat oder sogar deutlich darüber wie PEKK. In diesen Fällen ist es unerlässlich, ein Hotend auszuwählen, dessen Komponenten hohe Temperaturen standhalten können. Zu diesem Zweck bestehen sowohl der Heizblock als auch die Düse aus vernickeltem Kupfer. Darüber hinaus müssen sie von einem All-Metal-Heatbreak mit dem niedrigstmöglichen Wärmeübertragungskoeffizienten begleitet sein, wie zum Beispiel solche aus Titan oder Bimetall-Verbindungen.

Aufgrund der Begrenzung durch die Thermistoren wird es wesentlich sein, dass das Hotend die Temperaturmessung über einen Thermoelement oder eine PT100-Sonde durchführt.

Im Falle der Verwendung eines direkten Extruders muss der Kühlkörper von hoher Qualität sein und so gut wie möglich gekühlt werden.

Unter den verfügbaren Optionen sind wahrscheinlich die besten für diese Art von Anwendung die Mosquito und Copperhead Hotends von Slice Engineering.

Bild 9: Slice Copperhead. Quelle: sliceengineering.com

Drucken mit abrasiven Materialien bei hoher Temperatur

Wahrscheinlich einer der anspruchsvollsten Fälle. Die Wahl wäre die gleiche wie im vorherigen Fall, außer dass es notwendig wäre, die vernickelte Kupferdüse durch eine für abrasive Materialien geeignete Düse zu ersetzen, wie zum Beispiel die gehärtete Stahldüse oder die E3D-Düse X in Größen von 0,6 mm. Beide kompatibel mit Slice Engineering Hotends.

Bild 10: Düse X. Quelle: e3d-online.com

Drucken mit abrasiven Materialien

Bei der Verwendung von abrasiven Materialien, aber ohne dass Temperaturen über 285 oC erforderlich sind, ist es auch ratsam, wie im vorherigenFall, eine verschleißfeste Düse und ein All-Metal-Heatbreak zu verwenden. Denn obwohl ein Teflon-Heatbreak auch ordnungsgemäß funktionieren würde, wäre der Verschleiß hoch und das PTFE-Rohr müsste häufig ersetzt werden. Unter den metallischen Heatbreaks haben Titan-Heatbreaks aufgrund ihrer hohen Härte eine größere Haltbarkeit gegenüber abrasiven Materialien. Dennoch wäre in diesem Fall ein Aluminium-Heizblock mehr als ausreichend.

Medizinische und Lebensmittel-Anwendungen

Im Falle des Druckens von Teilen mit biokompatiblen Materialien oder für den Lebensmittelgebrauch, ist das Wesentliche, eine Kontamination mit Metallrückständen zu vermeiden, die Toxizität verursachen können. Am besten ist es, dass alle Komponenten, die mit dem Filament in Kontakt kommen, aus Edelstahl oder Titan gefertigt sind. Deshalb wäre ein E3D V6 Hotend mit Titan-Heatbreak und Edelstahldüse die perfekte Kombination.

Bild 11: Edelstahldüse. Quelle: e3d-online.com

3D-Drucke im Großformat

Beim Drucken von Teilen mit großen Volumina, kann die Druckzeit vor der Auflösung primär sein. In diesen Fällen kann es nützlich sein, Düsen mit großen Durchmessern zu verwenden,größer als 1 mm. Dies bedeutet, dass Hotends verwendet werden müssen, die in der Lage sind, große Filamentströme in einem vernünftigen Tempo zu schmelzen. In diesen Situationen sind das V6 Volcano oder Supervolcano System eine der besten Optionen.

Bild 12: V6 Supervolcano. Quelle: e3d-online.com

High-Speed-Drucke

Wie im vorherigen Fall wird das Limit durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der unser Hotend in der Lage ist, das Filament zu schmelzen. Obwohl in diesem Fall sowohl das V6 Volcano als auch das V6 Supervolcano System geeignet wären, ist die optimale Option die Verwendung von Solex-Düsen mit "Core Heating Technology"-Technologie, die in der Lage sind, Flussraten von bis zu 30 mm³/s zu erreichen und mit sowohl E3D- als auch Slice Engineering-Hotends kompatibel sind.

Bild 13: Düsen 3DSolex. Quelle: 3dsolex.com

In vielen Fällen beschränken sich unsere Bedürfnisse nicht nur auf einen dieser Fälle, daher wird es notwendig sein, einen Kompromiss zu suchen, der eine angemessene Leistung in mehreren Situationen ermöglicht.

Allerdings ist es ideal, ein hochmodulares System wie das E3D V6 oder das neue Copperhead von Slice Engineering zu haben. Dank dieser beiden Systeme ist es möglich, unser Hotend umzubauen, um in jeder Situation maximale Leistung zu erbringen.