Funktionsweise und thermisches Verhalten eines Hotends

Der Extruder drückt das Filament in das Hotend und erzeugt einen Druck im Inneren. Wenn es die Düse erreicht, schmilzt das Filament und tritt aufgrund des Drucks des Extruders aus. Damit das Filament ordnungsgemäß extrudiert wird, ist es entscheidend, dass es nur im Bereich der Düse schmilzt und auf der gesamten vorherigen Strecke kühl bleibt.

Bild 1: Temperaturschema eines Hotends. Quelle: Filament2print

Deshalb sind alle Hotends thermisch in zwei Zonen unterteilt:

• Die heiße Zone, die immer über der Schmelztemperatur des Filaments bleiben muss.
• Die kalte Zone, die immer unterhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) des Materials bleiben muss.

Es ist einfach, die heiße Zone über der Schmelztemperatur des Materials zu halten, da dies nur von der Wärme abhängt, die von der Heizpatrone abgegeben wird. Die kalte Zone unterhalb der Tg zu halten, kann jedoch schwierig sein. Das grundlegende Element dafür ist der Heatbreak oder das Barrel, das das einzige Element ist, das sowohl zur heißen als auch zur kalten Zone gehört.

Arten von Heatbreaks und Optimierung der Wärmeableitung

Der Heatbreak dient als thermisches Trennelement, das die heiße Zone physisch von der kalten Zone trennt. Es gibt grundsätzlich zwei Arten:

• Ganzmetall: Vollständig aus Metall gefertigt. Sie verwenden in der Regel Metalle mit niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten, wobei Stahl und Titan die häufigsten sind. Unter den Ganzmetall-Heatbreaks gibt es einen Untertyp mit besserer thermischer Leistung, die bimetallischen Heatbreaks. Bei diesen Heatbreaks werden zwei verschiedene Metalle für die innere und äußere Zone verwendet, wobei eines einen niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist, der als thermische Trennung dient, und das andere einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist, der die Wärme zum Kühler leitet.
• Nicht ganz Metall: Diese Art von Heatbreaks hat einen PTFE-Einsatz im Inneren, der als thermische Isolierung dient. Sie haben die Einschränkung, dass sie nicht für Drucktemperaturen über 240 °C geeignet sind, sind jedoch am besten für das Drucken von PLA geeignet.

Bild 2: Design eines bimetallischen Ganzmetall-Heatbreaks. Quelle: Slice engineering

Damit das Heatbreak ein angemessenes thermisches Verhalten aufweist, muss es immer mit einem Wärmeableitungssystem in Kontakt stehen, das normalerweise aus einem Lamellenkühler und einem Lüfter besteht. Dabei ist es wichtig, den Wärmeübergang vom Heatbreak zum Kühler zu maximieren, sodass Wärmeleitpaste an ihrer Verbindung aufgetragen und maximaler Kontakt sichergestellt werden muss. Ebenso muss der Wärmeübergang zwischen dem Heizblock und dem Heatbreak minimiert werden, sodass niemals Wärmeleitpaste an ihrer Verbindung aufgetragen werden darf.

Geschlossene und beheizte Drucker

Es gibt einen speziellen Fall, in dem die thermische Kontrolle des Hotends kompliziert wird. Es handelt sich um Drucker mit geschlossenem oder beheiztem Gehäuse. Mit herkömmlichen Wärmeableitungssystemen basierend auf Lamellenkühlern und Lüftern ist die niedrigste erreichbare Temperatur die Umgebungstemperatur.

Bei Verwendung von geschlossenen Druckern, insbesondere solchen mit beheizten Gehäusen, liegt die Umgebungstemperatur im Inneren nahe der Tg des Materials, sodass die kalte Zone des Hotends oft darüber liegt. Um dieses Problem zu beheben, verfügen Drucker mit beheiztem Gehäuse häufig über Wärmeableitungssysteme mit Flüssigkeitskühlung, die in der Lage sind, die Wärme vom Hotend nach außen aus dem Drucker zu entfernen. Flüssigkeitskühlsysteme erhöhen die Komplexität der Wartung und erfordern häufige Überprüfungen der Pumpe, der Schläuche und des Kühlflüssigkeitsstands.

Bild 3: Hotend mit Flüssigkeitskühlung. Quelle: Dyze Design.

In Fällen von geschlossenen Druckern ohne beheiztes Gehäuse sind die erreichten Temperaturen für die meisten Materialien in der Regel nicht übermäßig hoch, wobei PLA das einzige problematische ist. Um PLA auf Hotends ohne Flüssigkeitskühlung in geschlossenen Druckern zu drucken, ist es wichtig, den Drucker während des Drucks offen zu halten.
Probleme aufgrund einer unzureichenden thermischen Leistung des Hotends

Das Hauptproblem einer unzureichenden thermischen Leistung sind Verstopfungen, die durch das Erweichen des Filaments im kalten Bereich verursacht werden. Daher treten Fehler hauptsächlich bei Filamenten mit niedriger Tg, wie PLA, auf. Dieses Problem wird als Heatcreep bezeichnet und ist eines der häufigsten Probleme beim Drucken mit PLA.

Wenn Verstopfungen und Extrusionsprobleme mit PLA auftreten, die verschwinden, wenn andere Materialien wie PETg oder ABS verwendet werden, deutet dies häufig auf ein Problem mit der Wärmeableitung hin. Normalerweise wird dies behoben, indem Wärmeleitpaste erneut an der Verbindung zwischen dem Heatbreak und dem Kühler aufgetragen wird.

Einschränkungen des Hotends

Eine der Hauptbeschränkungen eines Hotends ist die Fähigkeit, ein bestimmtes Volumen an Kunststoff pro Zeiteinheit zu schmelzen. Dies wird als maximale volumetrische Durchflussrate bezeichnet und begrenzt hauptsächlich die maximale Druckgeschwindigkeit. Die volumetrische Durchflussrate wird aus dem Produkt aus Schichthöhe, Extrusionsbreite und Geschwindigkeit ermittelt. Daher ist die maximale Geschwindigkeit, mit der ein bestimmtes Hotend drucken kann, umso geringer, je größer die eingestellte Schichthöhe oder je größer der Durchmesser der verwendeten Düse ist. Einige Hersteller, insbesondere von hochwertigen Hotends, geben die maximale volumetrische Durchflussrate in ihren Spezifikationen an.