Mantenimiento básico del hotend

El hotend es uno de los componentes más importantes de una impresora 3D FFF y el que más desgaste sufre. Es imprescindible realizar un mantenimiento adecuado y revisarlo periódicamente para comprobar su estado.

Existen múltiples tipos de hotends, tanto independientes (ej. E3D V6) como integrados en cabezales compactos (Ej. Hemera, LGX FF), sin embargo todos tienen una serie de componentes comunes.

Imagen 1: Hotend integrado en el cabezal compacto LGX. Fuente: bondtech.se

En cualquier hotend podemos encontrar los siguientes componentes:

• Nozzle o boquilla: Es el elemento a través del cual se extruye el material fundido.
• Cartucho calefactor: Consiste en una resistencia cuya función es calentar el bloque calefactor.
• Sensor de temperatura: Puede ser de diferentes tipos: termistor, termopar, PT100,... Su función es medir la temperatura del bloque calefactor
• Bloque calefactor: Es el elemento encargado de transmitir la temperatura al nozzle y a la zona caliente del heatbreak.
• Heatbreak: Es el elemento de rotura térmica. Su función es guiar el filamento hasta el nozzle evitando que se funda antes de tiempo. Consta de una zona caliente y otra fría y su rendimiento térmico es fundamental para el correcto funcionamiento del hotend. Existen dos tipos diferentes: All metal y con inserto de teflón. El heatbreak all metal soporta altas temperaturas, pero es propenso a sufrir heat creep cuando su rendimiento térmico no es óptimo. El hotend con inserto de teflón evita que el filamento se funda en el interior del heatbreak y minimiza el rozamiento en el interior de este, sin embargo no se recomienda con materiales que requieran temperaturas superiores a 265 ºC.
• Disipador: Es el elemento encargado de refrigerar el heatbreak manteniendo diferenciadas la zona caliente y la zona fría. Puede ser pasivo o activo.

Imagen 2: Partes de un hotend. Fuente: cults3D.com

Para asegurar el correcto funcionamiento del hotend es necesario revisar, tanto el estado de cada uno de los elementos como el ensamblaje de todos ellos.

Nozzle

Se trata de un elemento consumible y por tanto con una vida útil limitada. El desgaste del nozzle provocará un aumento en el diámetro de salida y una reducción en la longitud de éste. Esto se reflejará en una extrusión inconsistente que deteriorará el acabado de las piezas.

Existen varios factores que aceleran el desgaste de un nozzle. El más habitual es el uso de materiales compuestos. La presencia de fibras o partículas en el filamento producen una elevada abrasión en las paredes del nozzle. Son especialmente abrasivos los filamentos de fibra de vidrio o carbono, los cargados con partículas cerámicas o metálicas y los filamentos fosforescentes.

Por otro lado, el material con el que está fabricado el nozzle también va a definir la durabilidad de este. Los materiales más habituales son los siguientes:

• Latón: Presentan una durabilidad muy limitada, incluso con filamentos no abrasivos. Es recomendable reemplazarlos a menudo para garantizar la máxima calidad de impresión.
• Latón o cobre con recubrimiento de níquel: El recubrimiento de níquel proporciona una mayor dureza superficial al nozzle y por tanto una mayor resistencia a la abrasión. Su durabilidad es muy alta con filamentos no abrasivos y moderada con filamentos abrasivos.
• Acero inoxidable: Estos nozzles están desarrollados para aplicaciones médicas y de contacto con alimentos, sin embargo presentan una buena durabilidad con filamentos no abrasivos. A pesar de que tienen una durabilidad moderada con filamentos abrasivos, no son la opción más recomendada.
• Acero endurecido y similares: Presentan una buena durabilidad cuando se usan con materiales abrasivos y muy buena con filamentos no abrasivos. En general la calidad de impresión no es tan buena como en los casos anteriores debido a la rugosidad del material y su adherencia con el plástico fundido, sin embargo algunos incorporan recubrimientos especiales que solventan este problema.
• Con punta de rubí: El rubí es uno de los materiales más duros y que menos desgaste sufre, sin embargo sólo la punta del nozzle está fabricada con este material, la cual está engarzada en un nozzle de latón. Tiene una elevada durabilidad con materiales no abrasivos y su principal ventaja es que no pierde calidad durante toda su vida útil. Con el tiempo la parte de latón sufre desgaste hasta que se desprende la punta de rubí. Con materiales muy abrasivos es recomendable usar nozzles de acero endurecido.

Imagen 3: Nozzles de latón, cobre niquelado y acero endurecido. Fuente: Brozzl.com

Es difícil hacer hacer una estimación de con qué frecuencia se debe reemplazar un nozzle, ya que depende en gran medida del material usado y la temperatura, sin embargo, a modo orientativo, se pueden estimar los siguientes valores:

• Nozzle de latón:
• Con materiales no abrasivos: Cambiar cada 200 h de uso.
• Con materiales abrasivos: no se recomienda usar.
• Nozzle de latón niquelado:
• Con materiales no abrasivos: Cambiar cada 1000 h de uso.
• Con materiales abrasivos: Cambiar cada 100 h de uso.
• Acero inoxidable:
• Con materiales no abrasivos: Cambiar cada 1000 h de uso.
• Con materiales abrasivos: 100 h.
• Acero endurecido:
• Con materiales no abrasivos: no se recomienda usar.
• Con materiales abrasivos: 400 h.
• Con punta de rubí:
• Con materiales no abrasivos: cuando se desprenda el rubí.
• Con materiales abrasivos: cuando se desprenda el rubí.

Cartucho calefactor

El fallo más frecuente relacionado con el cartucho calefactor se debe a un problema con la conexión. Los cables que entran en el cartucho generalmente están protegidos con dos fundas plásticas resistentes a la temperatura. Estas fundas tienden a degradarse con el uso dejando al descubierto el hilo metálico. En cuanto el desgaste sea evidente se debe cambiar el cartucho calefactor, ya que la pérdida del aislante de los cables puede provocar un cortocircuito, un incendio o daño grave al usuario.

Sensor de temperatura

Al igual que el cartucho calefactor, el punto más delicado es la conexión de los cables. Un daño en el cable o en su conexión provocará medidas de temperatura erróneas y erráticas. Si el cable se rompe por completo, el valor de temperatura permanecerá fijo en su valor máximo. Es recomendable revisar el estado de las conexiones con frecuencia.

Imagen 4: Distintos formatos de termistor NT100. Fuente: alibaba.com

Bloque calefactor

A pesar de que no requiere ninguna tarea de mantenimiento específica, es muy importante mantenerlo lo más limpio posible. Los restos de plástico acumulados pueden desprenderse y adherirse a la pieza durante la impresión, provocando defectos estéticos o incluso fallos en la impresión. El uso de fundas de silicona o pinturas repelentes de plástico pueden ayudar a mantener el bloque limpio, especialmente cuando se imprime con materiales como el PETG. En el caso de emplear fundas de silicona, es recomendable retirarlas y limpiarlas habitualmente, así como sustituirlas en cuanto comienzan a degradarse. En el caso de la pintura antiadherente, se recomienda dar nuevas aplicaciones cada 2 o 3 impresiones.

Imagen 5: Funda de silicona de E3D. Fuente: e3d-online.com

Heatbreak

Los Heatbreaks completamente metálicos, no se requiere un mantenimiento especial. Si se imprimen habitualmente materiales abrasivos, es recomendable desmontar el heatbreak cada 500h de uso para comprobar el desgaste de la garganta interna. En cuanto se empiecen a observar signos de desgaste, se deberá reemplazar el heatbreak.

En el caso de los Heatbreaks con inserto de teflón, el desgaste lo sufre directamente el inserto. Éste se deberá cambiar cada 500 h de uso con PLA, cada 300 h de uso con ABS o PETG y cada 80 h de uso con filamentos abrasivos.

Disipador

El heatbreak suele estar anclado directamente a un elemento de disipación. Este puede ser pasivo (disipador de aletas) o activo (disipador de aletas + ventilador). La capacidad que tenga para evacuar el calor de la zona fría del heatbreak es fundamental para evitar problemas. Un calentamiento excesivo de la zona fría puede provocar que el filamento reblandezca y se comprima, provocando un atasco. Este fenómeno se conoce como heat creep y es habitual cuando se imprime PLA en un hotend con heatbreak metálico.

Para asegurar una disipación óptima, es necesario aplicar pasta térmica en la zona de unión del heatbreak con el disipador. Es recomendable emplear pastas térmicas que a la vez tengan propiedades antiadherentes cómo la de nitruro de boro, para facilitar el desmontaje del disipador en próximas revisiones.

En el caso de los disipadores activos, se debe comprobar al principio de cada impresión que el ventilador funciona correctamente. Algunas impresoras controlan termostáticamente este ventilador, por lo que puede que permanezca apagado hasta que el hotend alcanza 50 ºC o 100 ºC.

Montaje

Debido a que cada elemento del hotend está fabricado en un material distinto y que sus coeficientes de dilatación térmica son también diferentes, es frecuente que la unión entre ellos se afloje debido a los cambios bruscos de temperatura. Es muy importante comprobar cada 2-3 semanas que todos los elementos y tornillos del hotend estén correctamente apretados.

En el caso de que el nozzle se haya aflojado, se deberá apretar de nuevo en caliente. Es muy importante que el heatbreak y el nozzle estén apretados y en contacto entre sí, ya que un pequeño espacio entre ambos producirá una fuga de material fundido que dañará el hotend.

Imagen 6: Fuga de plástico provocada por un mal apriete del hotend. Fuente: forum.prusaprinters.org

Se debe consultar con el fabricante el par de apriete óptimo para cada hotend, ya que un par excesivo dañará la rosca del bloque calefactor. Como referencia, E3D recomienda un par de 3 n·m para sus hotends, mientras que slice engineering emplea 1.5 n·m. En el caso de no disponer de un valor de referencia del fabricante, se puede optar por un par en el rango 1-2 n·m

Es importante también revisar los tornillos que sujetan el cartucho calefactor y el sensor de temperatura.

Mezcla de sistemas

Se deben emplear siempre recambios originales o por lo menos pertenecientes al mismo sistema. Aunque muchas veces puede parecer que existe compatibilidad entre componentes de distintos sistemas, ya que poseen el mismo tipo de rosca, son muy importantes también la longitud y dimensiones de cada elemento. Los distintos componentes de un hotend han sido diseñados para funcionar correctamente en conjunto, y mezclar componentes que no forman parte del mismo sistema puede provocar un mal funcionamiento o incluso dañar el hotend.

Cambios de material

Cuando se retira un filamento del hotend, siempre quedan restos en el interior. Al cargar un nuevo material con una temperatura de impresión más baja, este arrastrará los restos sin fundir del material anterior provocando un atasco. Es por esto que siempre que se realice un cambio de material se debe limpiar el hotend mediante un filamento de limpieza. Para ello, se extruirán entre 500 y 800 mm de filamento de limpieza a una temperatura 10 ºC superior a la del último material usado.

El ventilador de capa

Aunque el ventilador de capa no es un elemento propio del hotend, suele estar situado al lado de éste. Un ventilador de capa mal colocado puede dirigir el aire directamente al bloque haciendo que este se enfríe. Esto provoca que el hotend no alcance la temperatura de consigna marcada o que la temperatura oscile mucho, lo cual suele resultar en un error de temperatura en la impresora. En estos casos es recomendable probar la misma impresión con el ventilador de capa desactivado para verificar si se trata de un fallo en la sonda de temperatura o es efecto de una mala posición del ventilador de capa.

Entrada del filamento

Un punto de entrada de suciedad dentro del hotend es la zona de entrada del filamento. En los sistemas Bowden, donde el filamento va guiado por un tubo PTFE hasta el hotend, la entrada está protegida y no es habitual que entre polvo, sin embargo en las impresoras con extrusor directo, la entrada de filamento puede estar expuesta al aire facilitando la entrada de polvo en el interior del hotend. En estos casos es recomendable guiar el filamento desde la bobina hasta el extrusor a través de un tubo de PTFE siempre que sea posible. La entrada de polvo y suciedad en el hotend es una causa habitual de atascos.

Del mismo modo, se recomienda mantener las bobinas de filamento limpias y evitar que se deposite polvo sobre ellas, por lo que se debe evitar dejarlas en el soporte de la impresora si éste no está protegido y almacenarlas dentro de bolsas o cajas cerradas.

Impresoras con múltiples hotends

Cuando se dispone de una impresora con múltiples hotends, hay que calibrar la posición relativa de estos.

En primer lugar, se debe comprobar que la distancia de los hotends a la superficie de impresión es la misma. Para ello se fijará el hotend principal y se nivelará la base de impresión respecto a este. A continuación se debe ajustar la altura del resto de hotends respecto al principal. El modo de ajustar la altura varía de una impresora a otra, por lo que se debe consultar el manual del equipo o al fabricante en caso de no saber cómo hacerlo.

Una vez ajustada la altura de los hotends, es necesario conocer la posición relativa en XY de cada uno respecto del principal. En general, cada fabricante facilita un archivo de impresión que permite calibrar el desfase en XY de cada hotend, aunque existen también muchas otras opciones en conocidos repositorios de archivos. En este caso, no se puede alterar la posición en XY de los hotends, por lo que los valores de desfase se introducirán en el firmware para que esté compense la posición durante la impresión.

La altura de los hotends se debe revisar cada 2 semanas, mientras que la calibración en XY se realizará únicamente cuando se detecten desfases o solapamientos de las partes impresas con cada hotend.

Imagen 7: Patrón de calibración de doble extrusor para impresoras Raise Pro2. Fuente: Raise3D.com

El hotend es probablemente el sistema de la impresora que mayor mantenimiento requiere, sin embargo es muy importante mantenerlo en buen estado para asegurar una buena calidad de impresión y minimizar el riesgo de fallos.

Nota: En esta guía se tratan los conceptos de forma general y sin enfocarse en una marca o modelo concreto, aunque se puedan mencionar en algún momento. Pueden existir diferencias importantes en los procedimientos de calibración o ajuste entre diferentes marcas y modelos, por lo que se recomienda consultar el manual del fabricante antes de leer esta guía.