El hotend. Funcionamiento y rendimiento térmico

Funcionamiento y comportamiento térmico de un hotend

El extrusor empuja el filamento hacia el hotend, creando una presión en su interior. Al alcanzar la boquilla, el filamento se funde y sale gracias a la presión generada por el extrusor. Para que el filamento se extruya correctamente es fundamental que éste se funda sólo en la zona de la boquilla y se mantenga frío en todo el recorrido anterior.

Imagen 1: Esquema de temperaturas de un hotend. Fuente: Filament2print

Es por esto que todos los hotends se dividen térmicamente en dos zonas:

• La zona caliente, que debe permanecer siempre por encima de la temperatura de fusión del filamento.
• La zona fría, que debe estar siempre por debajo de la Tg del material.

Mantener la zona caliente por encima de la temperatura de fusión del material es sencillo, ya que depende únicamente del calor aplicado por el cartucho calefactor, sin embargo mantener la zona fría por debajo de la Tg puede resultar complejo. El elemento fundamental para ello es el heatbreak o barrel, el único elemento que forma parte tanto de la zona caliente cómo de la fría.

Tipos de heatbreak y optimización de la disipación de calor

El heatbreak sirve de elemento de rotura térmica, separando físicamente la zona caliente de la fría. Existen fundamentalmente dos tipos:

• All-metal: formados completamente de metal. Se suelen emplear metales con bajo coeficiente de transmisión de calor, siendo los más habituales acero y titanio. Dentro de los heatbreak all-metal, existe un subtipo que presenta un mejor rendimiento térmico, los heatbreaks bimetálicos. En este tipo de heatbreaks se emplean dos metales diferentes para la zona interna y externa, uno con bajo coeficiente de transmisión de calor que hace de rotura térmica y otro con alto coeficiente de transmisión de calor que conduce el calor hacia el disipador.
• No all-metal: Este tipo de heatbreaks cuentan con un inserto de PTFE en el interior que sirve de aislante térmico. Tienen la limitación de no ser aptos para temperaturas de impresión superiores a 240 ºC, sin embargo son los más adecuados para imprimir PLA.

Imagen 2: Diseño de un heatbreak all-metal bimetálico. Fuente: Slice engineering

Para que el heatbreak tenga un comportamiento térmico adecuado, debe ir siempre en contacto con un sistema de disipación de temperatura, en general formado por disipador de aletas y un ventilador. En este caso es muy importante maximizar la transmisión de calor desde el heatbreak al disipador, por lo que se debe aplicar pasta térmica en su unión y asegurar el máximo contacto posible. Del mismo modo, se debe minimizar la transmisión entre el bloque calefactor y el heatbreak, por lo que nunca se puede aplicar pasta térmica en su unión.

Impresoras cerradas y con cámara calefactada

Existe un caso particular donde el control térmico del hotend se complica. Se trata de las impresoras con cámara cerrada o calefactada. Mediante los sistemas de disipación habituales basados en disipador de aletas y ventilador, la temperatura más baja que se puede alcanzar es la temperatura ambiente.

Cuando se emplean impresoras cerradas y especialmente aquellas con cámara calefactada, la temperatura ambiente en su interior es próxima a la Tg del material, por lo que la zona fría del hotend estará, en muchos casos, por encima de esta. Para solucionar este problema, es habitual que las impresoras con cámara calefacta cuenten con sistemas de disipación mediante refrigeración líquida, capaces de extraer el calor del hotend al exterior de la impresora. Los sistemas de refrigeración líquida añaden cierta complejidad al mantenimiento, siendo necesario revisar con frecuencia el estado de la bomba, de los conductos y de los niveles de refrigerante.

Imagen 3: Hotend con disipador basado en refrigeración líquida. Fuente: Dyze Design.

En el caso de impresoras cerradas sin cámara calefactada, las temperaturas alcanzadas no suelen ser excesivamente altas para la mayoría de materiales, siendo el PLA el único problemático. Para imprimir PLA en impresoras cerradas con hotends sin refrigeración líquida, es importante mantener la impresora abierta durante la impresión.
Problemas provocados por un mal rendimiento térmico del hotend

El principal problema derivado de un rendimiento térmico inadecuado, son los atascos provocados por el reblandecimiento del filamento en la zona fría. Es por esto que los fallos aparecen principalmente en filamentos con una Tg baja, como el PLA. Este problema se conoce como heatcreep y es uno de los más habituales en la impresión con PLA.

Cuando se observan atascos y problemas de extrusión con PLA, que desaparecen cuando se emplean otros materiales como PETg o ABS, suele ser síntoma de un problema en la disipación del calor. Generalmente se soluciona aplicando de nuevo pasta térmica en la unión entre el heatbreak y el disipador.

Limitaciones del hotend

Una de las principales limitaciones que se deben considerar de un hotend, es la capacidad de fundir un volumen de plástico determinado por unidad de tiempo. A esto se lo conoce como caudal volumétrico máximo y limita principalmente la velocidad máxima de impresión. El caudal volumétrico se obtiene del producto de la altura de capa por el ancho de extrusión y por la velocidad. Es por esto que la velocidad máxima a la que permite imprimir un hotend concreto es menor cuanta mayor es la altura de capa configurada o cuando mayor diámetro tiene la boquilla empleada. Algunos fabricantes, sobre todo los de hotends de alta calidad, facilitan el dato de caudal volumétrico máximo entre las características.