Sistemas de extrusión. Ajustes y mantenimiento.

El extrusor es el elemento responsable de traccionar el filamento hacia el interior del hotend de manera que se genere en el interior de este la presión suficiente para que el material fundido fluya de manera constante y homogénea a través del nozzle.

En función de la posición del extrusor se puede distinguir entre dos tipos de sistemas de extrusión diferentes: Directo y Bowden.

Sistemas de Extrusión Directa

En los sistemas directos el extrusor está situado en el cabezal de impresión acoplado directamente al hotend, moviéndose solidariamente con este. Debido a que tienen un recorrido corto y recto hasta el hotend, pueden controlar de forma más precisa la presión en la boquilla empleando distancias de retracción más cortas. Además, al comprimirse menos durante la extrusión y no haber holguras en el recorrido hasta el hotend, es mucho más fácil emplear filamentos flexibles y elásticos.

Dentro de los extrusores directos, se pueden distinguir dos tipos: los estándar y los compactos. En los extrusores directos estándar, el disipador sirve de elemento de separación entre el hotend y el extrusor. Este tipo de extrusores minimizan la transmisión de calor entre el hotend y el extrusor, lo que permite emplear materiales de alta temperatura sin que aparezcan problemas de sobrecalentamiento en el extrusor. Además suelen ser menos propensos a sufrir “Heat Creep” con PLA.

Los extrusores directos compactos suelen incorporar el disipador en la propia carcasa de este lo que permite acoplar el hotend directamente en el extrusor, minimizando el recorrido del filamento. Este tipo de extrusores son los recomendados para imprimir filamentos flexibles o elásticos de baja dureza.

Imagen 1: Extrusor directo estándar (izquierda) y compacto (derecha). Fuente: Bondtech

La principal desventaja de los extrusores directos es que, al estar integrados en el cabezal, incrementan el peso de éste provocando mayores inercias durante el movimiento. Comparados con los sistemas bowden, es recomendable emplear aceleraciones y velocidades de cambio de dirección menores. En general, prácticamente todos los extrusores directos emplean filamento en formato 1.75 mm.

Sistemas de extrusión Bowden

En los sistemas Bowden, el extrusor permanece fijo y conduce el filamento hacia el hotend a través de un tubo, generalmente de PTFE. Este tipo de sistemas reducen de forma importante el peso del cabezal, permitiendo emplear mayores aceleraciones y velocidades de cambio de dirección respecto a los sistemas directos. Sin embargo, presentan un inconveniente importante: el largo recorrido entre el extrusor y el hotend, unido al mayor diámetro interno del tubo Bowden, provocan la aparición de holguras y mayores compresiones del filamento, haciendo más complicado el control de retracciones. La optimización de materiales, especialmente flexibles y elásticos, en este tipo de sistemas es mucho más compleja que en el caso de sistemas directos. Además, es posible que ciertos filamentos flexibles y elásticos de baja dureza, así como filamentos frágiles como los metálicos o cerámicos, no puedan imprimirse en algunas impresoras con este tipo de extrusores.

Imagen 2: Extrusor con configuración Bowden. Fuente: Bondtech.se

Existen extrusores Bowden compatibles tanto con filamento de 1.75 mm como 2.85 mm. Debido a que el formato de 2.85 mm requiere mayores fuerzas de tracción para conseguir la misma presión que en el formato 1.75 mm, es recomendable en estos casos emplear motores de alta potencia o que incorporen reductoras. En el caso de emplear filamentos flexibles, es recomendable emplear siempre sistemas compatibles con filamento de 2.85 mm.

Calibración y mantenimiento

Con el fin de evitar problemas, es importante ajustar y mantener correctamente el sistema de extrusión. Existen una serie de puntos comunes en extrusores tanto directos como Bowden que es importante comprobar habitualmente.

1.Tensión de arrastre del extrusor

La mayoría de extrusores del mercado incluyen algún sistema que permite ajustar la tensión de tracción del filamento. Es muy importante ajustar correctamente este parámetro, ya que una tensión demasiado baja provocará que el filamento patine, derivando en problemas de falta de extrusión o extrusión inconsistente, mientras que una tensión excesivamente alta provocará mordeduras por desgaste en el filamento que disminuirán su sección y pueden provocar que falle la extrusión.

Imagen 3: Mordedura en un filamento provocada por una tensión excesiva del extrusor.

No siempre una mordedura en el filamento puede estar provocada por un problema en el ajuste de tensión del extrusor. En ocasiones puede estar provocada por un atasco en el hotend. Para diferenciar cual es la causa, lo más sencillo es empujar el filamento hasta que lo vuelva a agarrar el extrusor y comprobar si el plástico fluye con normalidad por la boquilla.

Imagen 4: Tornillo de ajuste de tensión de un extrusor. Fuente: Bondtech.se

Es recomendable reajustar la tensión cada vez que se cambia a un material con propiedades diferentes. El ABS, nylon, TPU o TPE pueden requerir ajustes de tensión muy diferentes. Para ajustar la tensión se deberán seguir los siguientes pasos:

1. Aflojar la tensión al máximo

2. Poner en marcha la extrusión de la impresora 3D y cargar el filamento.

3. Aumentar la tensión lentamente hasta que la ruedas comienzan a arrastrar el filamento y esperar hasta que empiece a salir plástico por la boquilla.

4. Aumentar más la tensión hasta que el plástico fluya de forma continua y uniforme, si fuese necesario.

La tensión adecuada es la mínima necesaria para arrastrar el filamento de forma constante.

2.  Mantenimiento de las ruedas de tracción

Los extrusores traccionan el filamento mediante dos ruedas opuestas, de las cuales al menos una presenta una superficie estriada o rugosa. No es habitual que aparezca desgaste en estas ruedas, salvo en el caso de emplear materiales abrasivos (filamentos reforzados con fibras, metálicos o cerámicos). En el caso de emplear habitualmente filamentos de este tipo es recomendable revisar periódicamente el estado de las ruedas y sustituirlas cuando presenten signos de desgaste.

Imagen 5: Ruedas de tracción de filamento. Fuente: Bondtech.se

Además de revisar el desgaste de las ruedas, es necesario comprobar también su limpieza. Es habitual que con el tiempo se acumulen restos de plástico desprendidos del filamento por fricción, que deben ser retirados para evitar que alcancen el hotend y provoquen un atasco. La limpieza se puede realizar empleando un pequeño cepillo y en muchos casos no requiere desmontar el extrusor, ya que muchos de ellos cuentan con una zona de acceso para facilitar esta tarea.

Imagen 6: Puerto de acceso para limpiar las ruedas. Fuente: Bondtech.se

La última tarea de mantenimiento que requieren las ruedas consiste en lubricar las zonas engranadas, ya sea entre el motor y la rueda de tractora o también entre las dos ruedas en caso de los sistemas DDG (dual drive geared). Es muy importante aplicar cantidades muy pequeñas de lubricante, y únicamente en las zonas engranadas, para evitar que se contamine el filamento o que pueda llegar lubricante al hotend.

3. Mantenimiento de los tubos PTFE

La mayoría de sistemas de extrusión incluyen una sección de tubo PTFE en algún punto.

En los sistemas Bowden, se emplea un tubo PTFE largo para conducir el filamento desde el extrusor hasta el hotend. Es muy importante emplear tubos PTFE de buena calidad con diámetros internos ajustados y constantes. Estos tubos de ptfe deben reemplazarse cuando muestren signos de desgaste o deterioro, así como cuando aparezcan dobleces o muescas.

En muchos sistemas directos también se emplean pequeños segmentos de tubo de PTFE. En los sistemas con hotends all-metal, es habitual que haya un tubo PTFE que conduce el filamento desde las ruedas de tracción hasta la entrada del heatbreak, mientras que en los sistemas con hotends no all-metal este tubo PTFE llega hasta la boquilla. Este pequeño tubo suele ser un elemento consumible que se debe reemplazar con frecuencia, especialmente en hotends no all-metal. Es recomendable emplear siempre los proporcionados por el fabricante del hotend, ya que suelen incorporar en ambos extremos un avellanado o mecanizado especial. En estos casos, usar secciones de tubo PTFE estándar cortados manualmente suelen provocar problemas de atascos, bien porque el tubo no tiene la longitud o forma de entrada correcta o bien porque el diámetro interno no es el adecuado.

Imagen 7: Diseño del inserto de PTFE de un extrusor para Prusa Mk3s+. Fuente: Prusa Research.

El mantenimiento y ajuste del extrusor debe ir siempre acompañado de un correcto mantenimiento del hotend, ya que al trabajar solidariamente los problemas del hotend pueden derivar en problemas en el extrusor y viceversa.