Le hotend. Fonctionnement et performance thermique

Fonctionnement et comportement thermique d'un hotend

L'extrudeur pousse le filament dans le hotend, créant ainsi une pression à l'intérieur de celui-ci. Lorsqu'il atteint la buse, le filament fond et sort grâce à la pression générée par l'extrudeuse. Pour que le filament s'extrude correctement, il est essentiel qu'il fonde uniquement dans la zone de la buse et qu'il reste froid tout au long du parcours précédent.

Image 1 : Diagramme de température d'un hotend. Source : Filament2print.

C'est pourquoi tous les hotends sont divisés thermiquement en deux zones :

• La zone chaude, qui doit toujours rester au-dessus de la température de fusion du filament.

• La zone froide, qui doit toujours être inférieure à la Tg du matériau.

Maintenir la zone chaude au-dessus de la température de fusion du matériau est simple, car cela dépend uniquement de la chaleur appliquée par la cartouche chauffante, mais maintenir la zone froide en dessous de la Tg peut être complexe. L'élément clé est le coupe-chaleur ou baril, le seul élément qui fait partie à la fois de la zone chaude et de la zone froide.

Types de heatbreak et optimisation de la dissipation de la chaleur

Le heatbreak sert d'élément de rupture thermique, séparant physiquement la zone chaude de la zone froide. Il en existe essentiellement deux types :

• Tout-métal : fait entièrement de métal. On utilise généralement des métaux ayant un faible coefficient de transfert de chaleur, les plus courants étant l'acier et le titane. Parmi les coupe-chaleur tout métal, il existe un sous-type qui présente de meilleures performances thermiques, les heatbreaks bimétalliques. Dans ce type de rupture thermique, deux métaux différents sont utilisés pour la zone interne et externe, l'un avec un faible coefficient de transfert thermique qui agit comme une rupture thermique et l'autre avec un coefficient de transfert thermique élevé qui conduit la chaleur vers le dissipateur.

• Non tout métal : ce type de heatbreaks comporte un insert en PTFE qui sert d'isolant thermique. Ils ont pour inconvénient de ne pas convenir à des températures d'impression supérieures à 240 ºC, mais ils sont les plus adaptés à l'impression du PLA.

Image 2 : Conception d'un heatbreak bimétallique tout métal. Source : Slice Engineering.

Pour que le heatbreak ait un comportement thermique correct, il doit toujours être en contact avec un système de dissipation de la température, généralement constitué d'un dissipateur à ailettes et d'un ventilateur. Dans ce cas, il est très important de maximiser le transfert de chaleur du heatbreak vers le radiateur. Il faut donc appliquer de la pâte thermique sur la jonction pour assurer un contact maximal. De même, le transfert de chaleur entre le bloc chauffant et le dissipateur thermique doit être réduit au minimum, de sorte que de la pâte thermique ne doit jamais être appliquée sur la jonction.

Imprimantes à chambre fermée et chauffée

Il existe un cas particulier où le contrôle thermique du hotend devient plus compliqué. Ce sont des imprimantes avec une chambre fermée ou chauffée. Avec les systèmes de dissipation habituels basés sur un dissipateur à ailettes et un ventilateur, la température la plus basse pouvant être atteinte est la température ambiante.

Lorsque l'on utilise des imprimantes fermées, et notamment celles dotées d'une chambre chauffée, la température ambiante à l'intérieur de l'imprimante est proche de la Tg du matériau, de sorte que la zone froide du hotend sera, dans de nombreux cas, supérieure à cette température. Pour résoudre ce problème, il est courant que les imprimantes dotées de chambres chauffées soient équipées de systèmes de dissipation par refroidissement liquide, capables d'extraire la chaleur du hotend vers l'extérieur de l'imprimante. Les systèmes de refroidissement liquide ajoutent une certaine complexité à l'entretien, avec des contrôles fréquents de l'état de la pompe, des conduites et des niveaux de liquide de refroidissement.

Image 3 : Hotend avec dissipateur à base de refroidissement liquide. Source : Slice Engineering.

Dans le cas des imprimantes fermées sans chambre chauffante, les températures atteintes ne sont généralement pas excessivement élevées pour la plupart des matériaux, le PLA étant le seul à poser problème. Pour imprimer du PLA sur des imprimantes fermées avec des hotends sans refroidissement liquide, il est important de garder l'imprimante ouverte pendant l'impression.

Problèmes causés par une mauvaise performance thermique du hotend

Le principal problème causé par une performance thermique inadéquate est le coincement dû au ramollissement du filament dans la zone froide. C'est pourquoi les échecs se produisent principalement dans les filaments à faible Tg, comme le PLA. Ce problème est connu sous le nom de heatcreep et est l'un des problèmes les plus courants dans l'impression PLA.

Lorsque l'on observe des problèmes de colmatage et d'extrusion avec le PLA, qui disparaissent lorsqu'on utilise d'autres matériaux comme le PETg ou l'ABS, il s'agit généralement du symptôme d'un problème de dissipation de la chaleur. Ce problème est généralement résolu en réappliquant de la pâte thermique à la jonction entre le heatbreak et le dissipateur.

Limites du hotend

L'une des principales limites d'un hotend à prendre en compte est la capacité à faire fondre un volume donné de plastique par unité de temps. Cette valeur est connue sous le nom de débit volumétrique maximal et limite principalement la vitesse d'impression maximale. Le débit volumique est le produit de la hauteur de la couche, de la largeur de l'extrusion et de la vitesse. C'est pourquoi la vitesse maximale à laquelle un hotend particulier peut imprimer est d'autant plus faible que la hauteur des couches est élevée ou que le diamètre de la buse utilisée est grand. Certains fabricants, notamment ceux de hotends de haute qualité, indiquent le débit volumétrique maximal comme l'une des caractéristiques.

Ce guide aborde les concepts de manière générale et ne se concentre pas sur une marque ou un modèle spécifique, bien qu'ils puissent être mentionnés à un moment donné. Il peut y avoir des différences importantes dans les procédures d'étalonnage ou de réglage entre les différentes marques et modèles, il est donc recommandé de consulter le manuel du fabricant avant de lire ce guide.