Le hotend. Fonctionnement et performance thermique

Fonctionnement et Comportement Thermique d'un Hotend

L'extrudeur pousse le filament vers le hotend, créant une pression à l'intérieur de celui-ci. Lorsqu'il atteint la buse, le filament fond et sort sous l'effet de la pression générée par l'extrudeur. Pour que le filament soit correctement extrudé, il est essentiel qu'il fonde uniquement dans la zone de la buse et reste froid sur tout le trajet précédent.

Image 1 : Schéma des températures d'un Hotend. Source : Filament2print

C'est pourquoi tous les hotends sont thermiquement divisés 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 en dessous de la température de transition vitreuse (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 fournie par la cartouche chauffante. Cependant, maintenir la zone froide en dessous de la Tg peut être difficile. L'élément fondamental pour cela est le break-thermique ou le barillet, le seul élément faisant partie à la fois de la zone chaude et de la zone froide.

Types de Break-Thermique et Optimisation de la Dissipation de Chaleur

Le break-thermique sert d'élément de rupture thermique, séparant physiquement la zone chaude de la zone froide. Il existe fondamentalement deux types :

• Tout en métal : Fabriqués entièrement en métal. Ils utilisent généralement des métaux avec de faibles coefficients de transfert de chaleur, les plus courants étant l'acier et le titane. Parmi les breaks-thermiques tout en métal, il existe un sous-type offrant de meilleures performances thermiques, les breaks-thermiques bimétalliques. Dans ce type de breaks-thermiques, deux métaux différents sont utilisés pour les zones interne et externe, l'un ayant un faible coefficient de transfert de chaleur qui agit comme une barrière thermique et l'autre ayant un coefficient de transfert de chaleur élevé qui conduit la chaleur vers le dissipateur de chaleur.
• Pas tout en métal : Ces types de breaks-thermiques ont un insert en PTFE à l'intérieur qui sert d'isolant thermique. Ils ont la limitation de ne pas être adaptés aux températures d'impression supérieures à 240°C, mais sont les plus adaptés pour imprimer du PLA.

Image 2 : Conception d'un break-thermique tout en métal bimétallique. Source : Slice engineering

Pour que le break-thermique ait un comportement thermique adéquat, il doit toujours être en contact avec un système de dissipation de chaleur, généralement composé d'un dissipateur de chaleur à ailettes et d'un ventilateur. Dans ce cas, il est essentiel de maximiser le transfert de chaleur du break-thermique vers le dissipateur de chaleur, donc de placer de la pâte thermique à leur jonction et d'assurer un contact maximal. De même, le transfert de chaleur entre le bloc chauffant et le break-thermique doit être minimisé, donc jamais de pâte thermique ne doit être appliquée à leur jonction.

Imprimantes Fermées et avec Chambre Chauffée

Il y a un cas particulier où le contrôle thermique du hotend devient compliqué. Ce sont les imprimantes avec chambre fermée ou chauffée. À travers des systèmes classiques de dissipation de chaleur basés sur des dissipateurs de chaleur et des ventilateurs, la température la plus basse qui peut être atteinte est la température ambiante.

Lorsque des imprimantes fermées, surtout celles avec chambre chauffée, sont utilisées, la température ambiante à l'intérieur est proche de la Tg du matériau, donc la zone froide du hotend sera souvent au-dessus de cela. Pour résoudre ce problème, il est courant que les imprimantes avec chambre chauffée aient des systèmes de dissipation de chaleur utilisant un refroidissement liquide, capables de retirer la chaleur du hotend vers l'extérieur de l'imprimante. Les systèmes de refroidissement liquide ajoutent une certaine complexité à la maintenance, nécessitant des vérifications fréquentes de la pompe, des tuyaux et du niveau de liquide de refroidissement.

Image 3 : Hotend avec dissipateur de chaleur basé sur un refroidissement liquide. Source : Dyze Design.

Dans le cas des imprimantes fermées sans chambre chauffée, les températures atteintes ne sont généralement pas excessivement élevées pour la plupart des matériaux, le PLA étant le seul problème. Pour imprimer du PLA sur des hotends sans refroidissement liquide dans des imprimantes fermées, il est important de maintenir l'imprimante ouverte pendant l'impression.
Problèmes causés par une mauvaise performance thermique du hotend

Le principal problème résultant d'une performance thermique inadéquate est l'obstruction causée par le ramollissement du filament dans la zone froide. C'est pourquoi les défaillances se produisent principalement avec des filaments ayant une faible Tg, comme le PLA. Ce problème est connu sous le nom de blocage thermique et est l'un des plus courants lors de l'impression avec du PLA.

Lorsque des obstructions et des problèmes d'extrusion sont observés avec du PLA, qui disparaissent lorsque d'autres matériaux comme le PETg ou l'ABS sont utilisés, c'est généralement un symptôme d'un problème de dissipation de chaleur. En général, cela se résout en réappliquant de la pâte thermique à la jonction entre le break-thermique et le dissipateur de chaleur.

Limitations du Hotend

Une des principales limitations à prendre en compte pour un hotend est sa capacité à faire fondre un volume de plastique donné par unité de temps. Cela s'appelle le flux volumétrique maximal et limite principalement la vitesse d'impression maximale. Le flux volumétrique est obtenu en multipliant la hauteur de couche par la largeur d'extrusion et par la vitesse. C'est pourquoi la vitesse maximale à laquelle un hotend spécifique peut imprimer est plus faible lorsque la hauteur de couche configurée est plus élevée ou lorsque le diamètre de la buse utilisée est plus grand. Certains fabricants, en particulier ceux de hotends de haute qualité, fournissent le flux volumétrique maximal parmi les caractéristiques.