Come scegliere l'hotend giusto

L'hotend è una delle parti fondamentali di una stampante 3D FDM e, nonostante la sua apparente semplicità, è anche una delle più complesse. Da questo componente dipende non solo la risoluzione della stampante, ma anche la capacità di stampare determinati materiali come abrasivi o ad alta temperatura. Esistono molteplici opzioni quando si seleziona l'hotend, così come molti ricambi e accessori per ciascuno di essi. Non esiste l'hotend perfetto per tutte le applicazioni e la scelta di quello più adatto per ogni utente sarà condizionata dall'uso preferenziale della stampa 3D o dai materiali utilizzati abitualmente.

Per imparare a selezionare e configurare l'hotend più adatto a ciascun utente, è necessario comprendere come funziona e quali parti lo compongono.

Funzionamento dell'Hotend

L'hotend è l'insieme degli elementi destinati a fondere ed estrudere il filamento, prima di depositarlo nello spazio di costruzione. Lavora sempre in collaborazione con l'estrusore, sia in montaggio diretto che indiretto (bowden). In sostanza, l'estrusore spinge il filamento in una piccola camera dove si fonde e, grazie alla pressione generata, il materiale fuso esce da un piccolo foro dove si solidifica depositandosi sulla base di costruzione o sulla parte. Poiché il filamento viene spinto, è necessario che mantenga la massima rigidità prima di raggiungere la zona di fusione. Per fare ciò, nell'hotend devono esserci due parti chiaramente distinte: una zona fredda e una zona calda, con una transizione tra di esse il più breve possibile.

Immagine 1: Schema di un hotend. Fonte: impresoras3d.com

Componenti dell'hotend

Gli hotend sono composti principalmente da sei componenti:

• Nozzle o ugello.
• Blocco riscaldante.
• Sensore di temperatura.
• Cartuccia riscaldante.
• Heatbreak o elemento di interruzione termica.
• Radiatore.

Nozzle

È la parte finale dell'hotend e determina la risoluzione della stampante nel piano XY. Quando si seleziona quello più adatto, è necessario considerare tre parametri: il sistema al qualle appartengono, il diametro e il materiale.

Sistema:

Esistono molti sistemi di hotend, ma i più comuni sono due: il sistema V6 e il Mk8. Oltre a questi, alcuni marchi rinomati come Ultimaker, BCN3D o Raise 3D hanno i propri sistemi.

Immagine 2: Ugelli Mk8 e V6.

Anche se sia gli ugelli V6 che Mk8 hanno una filettatura M6x1 e potrebbe sembrare che siano compatibili a prima vista, non è così. Le dimensioni differiscono notevolmente tra i due. Mentre gli ugelli del sistema Mk8 hanno una lunghezza di 8 mm, quelli del sistema V6 hanno una lunghezza di 5 mm. Ciò implica che nelle stampanti in cui il sensore di livello è posizionato sulla testina, l'ugello sarà più alto e non sarà possibile stampare. Sebbene sia possibile apportare modifiche alla stampante per adattare hotend di un altro sistema, è consigliabile rimanere all'interno del sistema originale ed evitare di mescolare componenti di altri sistemi. Attualmente non è un problema in quanto esistono produttori in entrambi i sistemi che producono componenti di straordinaria qualità come E3D, MicroSwiss o 3DSolex.

Diametro:

In generale, la maggior parte degli hotend utilizza di default un ugello da 0,4 mm in quanto si considera il compromesso ideale tra risoluzione e tempo di stampa. Tuttavia, ci sono molte altre opzioni di diametro che possono essere migliori in determinati casi.

La gamma di ugelli disponibili varia a seconda del sistema e del produttore, ma in generale va da 0,25 a 0,8 mm. Questo è dovuto alle limitazioni intrinseche della tecnologia FDM. I materiali plastici, quando si fondono, mantengono una considerevole viscosità che richiede l'applicazione di una pressione maggiore quanto più piccolo è il diametro. Ecco perché sotto i 0,25 mm la pressione necessaria è così elevata che diventa impossibile stampare alcuni materiali plastici più viscosi. Tuttavia, alcuni produttori come E3D offrono ugelli sperimentali fino a 0,15 mm, con i quali è possibile ottenere risultati eccellenti stampando PLA a bassa velocità.

Immagine 3: Ugelli di diverse dimensioni. Fonte: e3d-online.com

Per gli ugelli con diametro superiore a 0,8 mm, il limite è dovuto alla capacità degli hotend di fondere il flusso volumetrico di plastica sufficiente per garantire una corretta estrusione. Un ugello di grande diametro richiede una velocità di estrusione così elevata che potrebbe essere impossibile fondere il filamento alla stessa velocità. Nonostante ciò, due dei produttori più rinomati sono riusciti a superare parzialmente questa limitazione utilizzando due strategie diverse.

Da un lato, E3D offre due sottosistemi V6 noti come Volcano e Supervolcano, che si basano sull'aumento della lunghezza della zona calda dell'hotend, consentendo di fondere un flusso di plastica molto maggiore. Ciò significa la possibilità di stampare a velocità più elevate con ugelli di dimensioni standard, nonché la possibilità di utilizzare ugelli fino a 1,4 mm.

Immagine 4: Ugelli Supervolcano. Fonte: e3d-online.com

D'altro canto, il produttore 3DSolex ha introdotto l'innovativa tecnologia "Core Heating Technology". Questa tecnologia si basa sulla divisione dell'interno dell'hotend in tre camere, ottenendo una maggiore superficie calda a contatto con il filamento e, di conseguenza, una fusione più rapida e uniforme senza la necessità di aumentare la lunghezza della zona calda. Grazie a ciò, 3DSolex offre ugelli con diametri fino a 2 mm compatibili con il sistema V6.

Immagine 5: Ugello 3DSolex. Fonte: 3DSolex.com

Materiali:

Negli ultimi anni, l'emergere di nuovi materiali avanzati ha comportato anche la necessità di progettare ugelli con nuovi materiali. Attualmente i materiali più comuni utilizzati nella produzione degli ugelli sono i seguenti:

• Ottone: È il materiale più comune. I suoi principali vantaggi sono il basso costo, la facilità di fabbricazione e l'elevato coefficiente di conduzione termica. Tra i suoi principali svantaggi ci sono la bassa resistenza all'usura e la bassa resistenza alle alte temperature, poiché non è consigliabile utilizzarlo oltre i 300 °C. È il materiale ideale quando si stampa solo con materiali come PLA, ABS, ASA.
• Ottone nichelato: Sta diventando lo standard negli hotend di alta qualità. Si tratta di un ugello in ottone rivestito con un sottile strato di nichel. Questo trattamento superficiale gli conferisce una maggior resistenza all'usura, un coefficiente di attrito inferiore e un'elevata resistenza alla corrosione. Ciò fa sì che abbiano una durata superiore rispetto agli ugelli in ottone.
• Rame nichelato: Il materiale specifico per stampare con filamenti ad alta temperatura. Deve essere abbinato a un blocco riscaldante dello stesso materiale. Consente di raggiungere temperature fino a 500 °C.
• Acciaio indurito o acciaio per utensili: Si distinguono per la loro elevata resistenza all'abrasione. Sono stati progettati per lavorare con filamenti altamente abrasivi come quelli rinforzati con fibre o particelle. Sono indispensabili per materiali come i filamenti metallici o quelli rinforzati con fibre di vetro o carbonio. Il loro principale svantaggio è che solitamente offrono una qualità superficiale di stampa inferiore rispetto ai precedenti. Sebbene siano generalmente disponibili in dimensioni da 0,4 mm, è consigliabile utilizzare dimensioni superiori a 0,5 mm per evitare ostruzioni. Anche se possono sopportare temperature fino a 500 °C, non è consigliabile utilizzarli con materiali abrasivi oltre i 350 °C.
• Acciaio inossidabile: Sebbene possa sembrare simile al precedente e molti utenti lo acquistino per utilizzarlo con filamenti abrasivi, questa non è la sua principale applicazione poiché la sua resistenza all'abrasione è molto inferiore rispetto ai precedenti. Questo tipo di ugelli sono principalmente utilizzati in applicazioni mediche e alimentari poiché, grazie alla loro alta resistenza alla corrosione, non rilasciano particelle tossiche che possono mescolarsi con il materiale fuso. È probabilmente il materiale meno comune nella produzione degli ugelli. Come gli ugelli in rame nichelato, sono adatti per applicazioni ad alta temperatura, resistendo fino a 500 °C.
• Ottone o rame con punta di rubino: Questi sono ugelli realizzati in ottone o rame, con un rubino incastonato sulla punta. Sebbene molti credano che siano ugelli che non si usurano, questo non è del tutto corretto. Sebbene sia vero che l'alta durezza della punta di rubino impedisca l'usura e mantenga una qualità di stampa elevata per tutta la durata dell'ugello, il corpo realizzato in ottone o rame si usurano. Con filamenti senza cariche, la durata di questo tipo di ugelli è molto elevata e in molti casi può essere superiore a quella della stampante stessa, tuttavia, con filamenti abrasivi l'usura interna del corpo in ottone o rame provoca che nel tempo il rubino si separi dall'ugello. Si tratta dell'ugello ideale per stampare materiali abrasivi con la massima qualità, tenendo conto che l'uso di tali materiali comporterà una durata limitata. È anche l'ugello ideale per gli utenti che non utilizzano materiali abrasivi e desiderano un ugello con elevata durata e che mantenga la massima qualità per tutta la sua vita utile.

Immagine 6: Ugello The Olson Ruby. Fonte: olssonruby.com

Blocco riscaldante:

È l'elemento responsabile del trasferimento di calore all'ugello e alla zona calda dell'heatbreak. Principalmente ci sono due tipi: standard e ad alta temperatura. I blocchi riscaldanti standard sono solitamente realizzati in alluminio. Sono più economici, ma sopportano solo temperature fino a 300 °C. I blocchi riscaldanti ad alta temperatura sono realizzati in rame nichelato e possono sopportare temperature fino a 500 °C.

Alcuni sistemi, come il V6, offrono l'opzione di utilizzare una guaina o calza in silicone che aiuta a proteggere il pezzo dal calore irradiato, il che è particolarmente importante quando si stampa con materiali come il PLA.

Sensore di temperatura:

È l'elemento incaricato di misurare la temperatura del blocco riscaldante. Sono disponibili diversi tipi, con diverse forme e specifiche. Potrebbe essere uno dei componenti più difficili da sostituire, poiché potrebbe richiedere modifiche al firmware della stampante o persino l'aggiunta di componenti elettronici aggiuntivi. I tipi più comuni sono i seguenti:

• Termistore: È il più comune. Ha un'alta precisione a basse temperature e il suo prezzo è molto conveniente. Come svantaggio, non è adatto a temperature superiori a 285 °C.
• Termocoppia: Consentono di misurare temperature molto elevate con precisione, tuttavia, essendo calibrate per un determinato intervallo, non possono misurare contemporaneamente temperature elevate e basse con precisione. Anche se solitamente sono economiche, richiedono componenti elettronici aggiuntivi per convertire il segnale. Uno dei principali inconvenienti è che sono sensibili al rumore elettromagnetico, quindi i loro cavi devono essere schermati e mantenuti lontani da fonti di alimentazione o bobine.
• Sonda PT100: Hanno sostituito quasi completamente l'uso delle termocoppie. Consentono di misurare temperature fino a 500 °C con precisione, unendo i vantaggi dei termistori e delle termocoppie. Come contro, hanno il prezzo più elevato e richiedono componenti elettronici aggiuntivi.

Immagine 7: Sonda PT100. Fonte: e3d-online.com

Cartuccia riscaldante:

Consiste, essenzialmente, in una resistenza che, passando una corrente attraverso di essa, trasmette calore al blocco riscaldante. Le più comuni hanno una potenza di 30 W o 40 W. Salvo eccezioni, in generale hanno dimensioni universali. Sono disponibili in versioni da 12V e 24V, ed è essenziale utilizzare la tensione corretta per la scheda della stampante.

Heatbreak:

Uno degli elementi più importanti dell'hotend. La sua funzione è separare la zona calda e la zona fredda dell'hotend e la sua qualità è determinante per evitare eventuali intasamenti. È il componente che determinerà se un hotend è di tipo All-Metal o meno, a seconda che l'interno sia rivestito di teflon o meno. Viene realizzato con materiali a basso coefficiente di conduzione termica come l'acciaio inossidabile per aumentare l'effetto di rottura termica. Quelli di maggior qualità sono realizzati in titanio o con combinazioni bimetalliche come quelli di Slice Engineering.

Immagine 8: Heatbreak bimetallico di Slice Mosquito. Fonte: sliceengineering.com

Disipatore:

La sua funzione è rinfrescare la zona fredda dell'hotend e evitare che il filamento si ammorbidisca prima di raggiungere la zona di fusione. È molto importante che la sua qualità e prestazioni siano molto elevate, soprattutto quando si utilizzano temperature elevate o polimeri con basso punto di ammorbidimento come il PLA. Nel caso di utilizzo di estrusori diretti, un'altra importante funzione è evitare che il calore si trasmetta all'estrusore stesso, salvo eccezioni di estrusori compatti come l'E3D Aero e Hemera, nei quali il corpo stesso dell'estrusore funge anche da dissipatore di calore.

Immagine 8: Dissipatore per Slice Copperhead. Fonte: sliceengineering.com

Come scegliere l'Hotend adatto

Come accennato in precedenza, non esiste l'hotend ideale in grado di lavorare al massimo rendimento in tutte le situazioni. Per ogni situazione, esiste un modello o una combinazione ottimale. Sebbene in generale gli hotend di serie offrano buone prestazioni in stampe occasionali con materiali di base, quando ci si trova di fronte a situazioni più impegnative potrebbe essere necessario sostituire l'hotend o determinati componenti. Tra queste situazioni speciali, ne elenchiamo sei delle più comuni:

• Stampa con materiali non abrasivi che richiedono temperature elevate
• Stampa con materiali abrasivi che richiedono temperature elevate
• Stampa con materiali abrasivi
• Applicazioni mediche e alimentari
• Stampa 3D di grandi dimensioni
• Stampa ad alta velocità

Stampa con materiali non abrasivi che richiedono temperature elevate

Anche se in generale i materiali più comuni hanno temperature di stampa inferiori a 280 °C, ci sono alcuni filamenti ingegneristici la cui temperatura di stampa può essere leggermente superiore, come ad esempio il policarbonato o addirittura molto più alta come il PEKK. In questi casi è indispensabile selezionare un hotend i cui componenti siano in grado di sopportare temperature elevate. È ideale che sia il blocco riscaldante che il nozzle siano realizzati in rame nichelato. Inoltre, devono essere accompagnati da un heatbreak All-Metal con un coefficiente di conduzione termica il più basso possibile, come quelli realizzati in titanio o con leghe bimetalliche.

A causa delle limitazioni dei termistori, sarà indispensabile che l'hotend misuri la temperatura tramite una termocoppia o una sonda PT100.

Nel caso di utilizzo di un estrusore diretto, il dissipatore di calore deve essere di alta qualità e ben raffreddato.

Tra le opzioni disponibili, probabilmente le migliori per questo tipo di applicazione sono gli hotend Mosquito e Copperhead di Slice Engineering.

Immagine 9: Slice Copperhead. Fonte: sliceengineering.com

Stampa con materiali abrasivi che richiedono temperature elevate

Probabilmente uno dei casi più impegnativi. La scelta sarebbe la stessa del caso precedente, con l'unica differenza che sarebbe necessario sostituire il nozzle in rame nichelato con uno adatto per materiali abrasivi come il Nozzle in acciaio indurito o il Nozzle X di E3D in dimensioni di 0.6 mm. Entrambi compatibili con gli hotend di Slice Engineering.

Immagine 10: Nozzle X. Fonte: e3d-online.com

Stampa con materiali abrasivi

Quando si utilizzano materiali abrasivi, ma non è necessario raggiungere temperature superiori a 285 °C, è anche consigliabile, come nel caso precedente, utilizzare un nozzle resistente all'abrasione e un heatbreak All-Metal. Sebbene un heatbreak con teflon funzionerebbe correttamente, l'usura sarebbe elevata e sarebbe necessario sostituire frequentemente il tubo PTFE. Tra i heatbreak metallici, quelli in titanio offrono una maggiore durata con materiali abrasivi a causa della loro elevata durezza. Tuttavia, in questo caso, un blocco riscaldante in alluminio sarebbe più che sufficiente.

Applicazioni mediche e alimentari

Nel caso di stampare pezzi con materiali biocompatibili o per uso alimentare, è fondamentale evitare contaminazioni da residui metallici che possono causare tossicità. La scelta migliore è che tutti i componenti a contatto con il filamento siano realizzati in acciaio inossidabile o titanio. Pertanto, un hotend E3D V6 con heatbreak in titanio e nozzle in acciaio inossidabile sarebbero la combinazione perfetta.

Immagine 11: Nozzle in acciaio inossidabile. Fonte: e3d-online.com

Stampa 3D di grandi dimensioni

Quando si stampa con pezzi di grandi dimensioni, potrebbe essere prioritario ridurre il tempo di stampa piuttosto che aumentare la risoluzione. In questi casi, può essere utile utilizzare nozzle con diametri superiori a 1 mm. Ciò implica l'uso di hotend capaci di fondere un'elevata quantità di filamento a una velocità ragionevole. In queste situazioni, i sistemi V6 Volcano o Supervolcano sono una delle migliori opzioni.

Immagine 12: V6 Supervolcano. Fonte: e3d-online.com

Stampa ad alta velocità

Come nel caso precedente, il limite è determinato dalla velocità con cui il nostro hotend è in grado di fondere il filamento. Anche se sia il sistema V6 Volcano che V6 Supervolcano sarebbero adatti in questo caso, l'opzione ottimale è l'uso di nozzle Solex con tecnologia "Core Heating Technology" in grado di raggiungere un flusso di stampa di fino a 30 mm3/s e compatibili sia con gli hotend di E3D che di Slice Engineering.

Imagen 13: Nozzle 3DSolex. Fuente: 3dsolex.com

In molti casi, le nostre esigenze non si limitano a un singolo caso, quindi sarà necessario trovare un compromesso che consenta un rendimento adeguato in diverse situazioni.

Tuttavia, l'ideale è avere un sistema altamente modulare come il V6 di E3D o il nuovo Copperhead di Slice Engineering. Grazie a questi due sistemi, è possibile trasformare il nostro hotend per ottenere la massima performance in ogni situazione.