L'hotend. Funzionamento e rendimento termico

Funzionamento e comportamento termico di un hotend

L'estrusore spinge il filamento verso l'hotend, creando una pressione all'interno. Quando raggiunge la bocchetta, il filamento si scioglie e fuoriesce grazie alla pressione generata dall'estrusore. Affinché il filamento venga estruso correttamente, è fondamentale che si sciolga solo nella zona della bocchetta e rimanga freddo per tutto il percorso precedente.

Immagine 1: Schema di temperature di un hotend. Fonte: Filament2print

Per questo motivo, tutti gli hotend sono termicamente divisi in due zone:

• La zona calda, che deve rimanere sempre al di sopra della temperatura di fusione del filamento.
• La zona fredda, che deve essere sempre al di sotto della Tg del materiale.

Mantenere la zona calda al di sopra della temperatura di fusione del materiale è semplice, poiché dipende unicamente dal calore fornito dalla cartuccia riscaldante, tuttavia mantenere la zona fredda al di sotto della Tg può risultare complesso. L'elemento fondamentale per questo è il "heatbreak" o "barrel", l'unico elemento che fa parte sia della zona calda che di quella fredda.

Tipi di heatbreak e ottimizzazione della dissipazione del calore

Il heatbreak funge da elemento di rottura termica, separando fisicamente la zona calda da quella fredda. Esistono fondamentalmente due tipi:

• All-metal: formati completamente in metallo. Di solito si utilizzano metalli con basso coefficiente di trasmissione del calore, con acciaio e titanio come i più comuni. Tra gli heatbreak all-metal, esiste un sottotipo che offre prestazioni termiche migliori, gli heatbreak bimetallici. In questo tipo di heatbreak, si utilizzano due metalli diversi per la zona interna ed esterna, uno con basso coefficiente di trasmissione del calore che funge da rottura termica e un altro con alto coefficiente di trasmissione del calore che conduce il calore verso il dissipatore.
• Non all-metal: Questo tipo di heatbreaks ha un inserto di PTFE all'interno che funge da isolante termico. Presentano il limite di non essere adatti a temperature di stampa superiori a 240 °C, ma sono i più adatti per stampare PLA.

Immagine 2: Design di un heatbreak all-metal bimetallico. Fonte: Slice engineering

Perché il heatbreak abbia un comportamento termico adeguato, deve essere sempre a contatto con un sistema di dissipazione del calore, generalmente formato da un dissipatore a lamelle e una ventola. In questo caso, è molto importante massimizzare la trasmissione di calore dal heatbreak al dissipatore, quindi bisogna applicare la pasta termica nella loro giunzione e assicurarsi del massimo contatto possibile. Allo stesso modo, bisogna minimizzare la trasmissione tra il blocco riscaldante e il heatbreak, quindi non si deve mai applicare pasta termica nella loro giunzione.

Stampanti chiuse e con camera riscaldata

Esiste un caso particolare in cui il controllo termico dell'hotend diventa complicato. Si tratta delle stampanti con camera chiusa o riscaldata. Attraverso i sistemi di dissipazione abituali basati su un dissipatore a lamelle e una ventola, la temperatura più bassa che si può raggiungere è la temperatura ambiente.

Quando si utilizzano stampanti chiuse, soprattutto quelle con camera riscaldata, la temperatura ambiente al loro interno è vicina alla Tg del materiale, quindi la zona fredda dell'hotend sarà, in molti casi, al di sopra di questa temperatura. Per risolvere questo problema, è comune che le stampanti con camera riscaldata abbiano sistemi di dissipazione tramite raffreddamento a liquido, capaci di estrarre il calore dall'hotend all'esterno della stampante. I sistemi di raffreddamento a liquido aggiungono una certa complessità alla manutenzione, ed è necessario controllare frequentemente lo stato della pompa, dei tubi e dei livelli del refrigerante.

Immagine 3: Hotend con dissipatore basato su raffreddamento a liquido. Fonte: Dyze Design.

Nel caso di stampanti chiuse senza camera riscaldata, le temperature raggiunte di solito non sono eccessivamente alte per la maggior parte dei materiali, l'unico problematico è il PLA. Per stampare PLA su hotend senza raffreddamento a liquido in stampanti chiuse, è importante mantenere la stampante aperta durante la stampa.

Il problema principale derivato da una prestazione termica inadeguata sono i blocchi causati dall'ammorbidimento del filamento nella zona fredda. È per questo motivo che i guasti si verificano principalmente con filamenti a bassa Tg, come il PLA. Questo problema è noto come "heatcreep" ed è uno dei più comuni nella stampa con PLA.

Quando si osservano blocchi e problemi di estrusione con il PLA, che scompaiono quando si utilizzano altri materiali come PETg o ABS, solitamente è sintomo di un problema nella dissipazione del calore. Di solito si risolve riapplicando la pasta termica nella giunzione tra il heatbreak e il dissipatore.

Limitazioni dell'hotend

Una delle principali limitazioni da considerare di un hotend è la capacità di fondere un volume di plastica determinato per unità di tempo. Questo è noto come flusso volumetrico massimo e limita principalmente la velocità massima di stampa. Il flusso volumetrico si ottiene dal prodotto dell'altezza dello strato per la larghezza di estrusione e per la velocità. Per questo motivo, la velocità massima a cui può stampare un hotend specifico è minore quanto maggiore è l'altezza dello strato configurata o quanto maggiore è il diametro della bocchetta utilizzata. Alcuni produttori, soprattutto quelli di hotend di alta qualità, forniscono i dati sul flusso volumetrico massimo tra le specifiche.