O hotend é um dos componentes mais importantes de uma impressora 3D FFF e o que mais sofre de desgaste. É essencial efectuar uma manutenção adequada e verificá-la periodicamente para verificar o seu estado.
Existem vários tipos de hotends, tanto independentes (ex. E3D V6) como integrados em cabeças compactas (ex. Hemera, LGX FF), mas todos eles têm uma série de componentes comuns.
Imagem 1: Hotend integrado na cabeça compacta LGX. Fonte: bondtech.se
Os seguintes componentes podem ser encontrados em qualquer hotend:
- Bocal: Este é o elemento através do qual o material fundido é extrudido.
- Cartucho de aquecimento: Consiste numa resistência cuja função é aquecer o bloco de aquecimento.
- Sensor de temperatura: Pode ser de diferentes tipos: termistor, termopar, PT100,.... A sua função é medir a temperatura do bloco de aquecimento.
- Bloco de aquecimento: É o elemento encarregado de transmitir a temperatura para o bocal e para a zona quente do Heatbreak.
- Heatbreak: Este é o elemento de ruptura térmica. A sua função é guiar o filamento até ao bocal impedindo-o de derreter prematuramente. Consiste de uma zona quente e fria e o seu desempenho térmico é essencial para o correcto funcionamento do hotend. Existem dois tipos diferentes: All metal e inserto de teflon. O Heatbreak all metal pode resistir a temperaturas elevadas, mas é propenso a fluência térmica quando o seu desempenho térmico não é óptimo. O hotend com inserção de teflon impede que o filamento derreta dentro do Heatbreak e minimiza a fricção dentro do Heatbreak, contudo não é recomendado para materiais que requerem temperaturas acima dos 265°C.
- Dissipador de calor: Este é o elemento responsável pelo arrefecimento do heatbreak, mantendo as zonas quentes e frias separadas. Pode ser passivo ou activo.
Imagem 2: Partes de um hotend. Fonte: Peter Solomon Design.
Para assegurar o correcto funcionamento do hotend, é necessário verificar o estado de cada um dos elementos, bem como a montagem de todos eles.
Nozzle
É um elemento consumível e, portanto, tem uma vida útil limitada. O desgaste do bocal resultará num aumento do diâmetro do bocal e numa redução do comprimento do bocal. Isto reflectir-se-á numa extrusão inconsistente que irá deteriorar o acabamento das peças.
Há vários factores que aceleram o desgaste de um bocal. O mais comum é a utilização de materiais compostos. A presença de fibras ou partículas no filamento causa elevada abrasão nas paredes dos bicos. Particularmente abrasivos são filamentos de vidro ou fibra de carbono, filamentos carregados com partículas cerâmicas ou metálicas e filamentos fosforescentes.
Por outro lado, o material a partir do qual o bico é fabricado também definirá a durabilidade do bico. Os materiais mais comuns são os seguintes:
- Latão: Têm uma durabilidade muito limitada, mesmo com filamentos não abrasivos. É aconselhável substituí-los frequentemente para garantir a máxima qualidade de impressão.
- Latão ou cobre com niquelagem: A niquelagem dá ao bocal uma maior dureza superficial e, portanto, uma maior resistência à abrasão. A sua durabilidade é muito elevada com filamentos não abrasivos e moderada com filamentos abrasivos.
- Aço inoxidável: Estes bocais são desenvolvidos para aplicações médicas e de contacto alimentar, mas têm uma boa durabilidade com filamentos não abrasivos. Embora tenham uma durabilidade moderada com filamentos abrasivos, não são a escolha recomendada.
- Aço temperado e similares: Têm boa durabilidade quando utilizados com materiais abrasivos e muito boa durabilidade com filamentos não abrasivos. Em geral a qualidade de impressão não é tão boa como nos casos anteriores devido à rugosidade do material e à sua aderência com o plástico fundido, contudo alguns incorporam revestimentos especiais que resolvem este problema.
- Com ponta de rubi: O rubi é um dos materiais mais duros e o que sofre menos desgaste, no entanto apenas a ponta do bocal é feita deste material, que é frisado num bocal de latão. Tem uma elevada durabilidade com materiais não abrasivos e a sua principal vantagem é que não perde qualidade durante a sua vida útil. Com o tempo, a parte de latão desgasta-se até ao ponto em que a ponta de rubi sai. Com materiais muito abrasivos é recomendado o uso de bicos de aço endurecido.
Imagem 3: Bicos feitos de latão, cobre niquelado e aço temperado. Fonte: Brozzl.com
É difícil fazer uma estimativa da frequência com que um bico deve ser substituído, pois depende em grande parte do material utilizado e da temperatura, contudo, como guia, podem ser estimados os seguintes valores:
- Bico de latão:
- Com materiais não abrasivos: Mudança a cada 200 horas de utilização.
- Com materiais abrasivos: não recomendado.
- Bocal de latão niquelado
- Com materiais não abrasivos: mudar a cada 1000 h de utilização.
- Com materiais abrasivos: mudar a cada 100 h de utilização.
- Aço inoxidável:
- Com materiais não abrasivos: mudar a cada 1000 h de utilização.
- Com materiais abrasivos: 100 h
- Aço temperado:
- Com materiais não abrasivos: não recomendado para utilização.
- Com materiais abrasivos: 400 h
- Com ponta de rubi:
- Com materiais não abrasivos: quando o rubi se solta.
- Com materiais abrasivos: quando o rubi se solta.
Cartucho de aquecimento
A falha mais frequente relacionada com o cartucho de aquecimento é devida a um problema com a ligação. Os fios que entram no cartucho são normalmente protegidos com duas bainhas de plástico resistentes à temperatura. Estas bainhas tendem a degradar-se com o uso, expondo o fio metálico. Assim que o desgaste for evidente, o cartucho de aquecimento deve ser substituído, pois a perda de isolamento nos fios pode causar um curto-circuito, incêndio ou lesões graves ao utilizador.
Sensor de temperatura
Tal como com o cartucho de aquecimento, o ponto mais delicado é a ligação do cabo. Os danos no cabo ou na sua ligação causarão medições de temperatura erradas e erráticas. Se o cabo estiver completamente partido, o valor da temperatura permanecerá fixo no seu valor máximo. É aconselhável verificar frequentemente o estado das ligações.
Imagem 4: Diferentes formatos de termistor NT100. Fonte: alibaba.com
Bloco de aquecimento
Embora não exija qualquer manutenção específica, é muito importante mantê-lo o mais limpo possível. Os resíduos plásticos acumulados podem descolar-se e aderir à peça durante a impressão, causando defeitos estéticos ou mesmo falhas de impressão. A utilização de mangas de silicone ou tintas repelentes de plástico pode ajudar a manter o bloco limpo, especialmente quando se imprime com materiais tais como petg. Se forem utilizadas mangas de silicone, é aconselhável removê-las e limpá-las regularmente e substituí-las assim que começarem a degradar-se. No caso de tinta antiaderente, recomenda-se a reaplicação a cada 2 ou 3 impressões.
Imagem 5: Estojo de silicone E3D. Fonte: e3d-online.com
Heatbreak
Com os heatbreaks totalmente metálicos, não é necessária nenhuma manutenção especial. Se forem impressos regularmente materiais abrasivos, recomenda-se desmontar o heatbreak a cada 500 horas de utilização para verificar o desgaste da garganta interna. Assim que os sinais de desgaste começarem a aparecer, o heatbreak deve ser substituído.
No caso de heatbreaks com inserções de teflon, o desgaste está directamente sobre a inserção. A inserção deve ser substituída a cada 500 horas de utilização com PLA, a cada 300 horas de utilização com ABS ou PETG e a cada 80 horas de utilização com filamentos abrasivos.
Dissipador de calor
O heatbreak é normalmente ancorado directamente a um elemento de dissipador de calor. Este pode ser passivo (dissipador de calor com barbatanas) ou activo (dissipador de calor com barbatanas + ventilador). A capacidadede dissipar o calor do lado frio do heatbreak é fundamental para evitar problemas. O aquecimento excessivo da zona fria pode causar amolecimento e compressão do filamento, causando um encravamento. Este fenómeno é conhecido como heat creep e é comum quando se imprime PLA num hotend com um heatbreak metálico.
Para assegurar uma óptima dissipação de calor, é necessário aplicar pasta térmica na área onde o heatbreak encontra o dissipador de calor. É aconselhável utilizar pastas térmicas com propriedades anti-aderentes, tais como nitreto de boro, para facilitar a desmontagem do dissipador de calor em futuras revisões.
No caso de dissipadores de calor activos, deve ser verificado no início de cada impressão se o ventilador está a funcionar correctamente. Algumas impressoras controlam termostaticamente este ventilador, pelo que este pode permanecer desligado até o ponto quente atingir 50 ºC ou 100 ºC.
Assembleia
Como cada elemento do hotend é feito de um material diferente e os seus coeficientes de expansão térmica também são diferentes, é comum que a junta entre eles se solte devido a mudanças bruscas de temperatura.
É muito importante verificar a cada 2-3 semanas que todos os elementos e parafusos do hotend estão correctamente apertados.
Se o bocal se soltou, deve ser reapertado enquanto está quente. É muito importante que a quebra de calor e o bocal estejam apertados e em contacto um com o outro, uma vez que um pequeno intervalo entre os dois causará fugas de fusão e danificará o ponto quente.
Imagem 6: Fuga de plástico causada por um mau aperto do hotend. Fonte: forum.prusaprinters.org
O fabricante deve ser consultado para obter o torque óptimo para cada hotend, uma vez que o torque excessivo danificará as roscas do bloco de aquecimento. Como referência, o E3D recomenda um torque de 3 n-m para os seus hotends, enquanto que a engenharia das fatias utiliza 1,5 n-m. Se não estiver disponível nenhum valor de referência do fabricante, pode ser escolhido um binário na gama 1-2 n-m.
É também importante verificar os parafusos que seguram o cartucho do aquecedor e o sensor de temperatura.
Sistemas mistos
Utilizar sempre peças sobressalentes originais ou, pelo menos, peças do mesmo sistema. Embora muitas vezes possa parecer que existe compatibilidade entre componentes de sistemas diferentes, uma vez que têm o mesmo tipo de rosca, o comprimento e as dimensões de cada elemento são também muito importantes. Os diferentes componentes de um hotend são concebidos para funcionar bem em conjunto, e misturar componentes que não fazem parte do mesmo sistema pode levar a um mau funcionamento ou mesmo a danos no hotend.
Mudanças de material
Quando um filamento é removido do hotend, há sempre vestígios no interior. Quando um novo material com uma temperatura de impressão mais baixa é carregado, transportará consigo os resíduos não fundidos do material anterior, causando um encravamento. É por isso que o hotend deve ser sempre limpo com um filamento de limpeza sempre que é feita uma mudança de material. Para este fim, entre 500 e 800 mm de filamento de limpeza é extrudido a uma temperatura 10°C mais elevada do que a do último material utilizado.
O ventilador de revestimento
Aunque el ventilador de capa no es un elemento propio del hotend, suele estar situado al lado de éste. Un ventilador de capa mal colocado puede dirigir el aire directamente al bloque haciendo que este se enfríe. Esto provoca que el hotend no alcance la temperatura de consigna marcada o que la temperatura oscile mucho, lo cual suele resultar en un error de temperatura en la impresora. En estos casos es recomendable probar la misma impresión con el ventilador de capa desactivado para verificar si se trata de un fallo en la sonda de temperatura o es efecto de una mala posición del ventilador de capa.
Entrada do filamento
Um ponto de entrada de sujidade no interior do hotend é a área de entrada do filamento. Nos sistemas Bowden, onde o filamento é guiado através de um tubo de PTFE até à hotend, a entrada é protegida e não é habitual a entrada de pó, contudo, nas impressoras de extrusão directa, a entrada do filamento pode ser exposta ao ar, facilitando a entrada de pó dentro da hotend. Nestes casos é aconselhável guiar o filamento desde a bobina até à extrusora através de um tubo de PTFE sempre que possível. O pó e a sujidade que entram no hotend é uma causa comum de entupimento.
Do mesmo modo, recomenda-se manter as bobinas de filamento limpas e evitar depositar pó sobre elas, evitando assim deixá-las no suporte de impressão se não estiverem protegidas e armazená-las em sacos ou caixas fechadas.
Impressoras com múltiplos hotends
Quando se tem uma impressora com múltiplos hotends, é necessário calibrar a posição relativa dos hotends.
Primeiro verificar se a distância dos hotends à superfície de impressão é a mesma. Para este fim, o hotend principal deve ser fixado e a base de impressão deve ser nivelada em relação a ele. Depois, a altura dos outros hotends tem de ser ajustada em relação ao hotend principal. A forma de ajustar a altura varia de impressora para impressora, por isso consulte o manual do equipamento ou o fabricante se não souber como o fazer.
Uma vez definida a altura dos hotends, é necessário conhecer a posição relativa XY de cada hotend em relação ao hotend principal. Em geral, cada fabricante fornece um ficheiro de impressão que lhe permite calibrar o offset XY de cada hotend, embora existam também muitas outras opções em repositórios de ficheiros bem conhecidos. Neste caso, a posição XY dos hotends não pode ser alterada, pelo que os valores do offset serão introduzidos no firmware para compensar a posição durante a impressão.
A altura dos hotends deve ser verificada a cada 2 semanas, enquanto que a calibração XY só deve ser efectuada quando for detectado offset ou sobreposição das peças impressas com cada hotend.
Imagem 7: Padrão de calibração de extrusores duplos para impressoras Raise Pro2. Fonte: Raise3D.com
O hotend é provavelmente a parte de manutenção mais intensiva da impressora, mas é muito importante mantê-la em boas condições para assegurar uma boa qualidade de impressão e minimizar o risco de falha.
Nota: Este guia discute conceitos de uma forma geral e não se concentra numa determinada marca ou modelo, embora possam ser mencionados em algum momento. Pode haver diferenças importantes nos procedimentos de calibração ou ajuste entre diferentes marcas e modelos, pelo que se recomenda que o manual do fabricante seja consultado antes da leitura deste guia.
