Funcionamento e comportamento térmico de um hotend
O extrusor empurra o filamento para o hotend, criando uma pressão no seu interior. Ao alcançar a boquilha, o filamento funde-se e sai graças à pressão gerada pelo extrusor. Para que o filamento se extrua corretamente é fundamental que este se funda só na zona da boquilha e se mantenha frio em todo o percurso anterior.
Imagem 1: Esquema de temperaturas de um hotend. Fonte: Filament2print.
É por isto que todos os hotends se dividem termicamente em duas zonas:
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A zona quente, que deve permanecer sempre acima da temperatura de fusão do filamento.
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A zona fria, que deve estar sempre por embaixo da Tg do material.
Manter a zona quente acima da temperatura de fusão do material é singelo, já que depende unicamente do calor aplicado pelo cartucho calefactor, no entanto manter a zona fria por embaixo da Tg pode resultar complexo. O elemento fundamental para isso é o heatbreak ou barrel, o único elemento que faz parte tanto da zona quente como da fria.
Tipos de heatbreak e otimização da dissipação de calor
O heatbreak serve de elemento de rompimento térmica, separando fisicamente a zona quente da fria. Existem fundamentalmente dois tipos:
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All-metal: formados completamente de metal. Costumam-se empregar metais com baixo coeficiente de transmissão de calor, sendo os mais habituais aço e titanio. Dentro dos heatbreak all-metal, existe um subtipo que apresenta um melhor rendimento térmico, os heatbreaks bimetálicos. Neste tipo de heatbreaks empregam-se dois metais diferentes para a zona interna e externa, um com baixo coeficiente de transmissão de calor que faz de rompimento térmica e outro com alto coeficiente de transmissão de calor que conduz o calor para o disipador.
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Não all-metal: Este tipo de heatbreaks contam com um inserto de PTFE no interior que serve de isolante térmico. Têm a limitação de não ser aptos para temperaturas de impressão superiores a 240 ºC, no entanto são os mais adequados para imprimir PLA.
Imagem 2: Desenho de um heatbreak all-metal bimetálico. Fonte: Slice Engineering.
Para que o heatbreak tenha um comportamento térmico adequado, deve ir sempre em contacto com um sistema de dissipação de temperatura, de modo geral formado por disipador de barbatanas e um ventilador. Neste caso é muito importante maximizar a transmissão de calor desde o heatbreak ao disipador, pelo que se deve aplicar massa térmica na sua união e assegurar o máximo contacto possível. Do mesmo modo, deve-se minimizar a transmissão entre o bloco calefactor e o heatbreak, pelo que nunca se pode aplicar massa térmica na sua união.
Impressoras fechadas e com câmara calefactada
Existe um caso particular onde o controlo térmico do hotend se complica. Trata-se das impressoras com câmara fechada ou calefactada. Mediante os sistemas de dissipação habituais baseados em disipador de barbatanas e ventilador, a temperatura mais baixa que se pode alcançar é a temperatura ambiente.
Quando se empregam impressoras fechadas e especialmente aquelas com câmara calefactada, a temperatura ambiente no seu interior é próxima à Tg do material, pelo que a zona fria do hotend estará, em muitos casos, acima desta. Para solucionar este problema, é habitual que as impressoras com câmara calefacta contem com sistemas de dissipação mediante referigeração líquida, capazes de extrair o calor do hotend ao exterior da impressora. Os sistemas de referigeração líquida acrescentam certa complexidade à manutenção, sendo necessário revisar com frequência o estado da bomba, dos condutos e dos níveis de refrigerante.
Imagem 3: Hotend com disipador baseado em referigeração líquida. Fonte: Slice Engineering.
No caso de impressoras fechadas sem câmara calefactada, as temperaturas alcançadas não costumam ser excessivamente altas para a maioria de materiais, sendo o PLA o único problemático. Para imprimir PLA em impressoras fechadas com hotends sem referigeração líquida, é importante manter a impressora aberta durante a impressão.
Problemas provocados por um mau rendimento térmico do hotend
O principal problema derivado de um rendimento térmico inadequado, são os atascos provocados pelo reblandecemento do filamento na zona fria. É por isto que as falhas aparecem principalmente em filamentos com uma Tg baixa, como o PLA. Este problema conhece-se como heatcreep e é um dos mais habituais na impressão com PLA.
Quando se observam atascos e problemas de extrusão com PLA, que desaparecem quando se empregam outros materiais como PETg ou ABS, costuma ser sintoma de um problema na dissipação do calor. Geralmente soluciona-se aplicando de novo massa térmica na união entre o heatbreak e o disipador.
Limitações do hotend
Uma das principais limitações que se devem considerar de um hotend, é a capacidade de fundir um volume de plástico determinado por unidade de tempo. Aisto lho conhece como volume volumétrico máximo e limita principalmente a velocidade máxima de impressão. O volume volumétrico obtém-se do produto da altura de capa pelo largo de extrusão e pela velocidade. É por isto que a velocidade máxima à que permite imprimir um hotend concreto é menor quanto maior é a altura de capa configurada ou quando maior diâmetro tem a boquilha empregada. Alguns fabricantes, sobretudo os de hotends de alta qualidade, facilitam o dado de volume volumétrico máximo entre as características.
Neste script tratam-se os conceitos de forma geral e sem focar em uma marca ou modelo concreto, embora possam-se mencionar em algum momento. Podem existir diferenças importantes nos procedimentos de calibragem ou ajuste entre diferentes marcas e modelos, pelo que se recomenda consultar o manual do fabricante antes de ler este script.
