O hotend. Funcionamento e rendimento térmico

Funcionamento e Comportamento Térmico de um Hotend

O extrusor empurra o filamento em direção ao hotend, criando pressão em seu interior. Ao atingir o bico, o filamento derrete e sai devido à pressão gerada pelo extrusor. Para que o filamento seja extrudado corretamente, é essencial que ele derreta apenas na área do bico e permaneça frio ao longo do percurso anterior.

Imagem 1: Esquema de Temperaturas do Hotend. Fonte: Filament2print

Por isso, todos os hotends são divididos termicamente em duas zonas:

• A zona quente, que deve permanecer sempre acima da temperatura de fusão do filamento.
• A zona fria, que deve estar sempre abaixo da temperatura de transição vítrea (Tg) do material.

Manter a zona quente acima da temperatura de fusão do material é simples, pois depende apenas do calor aplicado pela resistência de aquecimento. No entanto, manter a zona fria abaixo da Tg pode ser desafiador. O elemento fundamental para isso é o quebra-térmico ou canhão, o único elemento que faz parte tanto da zona quente quanto da fria.

Tipos de Quebra-Térmica e Otimização da Dissipação de Calor

O quebra-térmico serve como uma barreira térmica, separando fisicamente a zona quente da zona fria. Existem fundamentalmente dois tipos:

• Todo em metal: Feitos totalmente de metal. Eles costumam usar metais com baixos coeficientes de transferência de calor, sendo os mais comuns o aço e o titânio. Dentro dos quebra-térmicos totalmente em metal, há um subtipo que oferece melhor desempenho térmico, os quebra-térmicos bimetálicos. Neste tipo de quebra-térmicos, são usados dois metais diferentes para as zonas interna e externa, um com baixo coeficiente de transferência de calor que atua como barreira térmica e outro com alto coeficiente de transferência de calor que conduz o calor para o dissipador.
• Não todo em metal: Estes tipos de quebra-térmicos têm um inserto de PTFE no interior que serve como isolante térmico. Eles têm a limitação de não serem adequados para temperaturas de impressão acima de 240°C, mas são os mais adequados para imprimir PLA.

Imagem 2: Design de um quebra-térmico todo em metal bimetálico. Fonte: Slice engineering

Para que o quebra-térmico tenha um comportamento térmico adequado, ele deve estar sempre em contato com um sistema de dissipação de temperatura, geralmente composto por um dissipador de calor com aletas e um ventilador. Nesse caso, é essencial maximizar a transferência de calor do quebra-térmico para o dissipador de calor, portanto, deve-se aplicar pasta térmica em sua junção e garantir o máximo contato possível. Da mesma forma, a transferência de calor entre o bloco de aquecimento e o quebra-térmico deve ser minimizada, portanto, nunca deve-se aplicar pasta térmica em sua junção.

Impressoras Fechadas e com Câmara Aquecida

Há um caso particular onde o controle térmico do hotend se torna complicado. São as impressoras com câmara fechada ou aquecida. Através de sistemas típicos de dissipação de calor baseados em dissipadores de calor e ventiladores, a menor temperatura que pode ser alcançada é a temperatura ambiente.

Ao usar impressoras fechadas, especialmente aquelas com câmara aquecida, a temperatura ambiente dentro é próxima à Tg do material, então a zona fria do hotend geralmente estará acima disso. Para resolver esse problema, é comum que impressoras com câmara aquecida tenham sistemas de dissipação de calor usando refrigeração líquida, capazes de extrair o calor do hotend para fora da impressora. Os sistemas de refrigeração líquida adicionam certa complexidade à manutenção, exigindo verificações frequentes da bomba, tubulações e níveis de refrigerante.

Imagem 3: Hotend com dissipador de calor baseado em refrigeração líquida. Fonte: Dyze Design.

No caso de impressoras fechadas sem câmara aquecida, as temperaturas alcançadas geralmente não são excessivamente altas para a maioria dos materiais, com o PLA sendo o único problemático. Para imprimir PLA em impressoras fechadas com hotends sem refrigeração líquida, é importante manter a impressora aberta durante a impressão.
Problemas causados pelo mau desempenho térmico do hotend

O principal problema resultante de um desempenho térmico inadequado são os entupimentos causados pelo amolecimento do filamento na zona fria. É por isso que as falhas ocorrem principalmente com filamentos com baixa Tg, como o PLA. Esse problema é conhecido como calor ascendente e é um dos mais comuns na impressão com PLA.

Quando são observados entupimentos e problemas de extrusão com PLA, que desaparecem ao usar outros materiais como PETg ou ABS, geralmente é um sintoma de um problema na dissipação de calor. Geralmente, isso é resolvido reaplicando pasta térmica na junção entre o quebra-térmico e o dissipador de calor.

Limitações do Hotend

Uma das principais limitações a serem consideradas de um hotend é sua capacidade de derreter um determinado volume de plástico por unidade de tempo. Isso é conhecido como fluxo volumétrico máximo e limita principalmente a velocidade máxima de impressão. O fluxo volumétrico é obtido pelo produto da altura da camada pela largura de extrusão e pela velocidade. Por isso, a velocidade máxima em que um hotend específico pode imprimir é menor quanto maior for a altura da camada configurada ou quando maior for o diâmetro do bico usado. Alguns fabricantes, especialmente os de hotends de alta qualidade, fornecem o fluxo volumétrico máximo entre as especificações.