Hotend: élettartam, működés és tippek

Bizonyára mindenki, aki 3D nyomtatással foglalkozik, találkozott már a hotend problémájával valamilyen formában. Röviden bemutatjuk az alaktrész működését, illetve megpróbáltuk összegyűjteni azokat a tippeket, melyekkel hotendünk élettartama maximalizálható.

A hotend a 3D nyomtató szíve. Aligha van ennél nagyobb létfontosságú alkatrész gépünkben, már ha leszámítjuk a vezérlést, ami a kvázi agyként funkcionál. Itt történik a nyomtatószál megolvasztása, illetve adagolása is.  Nem áll sok alkatrészből – akár házilag is legyártható- , mégis folyamatos, nagy igénybevételnek van kitéve. Hiába a gyártók által belefektetett sok száz fejlesztési munkaóra, hiába a modern gyártási technikák és anyagok alkalmazása, szinte biztosan állítható, hogy élettartama rövidebb lesz, mint nyomtatónké. Mivel kiesése a termelés leállását eredményezi, mindenképpen érdemes odafigyelni rá. Megpróbáltuk összegyűjteni azokat a tippeket, melyek segíthetnek maximalizálni az élettartamot.

Mi történik pontosan a hotendben?

Hogy megértsük, miért is ilyen nagy az igénybevétel, fussuk át egy teflonbetétes hotend felépítését, illetve működését. Ilyen konstrukció található a legtöbb asztali 3D nyomtatóban, így például a Witbox 2.0-ban is. A nyomtatószálat (1) az extruder fogaskerekei direkt (direct drive) vagy indirekt (bowden drive) módon a hotend felső nyílásába tolják, ami ebben az esetben a cső alakú, PTFE anyagú teflonbetét (2). Ennek szerepe, hogy a hő hatására meglágyuló, megolvadó filament ne tapadjon hozzá a hotend falához, meggátolva ezzel az áramlást. Gondoljunk csak a teflonbevonatú serpenyőnkre, itt ugyanez játszódik le kicsiben. Ennek a felső fázisnak a hűtését hűtőbordák biztosítják (3).

A hűtés több okból is nagyon fontos:

• A PTFE (politetraflour–etilén) olvadáspontja 326 °C, de az anyag már 260 °C-on elkezd lágyulni, alkalmazása efelett nem ajánlott. Ezek a számok pillanatnyi hőterhelést jelölnek, gondoljunk viszont bele, több száz óra nyomtatás alatt mekkora hőmennyiség éri a betétet, kifejezetten annak alsó részét, mely közvetve vagy közvetlenül, az üzemi hőmérsékletű fúvókával érintkezik. Ez a kumulált hőmennyiség vezet az anyag elöregedéséhez, a betét elhasználódásához. Előfordulhat, hogy soha nem melegszik fel jobban 210 °C-nál, mégis, kémiai kötések szakadnak és alakulnak át, anyagunk pedig folyamatosan veszít eredeti tulajdonságaiból.

• Megfelelő hűtés híján az átmeneti zóna (4) többszörösére nő, ezzel megnő a felolvadt állapotú filament mennyisége is, mely például jelentősen megnehezíti a visszahúzás (retraction) folyamatát, ezzel rontva a nyomtatási minőséget.

De térjünk vissza a folyamatábránkhoz, melyen eljutunk a teflonbetét és a fúvóka találkozásához (4). Ez a pont a legtöbb probléma keletkezési helyszíne. Itt találkozik a fémből (általában sárgaréz vagy acél) készült fúvóka felső pereme és a teflonbetét karimája. Konstrukciótól függően ide még egy plusz fém alkatrész (heatbreak) is kerülhet. Nem nehéz kitalálni, hogy a PTFE és a fúvóka, illetve a hotend szerkezeti anyaga (acél vagy alumínium) jelentősen eltérő hőtágulási együtthatóval rendelkezik. Ha összeszereléskor sikerült is precízen összeillesztenünk az alkatrészeket, felfűtéskor rés keletkezhet, melybe rövidesen olvadt műanyag kerül, mely a hotend csepegését, illetve eldugulását fogja eredményezni. Ez mindenképpen bekövetkezik előbb vagy utóbb, de legkésőbb akkor, ha a PTFE betétünk elér élete alkonyára, deformálódik és utat enged az olvadék nyomásának.

Hotendünk kevésbé érzékeny, de legalább ilyen fontos alkatrésze a fúvóka (5), melynek nyílásán préselődik ki felolvasztott anyagunk (6). A fúvóka élettartama kevésbé a hőmérséklettől, sokkal inkább az alkalmazott anyagoktól függ, illetve azok szennyeződéseitől, melyek ráégnek a belső felületre, esetleg koptatják azt (kompozit filamentek esetén).

Csak teflonos hotend létezik?

Joggal tehetjük fel a kérdést, miért alkalmazzunk 3D nyomtatónkban PTFE betétes hotendet ha létezik PEEK betét, illetve all-metal, azaz tiszta fémből készülő variáció is? A PEEK egy keményebb, hőterhelésre kevésbé érzékeny anyag a PTFE-nél, így elméleti síkon hosszabb élettartammal számolhatunk. Komoly hátránya azonban, hogy nagyobb a súrlódás, így nő hotendünk ellenállása, mely egy sor egyéb problémához vezethet. Hasonló kompromisszumokat jelent egy all-metal alkatrész használata, itt az alkalmazott filamentben levő szennyeződések okozhatnak fejfájást, melyk első adódó alkalommal ráégnek a belső falra. Ilyen hotendet álltalában kizárólag ABS-t és egyéb nagy tisztaságú ipari alapanyagokat nyomtató készülékekben találunk, alkalmazása PLA-val komoly odafigyelést igényel.

Mégis meddig használhatok egy hotendet?

Tapasztalataink szerint egy hotend élettartama általában 100 és 1.000 3D nyomtatási óra körülire tehető, nagytisztaságú alapanyagok használatával is maximum 2-3.000 óra érhető el. Ilyenkor jelentkeznek a elhasználódás első tünetei a következő sorrendben: kattogó extruer, hiányos extrudálás, kihagyás, csöpögés, esetleg füstölés. A hotendet legkönnyebben úgy ellenőrizhetjük, ha lecsatlakoztatjuk az extruderről és felfűtött állapotban kézzel próbáljuk adagolni a filamentet. Amennyiben jelentős ellenállást érzékelünk, szinte biztosak lehetünk a hiba okában. Legtöbb esetben egy alapos és szakszerű tisztítás, a kopó részek, így az esetleges PTFE/PEEK betét és a fúvóka cseréje után újabb sok száz órát nyomtathatunk. All-metal hotendek illetve jelentős folyás/szennyeződés esetén a tisztítás helyett gyakran az alkatrés cseréje jelenti a gazdaságos megoldást. Fontos, hogy ilyenkor az extruder adagolómechanizmusát is kitakarítsuk, ahol jó összegyűlt egy adag műanyagforgács.

Mire érdemes figyelni használat közben?

• Nyomtatási hőfok: ne használjunk indokolatlanul magas hőmérsékletet! Ha filamentünk 190-200 °C-on is stabilan nyomtatható, ne emeljük meg ok nélkül. Ugyanakkor túl alacsony hőfokon se nyomtassunk, mert az extruder kattogásához vezethet (lásd lejjebb).
• 3D nyomtatás sebessége: a túl magas nyomtatási sebesség azt eredményezheti, hogy az anyagnak nincsen ideje megolvadni, így a fúvókán se fog tudni átmenni. Magas hotendnyomás és egy jó adag műanyagforgács lesz az eredmény.
• Felfűtött állapot: nyomtatás indítása előtt, illetve filament cseréjénél előfordulhat, hogy a felfűtött 3D nyomtatónkat percekre, vagy akár órákra otthagyjuk (esetleg ottfelejtjük) felfűtött állapotban. A legtöbb nyomtatóban ilyenkor életbe lép egy védelmi mechanizmus és egy idő után lekapcsolnak, azonban a teflonbetét viszonylag rövid idő alatt is képes károsodni. Ne felejtsük, az átfolyó filament is komoly hőmennyiséget visz el!
• Használjunk megbízható forrásból származó, nagy tisztaságú filamentet. Minden szennyeződés beleéghet hotendünkbe, ha máshova nem, a fúvókába.
• Figyeljünk a tiszta környezetre, a filament tárolására. A rátapadó por ugyanolyan kártékony a hotendbe jutva, mint az anyagban levő szennyeződések.
• Ha kompozit (karbon, fa, gipsz stb.) filamentet használunk, az élettartam jelentős csökkenésével számoljunk. Az esetlegesen belekevert szerves anyagok megégése mellett léteznek kőzetszemcsés vagy karbonszálas kompozitok is, melyek a fúvóka anyagát erős kopásnak teszik ki.
• Figyeljünk a helyes szintezésre! Még automata kalibráció esetén is előfordulhat, hogy a fúvóka és a tárgyasztal közötti távolság kisebb a szükségesnél. Ilyenkor az extruder motorja kattogásba kezd, mivel nem tudja a megfelelő mennyiséget kipréselni a fúvókán. Ha ilyet hallunk, azonnal javítsuk a szintezési hibát, vagy állítsuk le a nyomtatást. A megnövekedett nyomás mellett a kelekező műanyagforgács is problémát fog okozni és ha az aktuális nyomtatást be is tudjuk fejezni, hotendünk élettartama töredékére fog csökkenni hosszú távon.

Remélem tudtam újat írni a haladóknak is, további kérdések, problémák esetén keressenek minket bátran!

Fel szeretne iratkozni szakmai hírlevelünkre? Itt megteheti: https://3dee.hu/newsletter/