Διαλέγοντας το σωστό Hotend για τον 3D εκτυπωτή σας

Το Hotend είναι το πιο ουσιαστικό εξάρτημα ενός 3D εκτυπωτή FDM (fused deposition modeling), αφού λιώνει το νήμα πριν αυτό τυπωθεί στρώση – στρώση, για τη δημιουργία μιας 3D εκτύπωσης. Το hotend αποτελείται κατά βάση από ένα nozzle, ένα heat block, ένα heat break και μια ψύκτρα. Αυτά τα εξαρτήματα συνεργάζονται για να λιώσουν το πλαστικό όσο το δυνατόν γρηγορότερα, ενώ ταυτόχρονα περιορίζουν τη θερμότητα σε συγκεκριμένη περιοχή του hotend. Ένα hotend υψηλής ποιότητας εξασφαλίζει σταθερό έλεγχο της θερμοκρασίας. Ο ακριβής έλεγχος της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα σταθερά καλές εκτυπώσεις με ελάχιστα φραξίματα στο εσωτερικό του nozzle.

Σε αυτό το άρθρο θα περιγράψουμε λεπτομερώς τι είναι τα hotend, πώς λειτουργούν και πώς να επιλέξετε το καταλληλότερο, ενώ θα δώσουμε επίσης κάποιες συμβουλές αντιμετώπισης προβλημάτων και συντήρησης.

Τι είναι το Hotend και πως λειτουργεί?

Το hotend ενός 3D εκτυπωτή είναι ένα εξάρτημα που έχει σχεδιαστεί για να λιώνει το πλαστικό νήμα που προωθείται σε αυτό από το extruder. Το νήμα τροφοδοτείται μέσα στο nozzle όσο το extruder στέλνει περισσότερο νήμα μέσω του filament guide. Το hotend αποτελείται από έναν θάλαμο που θερμαίνεται από ένα θερμαντικό στοιχείο (heat block), του οποίου η θερμοκρασία ελέγχεται από ένα θερμίστορ. Το κάτω μέρος του hotend διαθέτει μια αφαιρούμενη μύτη εκτύπωσης (nozzle) που εναποθέτει το νήμα στην επιφάνεια εκτύπωσης του τρισδιάστατου εκτυπωτή.

Το hotend είναι επίσης εξοπλισμένο με μονάδα ψύξης (heat sink). Αυτή με τη σειρά της διασφαλίζει ότι η θερμότητα από το κάτω μέρος του δεν μεταφέρεται προς τα πάνω προκαλώντας στερεοποίηση του νήματος και διακοπή της ροής της εκτύπωσης, ένα φαινόμενο που ονομάζεται “heat creep“. Το hotend κινείται στους άξονες x, y και z του εκτυπωτή με βηματικούς κινητήρες.

Ανατομία ενός Hotend

Nozzle

Τα nozzle μπορούν να έχουν διάμετρο μύτης από 0,1 έως 1,4 mm. Μπορούν να κατασκευαστούν από χαλκό, σκληρυμένο ατσάλι ή ατσάλι με ρουμπινένια μύτη. Τα nozzle από χαλκό χρησιμοποιούνται για μη διαβρωτικά υλικά χωρίς πρόσθετα, όπως PLA, PETG και ABS. Τα nozzle από σκληρυμένο ατσάλι και τα nozzle με ρουμπινένια μύτη χρησιμοποιούνται για πιο διαβρωτικά υλικά, όπως νήματα με περιεκτικότητα σε μέταλλα ή ίνες άνθρακα. Μπορούν εύκολα να αντικατασταθούν ή να εναλλαχθούν και τείνουν να φράζουν εάν δεν συντηρούνται σωστά.

Heat Block

Το heat block περιέχει το θερμαντικό στοιχείο καθώς και τον αισθητήρα θερμοκρασίας. Παρέχει ομοιόμορφη θέρμανση στο νήμα, έτσι ώστε αυτό να λιώνει λίγο πριν βγει από το nozzle. Το nozzle και το heat break βιδώνουν και τα δύο στο heat block. Το heat block δεν χρειάζεται να αντικατασταθεί κατά τη διάρκεια της ζωής του hotend, αλλά μπορεί να λερωθεί, γεγονός που μειώνει την αποτελεσματικότητά του. Για το λόγο αυτό, απαιτείται τακτικός καθαρισμός.

Heat Break

Έχει σχεδιαστεί για να περιορίζει τη μεταφορά θερμότητας από το heat block σε υψηλότερα τμήματα του hotend. Είναι συνήθως κατασκευασμένο από υλικό με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Έχει επίσης μικρή διάμετρο που συμβάλλει επίσης στη μείωση της μεταφοράς θερμότητας. Το heat break δεν συντηρείται, αλλά μπορεί να φθαρεί εάν εκτεθεί σε έντονα διαβρωτικό νήμα. 

Heat Sink

Η ψύκτρα (heat sink) συμβάλλει στη μεταφορά οποιασδήποτε θερμότητας έχει περάσει από το heat break, στον αέρα. Αυτό γίνεται μέσω παθητικής ή ενεργητικής ψύξης. Σε μια ψύκτρα ενεργητικής ψύξης (active cooling), χρησιμοποιείται ανεμιστήρας για την ταχύτερη μεταφορά θερμότητας από την ψύκτρα προς τον περιβάλλοντα χώρο. Ο ανεμιστήρας  μπορεί να μαζέψει σκόνη, γεγονός που θα μειώσει δραστικά την απόδοση του. Για την συντήρηση αρκεί ένας τακτικός καθαρισμός.

Filament Guide (pipe)

Το filament guide, ή filament pipe, είναι ένα σωληνάκι που οδηγεί το νήμα στο hotend. Tο βασικό του χαρακτηριστικό είναι να έχει χαμηλό συντελεστή τριβής καθώς και χαμηλή θερμική αγωγιμότητα για να μην κολλάει το νήμα και να μην μεταφέρεται θερμοκρασία προς το πάνω μέρος του hotend. Στην περίπτωση ενός συμβατικού hotend το σωληνάκι του filament pipe είναι κατασκευασμένο από PTFE ή PEEK, ενώ στην περίπτωση ενός all-metal hotend το σωληνάκι αυτό είναι μεταλλικό.

• Τα πλαστικά σωληνάκια των συμβατικών hotend πρέπει να αντικαθίστανται καθώς φθείρονται με την πάροδο του χρόνου.

• Τα All-metal hotend έχουν σχεδιαστεί για την εκτύπωση πλαστικών με υψηλές θερμοκρασίες τήξης, όπως το πολυκαρβονικό και το νάιλον. Συνεπώς, δεν χρησιμοποιούν σωληνάκια PTFE, τα οποία αρχίζουν να μαλακώνουν στις υψηλές θερμοκρασίες εκτύπωσης που απαιτούνται για τα υλικά αυτά.

Thermistor

Το θερμίστορ είναι υπεύθυνο για την ανατροφοδοσία θερμοκρασίας του heat block. Λειτουργεί ως ένας αισθητήρας θερμοκρασίας που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση και τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του heat block του εκτυπωτή. Συνήθως είναι κεραμικό ή μεταλλικό, και επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της θερμοκρασίας για βέλτιστες συνθήκες εκτύπωσης.

Πώς να επιλέξετε το σωστό Hotend για τον 3D εκτυπωτή σας

Η επιλογή του σωστού hotend για την εφαρμογή σας είναι σχετικά εύκολη. Πολύ συχνά η αλλαγή γίνεται για σκοπούς αναβάθμισης του εκτυπωτή. Ένα αναβαθμισμένο hotend μπορεί να δώσει στον εκτυπωτή σας μια ώθηση στην ταχύτητα, την ποιότητα εκτύπωσης αλλά και να συμβάλει σημαντικά στην μείωση του heat creep και στην ελεγχόμενη τήξη του νήματος για αποφυγή φραξίματος στο nozzle.

Παρακάτω παρατίθενται ορισμένα σημεία που πρέπει να λάβετε υπόψη σας προτού λάβετε την απόφασή σας:

Συμβατότητα εκτυπωτή:

Όταν αλλάζετε το παλιό σας hotend με ένα καλύτερο, είναι σημαντικό να βεβαιωθείτε ότι είναι συμβατό με τον εκτυπωτή σας. Παρόλο που η συντριπτική πλειοψηφία των hotend έχουν τον ίδιο γενικό σχεδιασμό, είναι σημαντικό να βεβαιωθείτε ότι το hotend είναι μηχανικά και ηλεκτρικά συμβατό με το μοντέλο εκτυπωτή που έχετε. Όσον αφορά τη μηχανική συμβατότητα, το hotend πρέπει να προσαρμόζεται στο υπάρχον σύστημα. Για να διατηρηθεί η ηλεκτρική συμβατότητα, το heating cartridge και το thermistor  πρέπει να είναι συμβατά με την πλακέτα του εκτυπωτή.

Πολλά αναβαθμισμένα hotend παρέχουν ευρεία συμβατότητα με διαθέσιμα μοντέλα της αγοράς καθώς και τελευταίας τεχνολογίας σχεδιασμό για βέλτιστη απόδοση.
Ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα είναι η σειρά Spider της Creality με μοντέλα με δυνατότητα υδρόψυξης, ή/και δυνατότητα εκτύπωσης μέχρι και σε 300°C και εύκολη εγκατάσταση σε πολλά μοντέλα εκτυπωτών. Το μικρό βάρος των Spider Hotend δίνει πλεονέκτημα στην ταχύτητα εκτύπωσης ενώ ο μοναδικός σχεδιασμός τους επιτρέπει ακόμα μεγαλύτερη ροή νήματος για ταχύτερες εκτυπώσεις!

Υλικά Εκτύπωσης:

Όταν επιλέγετε ένα hotend, είναι σημαντικό να έχετε μια σαφή ιδέα για τα υλικά που θέλετε να εκτυπώσετε. Για απλά υλικά όπως PLA, PETG ή ABS, αρκεί ένα συμβατικό hotend με PTFE, καθώς οι θερμοκρασίες δεν είναι πολύ υψηλές. Ωστόσο, για πλαστικά με υψηλότερο σημείο τήξης, όπως το πολυκαρβονικό ή το νάιλον, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιήσετε ένα all-metal ή bimetal hotend.

Τύπος Nozzle:

Τα nozzle κατασκευάζονται από μπρούντζο, σκληρυμένο ατσάλι και ατσάλι με ρουμπινένια μύτη. Όπως προαναφέρθηκε, ορισμένα νήματα εκτύπωσης μπορεί να είναι εξαιρετικά διαβρωτικά. Σε αυτή την περίπτωση, για καλύτερα αποτελέσματα απαιτείται nozzle από σκληρυμένο ατσάλι ή ruby-tipped nozzle. Όταν εκτυπώνετε υλικά που δεν διαθέτουν πρόσμιξη άλλων σκληρών υλικών, ινών ή σωματιδίων ειδικής χρήσης, όπως νάιλον, ABS ή PLA, τότε αρκεί ένα τυπικό μπρούτζινο nozzle. Τα nozzle έχουν διαφορετικές διαστάσεις μύτης, με τις μικρότερες να εξασφαλίζουν υψηλότερη λεπτομέρεια εκτύπωσης εις βάρος της ταχύτητας και τις μεγαλύτερες να παρέχουν χαμηλότερη ποιότητα, αλλά υψηλότερες ταχύτητες εκτύπωσης.

Επιπλέον, είναι σημαντικό τα nozzle που χρησιμοποιεί το hotend να έχουν standard μέγεθος σπειρώματος (π.χ. M6), καθώς τα λιγότερο εμπορικά σπειρώματα μπορεί να είναι ακριβά και να έχουν περιορισμένη ή δύσκολη διαθεσιμότητα.

Ποιότητα Κατασκευής και βάρος:

Ένα καλά σχεδιασμένο hotend έχει μικρό βάρος, ενώ εξακολουθεί να θερμαίνει αποτελεσματικά το νήμα και να αποτρέπει την μεταφορά θερμότητας στο επάνω κομμάτι του hotend (φαινόμενο heat creep). Το μικρότερο βάρος σημαίνει ότι μπορούν να επιτευχθούν υψηλότερες ταχύτητες εκτύπωσης, καθώς υπάρχει λιγότερη μάζα που πρέπει να μετακινηθεί κατά μήκος της επιφάνειας εκτύπωσης. Η ταχύτερη θέρμανση επιτρέπει επίσης υψηλότερους ρυθμούς στο extruder, οι οποίοι είναι κρίσιμοι σε εκτυπώσεις υψηλής ταχύτητας.
Ένα hotend υψηλής ποιότητας περιορίζει σημαντικά τα προβλήματα εκτύπωσης καθώς λόγω του σχεδιασμού του, μπορεί να διατηρήσει τη θερμότητα κοντά στο nozzle και να την περιορίσει εκεί, ώστε να αποτρέψει τυχόν μπλοκαρίσματα κατά τη διάρκεια της εκτύπωσης.

Σύστημα Ψύξης:

Όταν υπάρχουν υψηλότερες απαιτήσεις για τις εκτυπώσεις σας, η αξιόπιστη και άμεση ψύξη στο hotend αποκτά μεγάλη σημασία. Τα περισσότερα hotend διαθέτουν παθητική ψύξη, στην οποία η θερμότητα διοχετεύεται από το hotend στον περιβάλλοντα αέρα. Ωστόσο, αν θέλετε να εκτυπώσετε σε υψηλότερες θερμοκρασίες και ταχύτητες, τότε αυτή η μέθοδος απομάκρυνσης της θερμότητας από το hotend μπορεί να μην είναι επαρκής. Η ψύξη μπορεί να ενισχυθεί με εγκατάσταση ενός hotend με active cooling. Για παράδειγμα, ένας ανεμιστήρας μπορεί να προσαρτηθεί στην ψύκτρα για να φυσήξει δροσερό αέρα πάνω της. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε hotend με ενσωματωμένο σύστημα υδρόψυξης, για να βελτιώσετε τη ρύθμιση της θερμοκρασίας και να κάνετε μια ουσιαστική αναβάθμιση στον εκτυπωτή σας.

Πώς συντηρείται ένα Hotend?

Η τακτική συντήρηση είναι ζωτικής σημασίας για τη βέλτιστη απόδοση του hotend. Παρακάτω παρατίθενται ορισμένες συνήθεις διαδικασίες συντήρησης για τα μέρη του:

Nozzle: Το nozzle πρέπει να καθαρίζεται τακτικά – τόσο οι εξωτερικές επιφάνειες όσο και το εσωτερικό κενό του. Αυτό πρέπει να γίνεται όσο είναι ζεστό. Η διάμετρος του ανοίγματος του nozzle πρέπει επίσης να ελέγχεται, καθώς μπορεί να μεγαλώσει καθώς διαβρώνεται με την πάροδο του χρόνου.

Heat Block: Με την πάροδο του χρόνου, υπολείμματα νήματος μπορεί να μείνουν στην επιφάνεια του, συνεπώς πρέπει να καθαρίζεται τακτικά. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το φαινόμενο υπάρχουν καλύμματα σιλικόνης για να κρατήσουν την επιφάνεια του heat block καθαρή και να περιορίσουν την ανάγκη συνεχούς καθαρισμού, να προστατεύουν τον χρήστη από εγκαύματα καθώς και για να βελτιστοποιούν τη μεταφορά θερμότητας στο νήμα.

Thermistor: Ένα ελαττωματικό θερμίστορ μπορεί να προκαλέσει ασταθείς θερμοκρασίες στο hotend. Ο τακτικός έλεγχος του καλωδίου για τυχόν φθορές είναι σημαντικός. Εάν είναι δυνατόν, αφαιρέστε το αισθητήριο και τοποθετήστε το σε ένα φλιτζάνι με νερό με πάγο ή με βραστό νερό για να ελέγξετε εάν η ένδειξη της θερμοκρασίας είναι ακριβής.

Heat Break: Για τα all-metal hotends, το heat break είναι συχνά κατασκευασμένο από υλικό με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και δεν χρειάζεται να αντικατασταθεί. Ωστόσο, στους εκτυπωτές που χρησιμοποιούν σωληνάκια PTFE, αυτά θεωρούνται αναλώσιμα καθώς μπορεί να φθαρούν ή να αλλοιωθούν με την πάροδο του χρόνου. Εάν αυξηθούν τα προβλήματα εκτύπωσης όπως το μπλοκάρισμα της κεφαλής, συνήθως χρειάζεται αλλαγή του PTFE Tube.

Heat Sink: Βεβαιωθείτε ότι τα η ψύκτρα σας είναι καθαρή από σκόνη ή υπολείμματα, καθώς αυτό μπορεί να μειώσει την απόδοση της.

Κάθε πότε χρειάζεται καθαρισμός?

Ο καθαρισμός του hotend μετά από κάθε εκτύπωση είναι ο καλύτερος τρόπος για να διασφαλίσετε τη βέλτιστη λειτουργία του στην επόμενη εκτύπωση. Δεν είναι απαραίτητο να το αποσυναρμολογείτε τελείως. Αντίθετα, αρκεί να καθαρίσετε το nozzle και να βεβαιωθείτε ότι δεν υπάρχουν υπολείμματα νήματος ή σκόνη. Ωστόσο, η εκτέλεση περιοδικής συντήρησης σε ολόκληρο το σύστημα μπορεί να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του hotend σας.

Μετά από αυτό το άρθρο ελπίζουμε η επιλογή του επόμενου hotend σας να είναι πιο εύκολη!

Καλές εκτυπώσεις!