¿Cómo funciona un hotend o cabezal de impresión 3D FDM?

El cabezal es donde se hace la magia y se transforma el hilo en material fundido que sale por lo boquilla y va dejando un rastro por donde pasa, cuando se ejerce presión dentro desde el extrusor.

Este calor se ejerce en el bloque calefactor y se transmite hacia la boquilla. La cavidad de esta tiena una forma concreta para dirigir el material hacia el agujero, que tiene un diámetro especificado, la tolerancia del cual es crítica para acertar la cantidad de material que sale.

Este bloque del extrusor solo interesa que transmita el calor hacia la boquilla. Por lo que este debe estar aislado. Si no fuera así el material se fundiria demasiado pronto y sería muy fácil que se obstruyera con el reflujo del material. Como se consiga este aislamiento depende de su construcción y esto determina el tipo de extrusor, y la temperatura máxima a la que trabaja.

El cabezal es una parte crítica, y es muy fácil que tenga problemas, sobretodo de obstrucción. Poder reparar o reemplazar esta parte fácilmente es un aspecto clave de una impresora 3D FDM.

El material fundido que se deja tiene forma oval en el perímetro de cada capa. Por lo que por muy baja que sea la altura de las capas siempre habrá rugosidad y un efecto anisotrópico (cambia el reflejo o el color dependiendo de la incidencia de la luz).

 

Diámetro del filamento

La característica principal de un cabezal es el diámetro de filamento con el que puede trabajar. Esto define la cavidad de la boquilla, y a partir de ahí el resto del cabezal.

El filamento debe quedar bien encajado para evitar los reflujos de presión del material fundido, y conseguir que salga por el agujero de la boquilla de forma consistente.

Ten en cuenta que un filamento grueso tarda más en calentarse, y por lo tanto le cuesta más que el calor lo funda más allá de la boquilla.

 

Construcción

Podemos diferenciar los hotends en cómo consiguen aislar por su construcción la temperatura de la boquilla.

 

Full metal

full metal
E3Dv6

El aislamiento de la boquilla se consigue mediante un difusor metálico, el cual debe estar ventilado.

Este tipo de extrusores permite operar a mucha temperatura. Pues los materiales metálicos lo aguantan perfectamente. Quizá el límite lo marquen los componentes electrónicos del cabezal: la resistencia calefactora, el termistor y el cableado alrededor.

Hay diversidad en cómo se encajan las piezas entre sí. Pero es crítico fijarse en la transición entre el difusor y el bloque calefactor. Es un punto donde el filamento se puede encallar. Además es bastante recomendable sellarlo con silicona térmica (como la que se monta en los difusores de las CPU).

Durante el montaje de estos cabezales es recomendable montar la boquilla, calentar el cabezal y volver a apretarla bien, y después volver a enfriar. Así se garantiza la estanqueidad y que el material fundido no se cuele por esa rosca.

Si el difusor no refrigera bien (porqué no recibe suficiente aire) el reflujo del material fundido puede subir hacia atrás y cuando se enfría puede obturar el filamento. 

En general estos cabezales tienen muy buenas prestaciones, pero también tienen más puntos críticos con posibilidades de fallo.

 

Aislante

Jhead
J-head

Estos hotends consiguen aislar el cabezal de la forma más simple. El bloque calefactor se sujeta con un material aislante, por donde entra el filamento, sin que se caliente. Este material marca el límite de temperatura del extrusor, ya que si sube demasiado se puede quemar o deformar. Los materiales típicos son el PEEK, o el PTFE. Que además son muy ligeros.

La boquilla va apretada contra este material, con lo que se garantiza que queden sellados más fácilmente. Y el montaje es mucho más fácil. También suelen ser más baratos

Estos cabezales tienen pocas prestaciones, pero son una buena forma de empezar. Ya que para imprimir en PLA van sobrados. Y són sencillos de montar, y mantener.

 

Pseudo full metal

Muy típico en las impresoras chinas. Estos cabezales parecen un full metal, pero no lo són. A ver, no es que te engañen si no explicitan que son full metal. Ya que constructivamente lo que hacen es llevar el tubo bowden hasta tocar la boquilla, y el difusor lo que hace es evitar que el tubo se caliente demasiado. Así la precisión del mecanizado puede ser más burda pudiendo ir más rápido en su fabricación y bajando su coste.

Pero hay dos problemas con estos cabezales: Primero, el material del tubo limita la temperatura máxima. De por sí esto no sería malo, pero hay un segundo problema más crítico: aunque se trabaje siempre por debajo de esa temperatura máxima, el extremo del tubo se acaba dañando con el tiempo, haciendo que se obture o haya pérdidas del material fundido. Por lo que la fiabilidad de estos cabezales es muy baja.

 

Boquilla o nozzle

Hay otras características que atañen específicamente a la boquilla (también dicha nozzle del inglés):

 

Agujero

noozle tamaños comparativaUn aspecto clave de un cabezal es el diámetro del agujero de la boquilla. Esto es una característica que juega entre la capacidad de producción y la velocidad.

Cuanto más grande el agujero más volumen de material puede sacar, dejando un hilo más grueso. Por lo que no hacen falta tantas pasadas para hacer un grosor de perímetro suficiente para la pieza. Y también se puede imprimir en un grosor de capa más alto, haciendo la pieza entera con menos capas. Esto ahorra mucho tiempo, pero a costa de quitar calidad superficial y capacidad de definir detalles.

Un agujero pequeño por contra no solo es capaz de definir mejor los detalles, si no que trabajará mejor a una altura de capa más fina.

También es importante tener en cuenta que por un agujero más pequeño cuesta más presión sacar el material, por lo que el extrusor tendrá que ejercer más fuerza. O el material deberá ser más fluido, y eso se puede conseguir subiendo la temperatura.

Finalmente avisar que por un agujero pequeño no pueden salir las partículas que puede contener un material. Sea porque las lleve por aditivos, o sea porqué no ha pasado los controles de calidad.

El tamaño típico está en 0.4mm, que se ha convertido en el estándar. Pero encontramos boquillas entre un rango de 0.15, y 1,2 mm. 

 

Material

Hay diferentes materiales que podemos encontrar para hacer la boquilla:

  • nozzle de bronceBronce: El más típico. Transmite muy bien el calor, es fácil de mecanizar y es económico. Es el material ideal. Si no fuera tan susceptible a la abrasión. Puede rejas trazas de estaño, por lo que no es compatible con aplicaciones alimenticias. Se utiliza para la mayoria de materiales.

 

  • nozzle de acero pavonadoAcero: Donde el bronce no llega se utiliza el acero, con tratamiento superficial pavonado, para evitar la corrosión. Aguanta bien la abrasión. Y es más estable dimensionalmente con el cambio de temperaturas por lo que aguanta más temperatura. Peró también la transmite peor. Otra desventaja és que puede dejar restos de plomo, por lo que no es recomendable para objetos que estén en contacto con la piel o con comestibles. Se utiliza para materiales abrasivos.

 

  • nozzle de acero inoxidableAcero inoxidable: Tiene características similares al acero, pero con la ventaja de que no deja restos. Por lo que se puede utilizar para hacer objetos en contacto con alimentos. Y aguanta temperaturas mucho más altas.  Se utiliza para materiales abrasivos y muy exigentes, y para aplicaciones en contacto con la piel y alimentos.

 

  • Diamante: estas boquillas tienen un diamante engarzado a la punta con el agujero por donde sale el material. El agujero es muy estable dimensionalmente, y aguanta cualquier tipo de abrasión. Son características interesantes, pero el coste es muy eleveado, incluso diria que innecesario comparado con la mejora poco sustancial que consigue.

 

 

Carro del cabezal

carro cabezal prusa mk3
carro del cabezal de la Prusa Mk3

No nos podemos olvidar de mencionar la parte de la estructura de donde cuelga el cabezal. Puede estar cubierta o no. En los cabezales de aislante no importa demasiado, pero en los fullmetal una carcasa puede mejorar la canalización del aire, y así mejorar el puente térmico y con ello rendimiento del cabezal.

Dependiendo de su construcción los vemos más pesados o menos. La ligereza del carro es muy importante para reducir vibraciones e inercias. Quizás sea más importante en la sujeción vertical de una cartesiana XZ, donde el carro cuelga haciendo palanca. En cambio en otros tipos de impresora el carro queda asentado sobre la sujeción de su eje, y es más estable.

 

Más contenido

Este artículo es parte de la serie: Todo lo que deberias saber sobre impresión 3D FDM.

 

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