Novo Iron Hotend - Testes Preliminares

Após a finalização do protótipo da Prusa Air, tenho me dedicado a produção de peças para os kits da Mendel e da Air, imprimindo peças e mais peças, todos os dias com as impressoras trabalhando a todo vapor.

Em paralelo a atividade de produção de Kits, iniciei a criação de vídeos manuais mais detalhados possíveis em português para facilitar a montagem dos Kits que distribuímos, esses manuais estão em um novo blog, todos os vídeos foram gravados em Full HD para melhor visualização:

http://manuais3dm.blogspot.com.br/

Por esse motivo, não tinha novidades para postar aqui no blog de pesquisa e desenvolvimento até hoje.

Novo Hotend de aço inoxidável - Iron Hotend.
(Para filamento de 3mm)

A alguns meses atrás o Renato Parisotto, membro atuante no grupo de estudo Boteco3D, amigo e cliente da 3DMachine, apareceu aqui na minha oficina com peças muito bem usinadas em aço inoxidável e latão, ele estava desenvolvendo um novo hotend e gostaria que eu fizesse alguns testes.

A barreira térmica era de aço inoxidável aletada, usando uma camisa de teflon por dentro com 6mm de diâmentro externo e 3,2mm interno, o corpo do bico e bloco aquecedor para 2 resistores, eram de latão e os bicos furados a laser com altíssima precisão, eram de aço inoxidável também, com furos de 0,1mm, 0,2mm, 0,3mm, 0,4mm, 0,5mm, 0,6mm e 0,7mm.

Por falta de tempo, não testei o conjunto gentilmente fornecido pelo Renato e acabei engavetando as peças por meses, mesmo porque o hotend RepRapBR/3DMachine funciona muito bem.

O único detalhe que me incomoda no hotend RepRapBR / 3DMachine é que a barreira térmica de teflon é usada como uma peça estrutural no conjunto e o teflon não é um material muito indicado para essa função por ser um pouco mole, não permitindo o uso de rosca e por isso usa muitas peças adicionais, dificultando a montagem do mesmo,  pois se o teflon e o latão não forem perfeitamente alinhados, ele pode vazar com o tempo e por esse motivo, todos são enviados montados.

Independente disso o Hotend RepRapBR/3DMachine continua em produção, funcionando muito bem, todas as impressoras da 3DMachine usam esse Hotend, o qual imprime por muitas horas por dia sem apresentar nenhum problema ou vazamentos, usando bicos de 0,35mm a 0,6mm, imprimindo peças com excelente qualidade.

Mas em um processo de melhoria continua, identifiquei alguns pontos que podem ser melhorados no Hotend atual, são eles: 

1-Alta integridade estrutural em todas as peças;

2-Facilidade para montar, sem necessidade de alinhamentos;

3-Facilidade de desmontar para limpeza;

4-Mais curto para ganhar mais altura no eixo Z; 

5-Trocar apenas o bico (0,5 ou 0,3, etc.) sem desmontar o resto.

6-Aprova de vazamentos;

Por que Aço Inoxidável ?

Eu já tinha visto na internet, em sites gringos, muitos modelos de Hotends, cuja a barreira térmica era feita com aço inoxidável, material esse que garante a integridade estrutural do conjunto, fora isso a condutividade térmica desse material é uma das mais baixas para os metais, de apenas 15,9 k. Para se ter uma ideia da diferença, veja a tabela abaixo:

Prata = 428 k

Cobre = 398 k

Ouro = 315 k

Alumínio = 247 k

Latão = 120 k

Aço Inoxidável 15,9 k

Teflon = 0,25 k

Baquelite = 0,15 k

Modificação das peças:

O Renato já tinha me alertado que nos testes dele, o bico de aço inoxidável não funcionava bem, acredito que devido a baixa condutividade térmica, por isso fiz a 

Primeira alteração:

Usinar bicos de latão com furos de vários diâmetros diferentes.

Segunda modificação:

Diminuir o bloco aquecedor para usar apenas 1 resistor de 5w - 6R8 igual ao outro hotend.

Terceira modificação:

Retirar a rosca da parte superior da barreira térmica e refazer o pescoço dessa área igual a barreira de teflon do hotend atual, para encaixar no extrusor de maneira padrão, seja com o uso de parafusos laterais ou base de metal.

Quarta modificação:

Abrir o furo do corpo do bico para 3,5mm, estava com 3,2mm.

Por dentro da barreira térmica de aço inoxidável passa um tubo de teflon com 6mm de diâmetro externo e 3,2mm de furo para passagem do filamento, ele tem praticamente todo o comprimento da peça de inox, menos 2mm em cada ponta.

Montagem do Bloco Aquecedor:

O corpo do bico e o furo por onde ele passa tem agora uma rosca de 6mm para sua fixação, isso permitiu fazer um bloco menor. Outra modificação, foi colocar um parafuso M3 que serve para prender o termistor e ao mesmo tempo travar o resistor no lugar, facilitando a montagem, pois os componentes ficam firmes no lugar.

Não dispensei o uso de fita de teflon para fazer o isolamento térmico do bloco aquecedor, esse novo layout facilitou muito o ato de "mumificar" o bloco.

Para quem não sabe, isso evita que o bloco irradie calor para a peça que esta sendo impressa e também faz o bloco aquecer de forma mais eficiente.

Adicionei um conector de 4 vias para facilitar a troca do Hotend.

Testes Preliminares:

1º) Teste - aquecimento sem ventilação forçada.

Conectei o Iron Hotend na minha velha Prusa Air, fora do extrusor e fixei um termistor extra na lateral superior do inox, liguei esse termistor na entrada da mesa aquecida, assim posso monitorar graficamente o aquecimento da parte superior do inox, pois essa é parte que encaixa na base do extrusor.

Liguei o Hotend e defini a temperatura de 230º C, fiquei surpreso como subiu rápido a temperatura, levou apenas 1 minuto para atingir 230º C usando apenas um resistor de 5w (6R8). No gráfico abaixo podemos ver na linha azul (onde marcaria a aquecimento da mesa) a temperatura da parte superior do inox (barreira térmica), vejam que demorou 15 minutos para atingir 80 º C.

Depois de quase 1 hora, a temperatura da parte superior do inox estava se mantendo perto dos 90º C com o bico em 230º C.

                                                                          Subi a temperatura do bico para 250º C e coloquei um pregador de roupa para melhorar a leitura do termistor que estava encostado na parte superior do inox, vejam que a linha azul parou de oscilar.

Após 2 horas com o Hotend ligado e definido em 250º C a parte superior do inox atingiu 99ºC e se manteve assim, essa temperatura é muito alta para ficar em contato direto com a base de plástico do extrusor, fora isso, o ABS dentro da barreira térmica pode expandir e travar, entupindo o sistema, portanto, vamos ao segundo teste.

2º) Teste - aquecimento com ventilação forçada.

                                                                                Para realizar o segundo teste, precisava instalar um ventilador para refrigerar as aletas da barreira de aço inox. O Thiago Peixoto, também membro do grupo de estudo RepRapBR já havia feito um duto de ar para essa finalidade e enviou os arquivos prontamente para mim, porém vou ter que editar o arquivo devido a diferença de comprimento total do Iron Hotend.

Portanto, para agilizar o teste improvisei um duto de papel com um ventilador de 12v de 40x40x10mm. Instalei o duto/ventilador sem desligar o aquecimento Hotend para ver graficamente a diferença.

Assim que, liguei o ventilador a temperatura na parte de cima do inox começou a cair rapidamente (linha azul) e estabilizou em 40º C. O PWM do hotend não teve que fazer um esforço extra significativo, para manter a temperatura da parte de baixo em 230º C, como pode ser visto em verde no gráfico PWM, creio que o teflon continua ajudando nisso.

Subi novamente a temperatura do hotend para 250º C e aguardei durante 1 hora, as leituras foram: 250ºC no bico, 152º C na parte de baixo do inox e, apenas 38º C na parte superior do inox.

No gráfico acima, a linha azul está medindo a temperatura da parte superior da barreira térmica feita em aço inoxidável.

3º) Teste - Impressão de peças.

Já estava ficando ansioso para iniciar os testes de impressão.

Para fixar o Iron Hotend no extrusor, usei dois parafusos M3 de 30cm que passam por dois buracos na base do extrusor, travando a barreira térmica pelo pescoço.

O extrusor utilizado foi o AJGW, ele foi projetado pelo Alain do grupo de estudo RepRapBr e pode ser baixado aqui, hoje esse extrusor equipa todas as minhas impressoras, além de ser muito bom, é muito prático na hora de trocar o filamento.

O Hotend ficou muito firme com esse sistema de ancoragem, porém algumas pessoas vão me falar que se mantiver a base de alumínio para prender o hotend no pescoço, vai ajudar a dissipar o calor, porém dessa forma, ganhei mais alguns milímetros na altura do Z.

O conjunto ficou bem mais simples.

Primeiro teste de extrusão do Iron Hotend, sem problemas.

A primeira peça escolhida, foi uma das peças da impressora, um endstop. Notem que, fixei o duto de papel abaixo do carro X do lado esquerdo, ele está soprando diretamente nas aletas da peça de aço inox.

A primeira impressão ocorreu sem problemas, usei um bico com 0,4mm de diâmetro, e altura de camada de 0,3mm.

A segunda peça a ser impressa foi um polvo, já conhecido pelo pessoal.

A qualidade ficou muito boa, apesar de imprimir em velocidade alta e com camada de 0,3mm de altura.

Depois imprimi um vaso que também é bem conhecido pelo pessoal das impressoras 3D.

A impressão ficou ótima, porém notem que algumas camadas descolaram um pouco, mas isso não foi culpa do Hotend e sim da minha garagem que estava muito fria às 3 horas da manhã !!

Após 3 horas imprimindo sem parar, queria saber como andava a temperatura na parte superior da barreira térmica, foi quando notei que existe um furo na base do extrusor, logo abaixo da dobradiça do filamento, onde podia ver o aço inox da barreira.

Usando novamente um termistor com pasta térmica, consegui medir a temperatura, a qual estava em 55º C !

Conclusão.

O Iron Hotend passou com louvor nos testes preliminares, não vazou nada, aqueceu muito rápido e se manteve nas temperaturas desejadas em todas as partes. Hoje ele continuou imprimindo o dia todo e até agora não apresentou problemas.

Quanto a utilizar a ventilação forçada, já era previsto para esse modelo de Hotend. Pode ser que com uma barreira de aço inoxidável mais comprida, e com mais aletas, não precise, porém queria um hotend bem curto, e não há problemas em colocar um pequeno ventilador com um duto impresso em ABS, pois melhora muito a eficiência desse sistema e é muito fácil de instalar.

Próximos passos:

Vou desenhar um duto para ser usado com um ventilador menor, de 30x30x10mm, feito isso, usinarei mais algumas unidades do Iron Hotend e pedirei a ajuda da comunidade RepRapBR para que alguns membros voluntários me ajudem a testar os protótipos, e se tudo der certo em breve teremos mais uma opção de Hotend no mercado nacional.

Até o próximo post.