Was steckt hinter einem neu entwickelten Hot End?

Jeder der sich mit dem Thema 3D Drucken mittels FDM Verfahren beschäftigt, wird sicherlich schnell bemerkt haben, dass das Hotend eine Achillesferse bei diesem Verfahren ist. Ein dabei häufig auftretendes Problem ist in der Regel, dass das Hotend nicht mehr fördert (sogenanntes Jamming).

Gerade bei großen Bauteilen mit extrem langen Druckzeiten ist dies umso ärgerlicher, wenn das Hotend plötzlich seinen Dienst aufkündigt. Das Unternehmen F&B rapid production UG hat sich auf große Drucker mit einer großen Druckfläche spezialisiert und ein Hotend entwickelt, welches nicht nur extrem schnell sondern auch extrem zuverlässig druckt.

Betrachten wir den Weg des Filaments vom Eingang bis zum Austritt (Düse) des Materials, so wird schnell klar, dass bei vielen Hotends auf dem Markt ein sehr fein abgestimmtes System vorliegen muss, um erfolgreich drucken zu können. Beim Eintritt in das Hotend liegt die Temperatur des Filamentmaterials in der Regel deutlich unter der Erweichungstemperatur. Dies ist notwendig, da die Festigkeit des Materials hoch genug sein muss, um davor liegendes Material „weiter zu schieben“. Gängige Systeme auf dem Markt setzen hier auf eine Kühlung mittels einer Art Kühlrippengeometrie die von Luft umströmt wird.

Das Aufschmelzen erfolgt im einen kleinen Block aus Aluminium oder einer Kupferlegierung in der eine Heizpatrone quer liegend befestigt wird. Hier schmilzt das Material auf und wird durch die Düse mit dem definierten Querschnitt gepresst. In dem Übergangsbereich zwischen kalt und heiß erwärmt sich das Filament und da Kunststoff einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, kommt es im ungünstigen Fall dazu, dass das Filament wie ein Pfropfen im Hotend sitzt und ein weiteres Fördern des Materials nur mit viel Kraft erfolgen kann. Besonders nachteilig ist dies bei einem Bowden Extruder, da hier zusätzliche Reibungskräfte im Zuführschlauch überwunden werden müssen.

Änderungen der Druckgeschwindigkeit bei herkömmlichen Hotends können ebenfalls zu Problemen führen. Bei hohen Extrusionsgeschwindigkeiten wird dem Aufschmelzbereich Wärme entzogen. Dies kann unter Umständen schon dazu führen, dass die Temperaturen nicht mehr ausreichen um das Filament ordentlich aufzuschmelzen, mit der Folge, dass kein Material mehr aus der Düse kommt. Durch eine höher eingestellte Temperatur kann dies beseitigt werden. Wird allerdings eine hohe Geschwindigkeit z.B. für die Innenstruktur und eine niedrige Druckgeschwindigkeit für die äußere sichtbare Kontur eingestellt, dann passiert Folgendes. Bei der hohen Geschwindigkeit wird im Düsenbereich viel Wärme entzogen, was allerdings durch die Regelung der Temperatur ausgeglichen wird und entsprechend die Heizpatrone öfter zugeschaltet wird. Wird nun die Geschwindigkeit bei der Außenkontur reduziert, heizt die Patrone zunächst verstärkt nach und schwingt sich erst nach einer gewissen Zeit auf die nun anderen Verhältnisse ein. Die Folge ist ein kurzzeitiges Überhitzen des Hotends, was dazu führen kann, dass sich das Filament in der Übergangszone zwischen kaltem und heißem Bereich zu stark ausdehnt und das Hotend blockiert.

Eine Eigenentwicklung eines Hotends von F&B rapid production UG, unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Eigenschaften, führte letztendlich zu einem Hotend, welches in den Bereichen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit neue Maßstäbe setzt. Der Aufbau des Hotends unterscheidet sich dementsprechend zum Teil deutlich von den konventionellen Hotends (siehe Beitragsbild).

Der obere Bereich, in dem das Filament in das Hotend gelangt, wird nicht luftgekühlt, sondern besitzt eine externe flüssigkeitsbasierende Kühlquelle, die in Sekunden für extrem niedrige Temperaturen sorgt. Dabei handelt es sich nicht (wie im Beitragsbild dargestellten Prototypen) um eine direkte Kühlung in Form von Kühlleitungen, sondern um ein geschlossenes System, dass mit dem Hotend verbunden ist. Der Bereich zum Aufschmelzen des Materials ist im Vergleich deutlich länger ausgeführt und die Heizpatrone (wahlweise können auch zwei Patronen geregelt werden) liegen nicht quer zur Hotend Achse, sondern längs. Dies bedeutet, dass während des Extrudierens das Filament einen langen Weg in dem Aufschmelzbereich zurücklegt und somit auch ein Aufschmelzen bei extrem hohen Druckgeschwindigkeiten immer noch garantiert werden kann. Die thermische Trennung zwischen kalten und heißen Bereich übernimmt ein PTFE Material. Dies ist bei anderen Systemen auch üblich, allerdings ist die Anordnung der Isolierung deutlich differenziert. Ein direkter Kontakt über Metall ist bei diesem Hotend fast ausgeschlossen bzw. minimal. Eine extrem kleine Übergangszone zwischen heiß und kalt ist die Folge. Ein blockieren durch thermisch ausgedehntes Filament ist nahezu ausgeschlossen.

Wichtig, wenn es um Druckgeschwindigkeiten geht ist auch die Beschleunigung. Die Drucker der Firma F&B rapid production UG sind sehr massiv aufgebaut und können daher hohe Beschleunigungswerte problemlos umsetzen. Festgelegt wird die Beschleunigung in der Firmware, wie z.B. Marlin. Werte im Bereich von 3000 mm/s² oder deutlich mehr sind Standard, aber was bedeutet dies für die Druckgeschwindigkeit? Eine einfache Rechnung aus der Physik für gleichmäßig beschleunigte Bewegungen gibt hier Aufschluß. Mit s=v²/2*a kann entweder der Weg berechnet werden, der notwendig ist um auf eine vorgegebene Geschwindigkeit v zu kommen oder es kann nach v umgestellt werden und die Geschwindigkeit bei gegebenen Weg berechnet werden. So ergibt sich z.B. bei a=3000 mm/s² nach einer Wegstrecke von 50 mm eine Geschwindigkeit von  547,7 mm/s. Ist also das Bauteil 100 mm insgesamt lang wird bei der Hälfte eine maximale Geschwindigkeit von 547,7 mm/s erreicht. Die kurze Rechnung zeigt auf, dass die Beschleunigung a und auch die Größe des Bauteils einen Einfluss darauf haben wie schnell sich das Bauteil drucken lässt. Allerdings immer vorausgesetzt, dass ein leistungsfähiges Hotend verwendet wird.

Eingesetzt wird das Hotend bei den Druckern MetalBro300 und dem MetalBro big. Für den letztgenannten läuft aktuelle eine Indigogo Kampagne bei der auch das Hotend einzeln erworben werden kann.

Auch wenn der Platzbedarf des neu entwickelten Hotends etwas größer ist und auch eine gewisse Peripherie zur Kühlung notwendig ist, so ist hier ein Hotend auf dem Markt was eben keine Kompromisse hinsichtlich der Leistungsfähigkeit eingegangen ist. Tests über Monate mit dem neu entwickelten Hotend zeigten zu keinem Zeitpunkt das bekannte Jamming Problem und auch Großdrucke laufen ohne jegliche Probleme. Geschwindigkeiten von über 500mm/s sind kein Problem. Auch höhere Geschwindigkeiten sind, allerdings unter beeinträchtigter Druckqualität möglich. Wer ein schnelles zuverlässiges Hotend sucht, der sollte sich von den Videos ein Eindruck verschaffen.