Elegir la boquilla y el barril adecuado y prevenir los atascos

Preámbulo

Según mi experiencia y viendo lo que hay por alrededor, hay cierto desconocimiento/conocimiento erróneo sobre los “barriles” y las boquillas. Y por no olvidar que muchos de nosotros no entendemos muy bien como funciona un conjunto fusor, no hablo de las partes, sino porqué de su diseño. Porqué tantas formas y materiales para los disipadores, barriles y toberas. Despejemos todas las dudas e incertidumbres.

La ciencia de fundir un plástico, para que lo entendamos

Un plástico común, por ejemplo el PLA debe ser fundido en un trayecto muy corto en impresiones con una velocidad volumétrica de 15 mm cúbico por segundo, cuanto más estires la transición de la fundición, más gelatinoso se hará, con la consecuencia de la aparición de los atascos. Un atasco básicamente se produce porque el plástico se adhiere a las paredes del interior del fusor, especialmente en la garganta del barril o en la boquilla.

Eso significa que la boquilla debe estar lo más caliente posible y el barril lo más frío posible. El barril (españolizados por muchos) pierde el sentido de lo que en inglés: heat-break, que se podría traducir como rotura de calor. Significa que es el elemento más crítico de un fusor, donde es la transición entre frío-caliente.

Thomas ANNET hace un análisis sobre ese conjunto fusor, con lo que devuelve el siguiente resultado, primero sin ventilador. Analicemos.

Podemos observar claramente que el disipador tiene una temperatura que oscila entre los 113 grados hacia los 147 grados, con lo cual puede significar que el PLA se estaría ablandando muchísimo antes de lo esperado, con lo cual podría estar acumulándose en el barril / garganta, produciéndose un atasco.

También se puede observar que la diferencia de temperatura entre el bloque y el barril/disipador es bastante grande, con lo cual, el propio barril está haciendo muy bien su trabajo.

De una forma más detallada, podemos ver las distintas zonas del conjunto fusor, se ve claramente que no está diseñado para ser utilizado sin un ventilador, recalco ese dato porque hay personas que van con la mitad de las aspas del ventilador. Es importante tenerlo limpio, fluido y en buen estado.

Y ahora, con un ventilador, la cosa cambia drásticamente, observemos:

Se ve un claro cambio en el comportamiento del calor, bajando de los 113 grados hasta los 36 grados en su parte inferior, incluso estando más frío en su parte superior, hasta los 25 grados. El filamento PLA se mantendrá duro y frío durante su recorrido hasta llegar al bloque.

En la imagen, mostrando en detalle cada parte del fusor, se ve una diferencia drástica en comparación sin ventilador, reduciendo su temperatura por el camino hasta los 31 grados, llegando a la garganta y sube a los 57 grados, punto donde empieza a ablandarse. Se muestra la importancia de usar un ventilador adecuado y que esté en perfectas condiciones. Incluso el cambio a un ventilador más potente, se podría mejorar el comportamiento del disipador.

Un repaso a los materiales

La conductividad térmica define la capacidad de conducir el calor entre sus moléculas hacia otras moléculas o a elementos con el que están en contacto. Se mide en vatios / (metros x Kelvin), W/(m·K) en el SI. Hay que saber un poco de fórmulas, física y matemáticas para resolver esas ecuaciones. No vamos a meternos en eso, solo es importante entender que la cifra, cuanto mayor sea, “mejor conduce el calor de un lado a otro”. Sin más:

En boquillas nos encontramos:

  • Latón, 119 W/(m·K):
    • Más común
    • Muy económico
    • Poca durabilidad
    • No apto para uso alimentario
    • Buenas características de transferencia de calor
  • Acero inoxidable, 13,99 W/(m·K):
    • Único apto para uso alimentario
    • Más caras que la media
    • Malas características térmicas
    • Para imprimir chocolate, no sirve para otra cosa
  • Cobre niquelado, 399,53 W/(m·K):
    • Mejor trasferencia térmica, de lejos
    • Son enteramente de cobre con un fino recubrimiento de níquel es para evitar su corrosión y funciona como antiadherente.
    • Ideal para imprimir a 0.4 o menos
    • Son más caros que los de latón
  • Titanio, aleación, explicado en la siguiente sección:
    • Elemento a evitar
    • Aprovechan el márquetin
    • Extremadamente baja conductividad térmica
  • Tungusteno, 173,87 W/(m·K):
    • La élite de las boquillas, combina todo lo mejor de cada
    • Endurecida, duradera y con muy buenas propiedades térmicas
    • Duran más que las de rubí
    • Excesivamente caras

Conclusión: Latón, para diámetros 0.6 o mayor y cobre niquelado para 0.4 o menor. Únicamente estos.

En barriles, (heat-break), nos encontramos:

  • Acero inoxidable, 13,99 W/(m·K):
    • Es la opción más popular y barata, después de los relleno de teflón
    • Baja conductividad térmica
  • Aleación de titanio, son de grado 5, compuesto por un 6% de aluminio y un 4% de vanadio, con lo que da un resultado de 6,7 W/(m·K) de conductividad térmica:
    • Mejor que los de acero inoxidable
    • Ligeramente más caros
  • Bi-metálicos, se componen de 2 metales, con un exterior de cobre y un interior de acero inoxidable o aleación de titanio 5, siendo los segundos mejor opción:
    • Una conductividad térmica exterior de la mejor y una conductividad térmica interior de la peor
    • Mejores aun que las dos opciones anteriores

Conclusión: Bi-metálicos, como primera opción y aleación de titanio como segunda opción, la diferencia de precio suelen ser de unos pocos de euros.

Apunte: es muy importante echar masilla térmica, con eso cubre cualquier holgura que haya en la rosca, además de ayudar a transferir el calor de un elemento a otro.

Comparando calidades

Las calidades de los acabados de un original a un fabricante chino de calidad a otro de muy mala calidad difieren muchísimo. Cabe decir que del original al chino de alta calidad las diferencias son mínimas, sin embargo, cuando vamos a las bajas calidades es cuando debemos de sustituir inmediatamente.

Muchos de los problemas de impresión o acabados se debe a las bajas calidades de los componentes, muchas veces creemos que es del filamento o del fileteador cuando podría ser fácilmente la boquilla, que está dada de sí o del bloque con una conductividad térmica paupérrima.

Izquierda: baja calidad, derecha: original.

En el caso de las boquillas se puede apreciar con facilidad que el caso de la baja calidad es latón volcado sobre un molde, mientras que el original es un mecanizado, con un pulido y un acabado mejor. Las opciones chinas de alta calidad son muy similares a los originales.

Ocurre igual que con los bloques calefactores:

Izquierda: Fysetc, derecha: Trianglelab / Mellow.

Al ser un volcado en el caso izquierdo, el metal no está bien compactado, con lo que implica una reducción de la transferencia térmica como en el caso del mecanizado, que se trata de un bloque de aluminio en el que se hace mediante un torno la forma y los agujeros.

Ocurre lo mismo con los barriles, termistores y cartuchos calefactores.

Insisto: Si tienes una MK3s / Mini clon, cambiad lo antes posible el conjunto fusor por uno original. Merece la pena. Eso es aplicable también a cualquier impresora, Ender, Tevo, Sunlu…

No olvides que los atascos…

Los atascos en el barril provienen de un mal enfriamiento del mismo, para ello revisad muy bien el ventilador lateral (esté limpio, gire libremente y tenga todas las aspas), el disipador esté limpio, libre de filamentos y polvo. Podéis poner otro más potente a costa del ruido.

Mientras que los atascos en la boquilla provienen de una presión excesiva, por eso, al usar filamentos exóticos (maderas, con virutas…) recomiendan usar diámetros mayores, pero no es necesario, para ello basta con reducir la velocidad volumétrica de impresión, que para el PLA por defecto es de 15, un valor muy alto para dichos materiales, basta con reducir de 8 a 10. Se encuentra en ajustes avanzados del filamento.

Para terminar

Espero que este artículo te ayude a despejar algunas dudas de porqué el titanio es mejor que el acero inoxidable, y porqué es mejor el cobre niquelado que el latón. Sabemos que son mejores, pero no sabemos el porqué.

Fuentes

https://thomasannet.wixsite.com/portfolio/thermal-analysis-hotend

http://projects.ttlexceeded.com/3dprinting_nozzle_notes.html

https://www.engineersedge.com/properties_of_metals.htm

https://ikastaroak.ulhi.net/edu/es/PPFM/DPMCM/DPMCM01/es_PPFM_DPMCM01_Contenidos/website_24_aleaciones_de_titanio.html

http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=MTP641

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