Extrusão direta e sistemas Bowden

Um dos elementos mais importantes de uma impressora 3D FDM é o conjunto formado pelo extrusor e o hotend.

O hotend é o elemento destinado a derreter o filamento para que ele possa fluir pelo bocal , enquanto impede que o calor seja transmitido para fora da chamada zona quente.

Para isso, os hotéis geralmente têm quatro partes:

• O bico ou bico :É o elemento através do qual o filamento fundido flui para se depositar na peça. Seu diâmetro determina o diâmetro do fio do material extrudado e, portanto, a resolução da impressora em XY.
• O bloco de aquecimento: É o elemento responsável por aquecer o bocal até a temperatura de impressão e mantê-lo estável.
• A quebra de calor: Serve como uma ponte de ruptura térmica. Separe a zona quente da zona fria.
• O dissipador de calor: Sua função é manter a zona fria refrigerada, dissipando o excesso de calor transmitido pelo bloco de aquecimento.

Imagem 1:Temperaturas dentro do hotend. Fonte:E3D.com

Por outro lado, o extrusor é responsável por puxar o filamento para dentro do hotend para que seja gerada pressão suficiente dentro do hotend para que o material fundido escoe constantemente e de forma homogênea através do bocal.

Imagem 2:Extrusora direta. Fonte:E3D.com

Atualmente existem duas formas de combinar o hotend com a extrusora:sistemas de extrusão direta e sistemas Bowden.

Imagem 3:Esquema da impressora com extrusora direta e bowden. Fonte:Recreus.com

Em sistemas de extrusão direta, o extrusor e o hotend formam um único elemento , minimizando a distância entre o ponto de extração e o bocal.

Nos sistemas de extrusão Bowden, a extrusora é mantido fixo no quadro da impressora 3D e empurra o filamento para dentro do hotend através de um tubo chamado tubo de Bowden.

Embora tenha havido muita discussão sobre qual dos dois sistemas é melhor, ambos têm grandes vantagens , bem como algumas desvantagens. A escolha do mais adequado dependerá de vários fatores como o tipo de material comumente usado, as velocidades de impressão ou a qualidade do quadro da impressora.

Retratações

Quando a extrusora empurra o filamento em direção ao hotend, o filamento se comprime criando a pressão necessária dentro do bocal para que o material fundido flua adequadamente . No entanto, quando não queremos extrudir o material, não será suficiente parar de empurrar o filamento, pois a pressão residual devido à compressão fará com que o material continue fluindo. É por isso que toda vez que o hotend é movido para uma nova posição e não é necessário adicionar material, o filamento deve ser retraído a distância necessária para que possa descomprimir e liberar a pressão dentro do bocal. Isso é conhecido como retração e é de grande importância no processo de impressão 3D.

Imagem 4:Esquema da retração. Fonte:sublimelayers.com

Como os plásticos geralmente não são materiais rígidos, quanto maior a distância entre a extrusora e o hotend , maior será a compressão do filamento necessária para atingir a pressão adequada no bocal. Isso também torna a distância de retração necessária para liberar essa pressão maior . É por isso que enquanto nos sistemas diretos as distâncias de retração costumam estar entre 0,8 mm e 2 mm, nos sistemas de extrusão Bowden podem atingir valores de 5 ou 6 mm.

Ser capaz de usar valores de retração baixos tem vantagens importantes . Por um lado, os tempos de retração são menores, o que em peças que envolvem muitas retrações pode representar uma redução significativa no tempo de impressão . Por outro lado, uma distância de retração baixa minimiza o risco da parte fundida do filamento atingir a zona fria do hotend, evitando assim que ele se solidifique e se expanda causando um encravamento.

É este último fator que faz com que extrusoras Bowden exijam calibração de retração mais complexa e precisa uma vez que existe uma margem muito pequena entre um valor de retração muito baixo para causar escorrimento ou empenamento e um valor muito alto que causa entupimento.

Filamentos flexíveis

Outra consequência direta da distância entre o extrusor e o hotend é o comportamento dos filamentos flexíveis.

Nos sistemas Bowden, o filamento é guiado da extrusora para o hotend através de um tubo , geralmente Teflon. Embora o diâmetro interno ideal do tubo seja o mesmo do filamento, na prática isso não é viável, tanto pelas pequenas variações de diâmetro devido às tolerâncias de fabricação quanto pelas altas forças de atrito que seriam geradas. É por isso que todos os tubos Bowden têm alguma folga , e embora com a maioria dos materiais isso não seja um problema, com tubos flexíveis é.

Imagem 5:Flexão do filamento dentro de um tubo de Bowden. Fonte:E3D.com

Devido à sua alta flexibilidade, materiais como TPU e TPE tendem a flexionar dentro do tubo Bowden, desviando as forças de tração da extrusora para as paredes do tubo. Isso torna muito difícil obter pressão constante no bico para garantir a extrusão correta .

Além disso, em materiais flexíveis, a compressão do filamento necessária para atingir a pressão adequada no bico é muito maior do que no caso de outros materiais como o PLA, o que em muitos casos causa a necessidade de usar retrações excessivamente altas distâncias.

Apesar de tudo isso, com alguma experiência, aqueles materiais flexíveis de maior dureza podem ser impressos nos sistemas Bowden, principalmente quando usados ​​no formato 2,85 mm ou 3mm, evite o uso de retratações e use um tubo Bowden de alta qualidade e diâmetro estreito como o Capricórnio XS.

Imagem 6:Tubo de Bowden Capricorn XS. fonte:Captubes.com

Sem dúvida, o sistema ideal para trabalhar com materiais flexíveis é a extrusão direta . O caminho curto entre o extrusor e o hotend minimiza a compressão do filamento e permite que ele fique mais apertado, evitando que ele se dobre para dentro. Os chamados extrusores compactos, como o Titan Aero ou especialmente o E3D Hemera, permitem a utilização de todos os tipos de materiais flexíveis de maneira simples e com alta qualidade de impressão.

Inércias

Apesar de tanto em termos de encolhimento quanto no uso de filamentos flexíveis, os sistemas de extrusão direta são vitoriosos , há uma característica em que os sistemas Bowden se destacam e que para certas aplicações pode ser de grande importância:as inércias.

Um dos parâmetros básicos de impressão é a velocidade . E embora muitas impressoras permitam a utilização de velocidades de até 80 ou 100 mm/s, existe uma velocidade limite além da qual é impossível imprimir sem sacrificar a qualidade da peça . Isso ocorre porque o hotend não pode se mover a uma velocidade constante, mas cada vez que muda de direção, deve desacelerar até uma certa velocidade de mudança de direção e depois acelerar novamente.

Isso ocorre por causa da primeira lei de Newton . Devido à massa que o hotend tem, ao se mover ele tem uma certa força inercial, quanto maior maior sua massa ou velocidade . Ao fazer uma mudança de direção, a força de inércia é transmitida para o restante da impressora, causando vibrações e uma perda significativa de precisão . Para evitar isso, antes de mudar de direção, é necessário reduzir a velocidade para um valor que vai depender principalmente da rigidez da estrutura da impressora e do peso do hotend. Uma estrutura menos robusta e leve implicará no uso de velocidades de mudança de direção mais baixas e curvas de aceleração e desaceleração mais lentas , já que sua capacidade de absorver inércias será menor, o que implicará em velocidades menores e tempos de impressão mais longos. A única maneira de reduzir a inércia é reduzir a velocidade ou o peso.

Imagem 7:Efeito das vibrações causadas pela inércia na qualidade de impressão. Fonte:2Dprinterwiki.com

E é aqui que os sistemas Bowden jogam com vantagem. Ao fixar o extrusor, que é a parte mais pesada, e mover apenas o hotend, a inércia é bastante reduzida . Isso permite que impressoras 3D com sistemas Bowden usem velocidades de impressão significativamente mais altas do que aquelas com sistema direto, sem sacrificar a qualidade de impressão.

Escolha entre um sistema Bowden e um direto.

A escolha entre um sistema direto e Bowden vai depender basicamente depender se a velocidade de impressão prevalece ou a versatilidade e facilidade de uso de novos materiais .

Se você deseja produzir o maior número de peças no menor tempo e em geral são usados ​​poucos materiais e materiais rígidos como PLA ou PETG, uma impressora com o sistema Bowden será a melhor solução.

Por outro lado, se a prioridade for utilizar materiais técnicos e elásticos e obter a melhor qualidade possível ao custo de sacrificar a velocidade de impressão, um sistema de extrusão direta será a opção ideal.