Fluência de calor na impressão 3D:o que é, causas e como evitá-lo

O aumento de calor é um problema que ocorre em processos de impressão 3D de extrusão a quente (FDM (modelagem de deposição fundida) e FFF (fabricação de filamento fundido). É o deslocamento indesejado de calor do filamento a partir da extremidade quente.

O que é o aumento de calor na impressão 3D?

A fluência de calor é o processo de transferência de calor instável em toda a extremidade quente e derrete o filamento muito cedo, antes da zona de fusão. Isto resulta em entupimento em algumas partes, especificamente no caminho de extrusão e no tubo de barreira térmica. A fluência por calor tem várias causas, todas controláveis até certo ponto. Para obter mais informações, consulte nosso guia de impressão 3D.

Diagrama mostrando o aumento do calor

O que causa o aumento de calor em uma impressora 3D?

1. Hot End está superaquecido

O filamento é entregue através de um aquecedor elétrico que deve levá-lo à temperatura correta de extrusão à medida que é alimentado. Este dispositivo é geralmente denominado “hot end”. Um termostato com defeito (mal conectado termicamente ao hot end) ou uma configuração de temperatura muito alta pode aumentar a temperatura nas partes do alimentador do cabeçote de impressão o suficiente para derreter prematuramente o filamento.

2. Resfriamento insuficiente para o Hot End ou ventilador de resfriamento quebrado

A extremidade quente é resfriada por um ventilador para criar um forte gradiente de temperatura através da cabeça de impressão. Se a ventoinha não fornecer ar de resfriamento suficiente, o acúmulo de calor reduzirá o gradiente de temperatura e derreterá prematuramente o filamento. Isso pode resultar da configuração da velocidade do ventilador, danos ao ventilador, acúmulo de detritos e outras causas.

3. O filamento passa muito tempo no Hot End

Se a impressão avança lentamente ou é interrompida por outro problema, o filamento passará tempo excessivo no hot end, permitindo que derreta para cima em direção ao alimentador. Isso também pode indicar que o hot end está esquentando, portanto, pode ser um sintoma, e não uma causa, do aumento de calor.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre Filamento.

4. O Design do Hot End

O isolamento térmico no hot end é um problema comum de projeto. Cabeçotes de extrusão de melhor qualidade terão barreiras térmicas incorporadas para aumentar a localização do calor na extrusora.

5. A velocidade de impressão é insuficiente

Se a velocidade de impressão for lenta, mas o aquecimento do hot end e as configurações do ventilador forem para uma velocidade de impressão mais rápida, o acúmulo de calor permitirá novamente que o calor penetre no filamento.

6. Falha do tubo guia de PTFE

O filamento é geralmente alimentado na extremidade quente através de um tubo de PTFE que deve isolá-lo do aquecimento direto até entrar na zona de fusão. Se o tubo guia estiver gasto ou mal colocado e pressionado com força contra o metal quente da cabeça de impressão, o derretimento poderá ocorrer no alimentador, pois o filamento ficará superexposto ao calor.

7. Dissipador de calor empoeirado

Se o hot end tiver um dissipador de calor, mas estiver obstruído por sujeira ou detritos de poda, isso limitará a circulação de ar e influenciará o gradiente de temperatura no hot end.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre dissipadores de calor.

Como corrigir o aumento de calor na impressão 3D?

Listadas abaixo estão algumas dicas sobre como corrigir o aumento do calor na impressão 3D:

1. Aumente a eficiência da impressão

Uma impressão que avança rapidamente e contém um tempo mínimo de pausa ou lentidão reduzirá o potencial de aumento de calor. Com uma impressão mais rápida, o filamento passará rapidamente e não terá tempo de superaquecer acima da extrusora.

2. Troque o Hot End

Um hot end de melhor qualidade pode fazer uma grande diferença no desempenho geral da impressão e, em particular, na dissipação de calor. Melhor qualidade do ventilador, dissipador de calor melhor projetado e mais isolamento térmico integrado podem ajudar a resolver o problema. Isto aplica-se particularmente às máquinas de menor custo que beneficiam significativamente de uma atualização da cabeça de impressão.

3. Aumente a velocidade do ventilador

Aumentar a velocidade do ventilador é uma solução simples que pode fazer uma grande diferença. Requer apenas que a velocidade do ventilador seja aumentada no setup da máquina, sendo necessário um ajuste nas configurações da máquina. Este é o principal elemento incorporado na criação do gradiente de temperatura necessário na cabeça de impressão.

4. Reduza a temperatura quente

Se a temperatura da extremidade quente estiver ajustada muito alta, ou o termopar estiver com defeito ou em mau contato com o metal da extrusora, então a temperatura da extrusora irá alimentar o calor para cima e introduzir a deformação térmica. Reduza o ponto de ajuste e use um termômetro infravermelho para confirmar se a extrusora está na temperatura correta e não sofre grandes oscilações de temperatura. Isso indicará problemas no termopar.

5. O dissipador de calor deve ser limpo

A manutenção básica da máquina deve incluir a limpeza do cabeçote de impressão. Certifique-se de limpar regularmente qualquer acúmulo de sujeira ou detritos da impressora que possam impedir o fluxo de ar sobre o dissipador de calor e reduzir o resfriamento.

Quais são as diferentes maneiras de evitar o aumento do calor na impressão 3D?

O primeiro e mais importante método para evitar o aumento do calor na impressão 3D é uma manutenção preventiva cuidadosa e completa. Sujeira e resíduos de impressão interferem no resfriamento. Termopares mal posicionados podem atrapalhar o aquecimento da extrusora. A alimentação de filamento deficiente e intermitente pode interromper a impressão e permitir superaquecimento. Um tubo guia desgastado pode permitir a entrada de calor no lugar errado.

Também é fundamental que as configurações da máquina sejam monitoradas cuidadosamente e revisadas com base na avaliação dos resultados impressos. A impressão em baixa velocidade, em particular, pode permitir o desenvolvimento e o agravamento do aumento do calor. Deixar de ajustar a temperatura do bico ao trocar materiais ou não testar o desempenho, especialmente antes de uma construção de longa duração, cria um risco aumentado de transferência de calor.

Para saber mais, consulte nosso guia sobre as 10 maneiras de evitar o deslocamento da cabeça na impressão 3D.

Com que frequência ocorre um aumento de calor?

O aumento de calor é um modo de falha de construção que pode afetar particularmente construções mais longas. O tempo de operação estendido pode permitir que o calor da extremidade quente se acumule na crista do cabeçote de impressão se não houver resfriamento suficiente para evitar isso. Não existe uma regra rígida e rápida sobre com que frequência ou rapidez com que o aumento de calor pode aparecer em uma construção. Existem muitas causas que muitas vezes se combinam para amplificar o problema. No entanto, cabeçotes de impressão de baixo custo, manutenção imperfeita e configurações excessivamente agressivas aumentarão a probabilidade do surgimento desse problema.

Existe algum tipo de impressora 3D em que o aumento de calor normalmente não acontece?

Sim, existem tipos de impressoras 3D nas quais a fluência térmica não ocorre, incluindo fusão em leito de pó e jateamento de material, onde o material utilizado é pó ou resina. A fluência térmica é um fato da impressão FDM/FFF e, em alguns aspectos, sua prevalência é proporcional ao custo do equipamento. Isto não quer dizer que seja simplesmente ou principalmente uma questão de qualidade da máquina, já que a manutenção e as configurações da máquina desempenham um papel importante. 

Máquinas que são operadas pesadamente, bem mantidas e operadas por mãos qualificadas e experientes sofrerão aumento de calor com muito menos frequência. Máquinas com cabeçotes de impressão mais caros e de alto desempenho sofrerão menos transferência de calor. Máquinas habitualmente usadas para construções menores também sofrerão menos aumento de calor, pois simplesmente não há tempo para que o calor problemático se acumule.

Qual é a diferença entre fluência por calor e fluência (deformação)?

A fluência térmica é um termo muito específico que descreve a fusão progressiva do filamento FDM/FFF. A fluência térmica ocorre acima da cabeça de extrusão (onde a fusão é necessária) e no alimentador, onde é desastrosa para a construção. É um problema de configuração e manutenção em impressoras 3D baseadas em extrusão de filamentos. O termo de engenharia fluência descreve um modo de falha comum aos plásticos, embora não desconhecido em outros materiais. Descreve a deformação plástica (como permanente e não recuperável) sofrida por um componente sob carga. Em particular, isto é um problema para componentes que sofrem forças que se aproximam (ou excedem) do seu limite elástico ou ponto de escoamento em cenários de carregamento estacionário ou cíclico.

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Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

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