Flujo de calor en la impresión 3D:qué es, causas y cómo detenerlo

La fluencia de calor es un problema que ocurre en los procesos de impresión 3D por extrusión en caliente (FDM (modelado por deposición fundida) y FFF (fabricación de filamentos fundidos). Es el viaje no deseado del calor hacia arriba del filamento desde el extremo caliente. Hay una variedad de causas posibles para esto, pero varias pueden combinarse, por lo que es importante evaluar todos los problemas bien comprendidos. Este artículo definirá la fluencia de calor en la impresión 3D, indicará sus causas y brindará algunas soluciones para prevenirla.

¿Qué es la fluencia de calor en la impresión 3D?

La fluencia de calor es el proceso de transferencia de calor inestable a lo largo del extremo caliente y derrite el filamento demasiado pronto, antes de la zona de fusión. Esto provoca obstrucciones en algunas partes, específicamente en la ruta de extrusión y el tubo de barrera térmica. La fluencia de calor tiene varias causas, todas las cuales son controlables hasta cierto punto. Para obtener más información, consulte nuestra guía de impresión 3D.

Diagrama que muestra la fluencia de calor

¿Qué causa la fluencia de calor en una impresora 3D?

1. El extremo caliente está sobrecalentado

El filamento pasa a través de un calentador eléctrico que debería llevarlo a la temperatura de extrusión correcta a medida que pasa. Este dispositivo suele denominarse "extremo caliente". Un termostato que funciona mal (mal conectado térmicamente al extremo caliente) o un ajuste de temperatura demasiado alto pueden elevar la temperatura en las partes de alimentación del cabezal de impresión lo suficiente como para derretir prematuramente el filamento.

2. No hay suficiente refrigeración para el extremo caliente o ventilador de refrigeración roto

El extremo caliente se enfría mediante un ventilador para crear un fuerte gradiente de temperatura a través del cabezal de impresión. Si el ventilador no suministra suficiente aire de refrigeración, la acumulación de calor reducirá el gradiente de temperatura y derretirá prematuramente el filamento. Esto puede deberse a la configuración de la velocidad del ventilador, daños al ventilador, acumulación de detritos y otras causas.

3. El filamento pasa demasiado tiempo en el extremo caliente

Si la impresión avanza lentamente o se detiene por otro problema, el filamento pasará demasiado tiempo en el extremo caliente, lo que permitirá que se derrita hacia el alimentador. Esto también puede indicar que el extremo caliente se está calentando, por lo que puede ser un síntoma más que una causa del aumento de calor.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre filamentos.

4. El diseño del hot end

El aislamiento térmico en el hot end es un problema de diseño común. Los cabezales de extrusión de mejor calidad tendrán barreras térmicas integradas para aumentar la localización del calor en el extrusor.

5. La velocidad de impresión es insuficiente

Si la velocidad de impresión es lenta pero el calentamiento del extremo caliente y los ajustes del ventilador son para una velocidad de impresión más rápida, entonces la acumulación de calor permitirá nuevamente que el calor suba hacia el filamento.

6. Fallo del tubo guía de PTFE

El filamento generalmente se alimenta al extremo caliente a través de un tubo de PTFE que debe aislarlo del calentamiento directo hasta que ingresa a la zona de fusión. Si el tubo guía está desgastado, o mal colocado y empujado con fuerza contra el metal caliente del cabezal de impresión, entonces puede producirse fusión en el alimentador ya que el filamento está sobreexpuesto al calor.

7. Disipador de calor polvoriento

Si el extremo caliente tiene un disipador de calor, pero está obstruido por suciedad o restos de poda, esto limitará la circulación del aire e influirá en el gradiente de temperatura en el extremo caliente.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre disipadores de calor.

¿Cómo solucionar la fluencia de calor en la impresión 3D?

A continuación se enumeran algunos consejos sobre cómo corregir la fluencia de calor en la impresión 3D:

1. Aumente la eficiencia de la impresión

Una impresión que avanza rápidamente y que contiene un tiempo mínimo de pausa o desaceleración reducirá la posibilidad de que se produzca un aumento del calor. Con una impresión más rápida, el filamento se alimentará rápidamente y no tendrá tiempo de sobrecalentarse por encima del extrusor.

2. Cambie el extremo caliente

Un hot end de mejor calidad puede marcar una gran diferencia en el rendimiento de la impresión en general y en la fluencia de calor en particular. Una mejor calidad del ventilador, un disipador de calor mejor diseñado y un mayor aislamiento térmico integrado pueden ayudar a resolver el problema. Esto es particularmente cierto en el caso de las máquinas de menor costo que se benefician significativamente de una actualización del cabezal de impresión.

3. Aumentar la velocidad del ventilador

Aumentar la velocidad del ventilador es una solución sencilla que puede marcar una gran diferencia. Solo requiere aumentar la velocidad del ventilador en la configuración de la máquina, lo que requiere un ajuste en la configuración de la máquina. Este es el elemento principal diseñado para crear el gradiente de temperatura requerido en el cabezal de impresión.

4. Reducir la temperatura del extremo caliente

Si la temperatura del extremo caliente se establece demasiado alta, o el termopar no funciona correctamente o está en mal contacto con el metal del extrusor, entonces la temperatura del extrusor alimentará calor hacia arriba e introducirá una fluencia de calor. Reduzca el punto de ajuste y use un termómetro de infrarrojos para confirmar que la extrusora esté a la temperatura correcta y que no esté sufriendo grandes cambios de temperatura. Esto indicará problemas con el termopar.

5. Se debe limpiar el disipador de calor

El mantenimiento básico de la máquina debe incluir la limpieza del cabezal de impresión. Asegúrese de eliminar con regularidad cualquier acumulación de suciedad o restos de impresora que puedan impedir el flujo de aire sobre el disipador de calor y reducir el enfriamiento.

¿Cuáles son las diferentes formas de evitar la fluencia de calor en la impresión 3D?

El primer y más importante método para evitar la fluencia de calor en la impresión 3D es un mantenimiento preventivo cuidadoso y exhaustivo. La suciedad y los residuos de impresión interfieren con el enfriamiento. Los termopares mal colocados pueden alterar el calentamiento del extrusor. Una alimentación de filamento deficiente e intermitente puede interrumpir la impresión y permitir el sobrecalentamiento. Un tubo guía desgastado puede permitir que el calor llegue al lugar equivocado.

También es fundamental que la configuración de la máquina se controle cuidadosamente y se revise en función de la evaluación de los resultados impresos. La impresión a baja velocidad, en particular, puede permitir que se desarrolle y empeore la fluencia de calor. No ajustar la temperatura de la boquilla al cambiar los materiales o no probar el rendimiento, especialmente antes de una construcción de larga duración, crea un mayor riesgo de fluencia de calor.

Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Diez formas de evitar el desplazamiento de la cabeza en la impresión 3D.

¿Con qué frecuencia ocurre un aumento de calor?

La fluencia de calor es un modo de falla de construcción que puede afectar particularmente a construcciones más largas. El tiempo de funcionamiento prolongado puede permitir que el calor del extremo caliente se acumule en la cresta del cabezal de impresión si no hay suficiente enfriamiento por rotura de calor para evitarlo. No existe una regla estricta sobre la frecuencia o la rapidez con la que puede aparecer la fluencia de calor en una construcción. Hay muchas causas que a menudo se combinan para amplificar el problema. Sin embargo, los cabezales de impresión de menor costo, el mantenimiento imperfecto y las configuraciones demasiado agresivas aumentarán la probabilidad de que surja este problema.

¿Existe algún tipo de impresora 3D en la que la fluencia de calor no suele ocurrir?

Sí, existen tipos de impresoras 3D en las que no se produce fluencia de calor, incluida la fusión de lecho de polvo y la inyección de material, donde el material utilizado es polvo o resina. La fluencia de calor es un hecho de la impresión FDM/FFF y, en algunos aspectos, su prevalencia es proporcional al coste del equipo. Esto no quiere decir que sea simple o principalmente una cuestión de calidad de la máquina, ya que el mantenimiento y la configuración de la máquina juegan un papel importante. 

Las máquinas que se operan mucho, se mantienen bien y son operadas por manos capacitadas y experimentadas sufrirán un aumento de calor con mucha menos frecuencia. Las máquinas con cabezales de impresión más costosos y de alto rendimiento experimentarán menos fluencia de calor. Las máquinas utilizadas habitualmente para construcciones más pequeñas también experimentarán menos acumulación de calor, ya que simplemente no hay tiempo para que se acumule el calor problemático.

¿Cuál es la diferencia entre fluencia por calor y fluencia (deformación)?

La fluencia térmica es un término muy específico que describe la fusión progresiva del filamento FDM/FFF. La fluencia de calor se produce por encima del cabezal de extrusión (donde se requiere fusión) y hacia el alimentador, donde es desastroso para la construcción. Es un problema de configuración y mantenimiento en las impresoras 3D basadas en extrusión de filamentos. El término de ingeniería fluencia describe un modo de falla común a los plásticos, aunque no desconocido en otros materiales. Describe la deformación plástica (como en permanente, no recuperable) que sufre un componente bajo carga. En particular, esto es un problema para los componentes que experimentan fuerzas que se acercan (o exceden) su límite elástico o límite elástico en escenarios de carga estables o cíclicos.

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Dean McClements

Dean McClements es un Licenciado en Ingeniería Mecánica con honores y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

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