Potencia heater cartridge

Muchachos. Una pregunta: alguien estaria de acuerdo si dijera que 40 W es demasiado para calentar un hotend? Pienso que 30 W seria mas adecuado. Mas aun: creo que lo ideal seria buscar un valor que no cause un desastre en caso de una falla como que se salga el termistor o se ponga en corto el mosfet... Con 40 W si llega a pasar una de estas cosas no hay hotend que aguante, además seguramente habria daños a alguna pieza de la impresora (el carro del eje x por ejemplo, si hablamos de una prusa). Si bien en teoria son cosas que no deberian pasar, hay gente a la que le ha pasado... Hay fotos por ahi de j-heads que quedaron inservibles, y eso que usaban resistencia de 5.6 ohm (unos 25W)...

Que opinan?

Saludos.

Si, y no .

Vamos primero con un poco de teoría, aclarando que todo lo que diga merece ser verificado, porque mis conocimientos de termodinamia son elementales. Pero vale la pena al menos mencionar los conceptos elementales, que explican un poco a donde se va el calor en un hotend.
La temperatura se transfiere de tres maneras:
Conducción: Es la propagación de la temperatura por agitación de las moleculas que se da en sólidos.
Convección: El la transferencia de temperatura por movimiento de las moléculas que se da en fluídos. La diferencia de densidadades hace que las moléculas se reacomoden, y de ese modo se transfiere el calor.
Radiación: Es la transferencia térmica que se da por efecto de ondas electromagnéticas cuando no hay contacto entre cuerpos.

En el caso de los hotends, el objetivo es llevar el plástico a la temperatura de extrusión, calentando lo menos posible todas las otras partes. En un mundo ideal calentaríamos solamente un mínimo hilito de plástico saliendo por la boquilla, y seguramente necesitaríamos unos pocos watts para lograr eso. Pero la realidad es siempre un poco mas complicada. Para que la temperatura se transfiera desde la resistencia al plástico, solemos ponerla en contacto con la boquilla utilizando un bloque de algún material con alto coeficiente de transferencia térmica (aluminio o latón). El calor producido por la resistencia se transfiere entonces, por conducción hasta la boquilla, y esta lo transfiere al plástico.
Si tuviéramos un aislante térmico perfecto seguramente lo usaríamos para unir el bloque con el conducto del filamento, y así evitar la conducción de calor hacia arriba, que suele ablandar el filamento y hacer que se adhiera a las parecedes del conducto, formando tapones antes de llegar a la boquilla. Como la perfección se nos escapa, aplicamos el ingenio: esa zona de transición entre el plástico sólido y el fundido se suele realizar usando materiales con bajo coeficiente de conductividad térmica (Acero inoxidable, peek, teflon, etc). Aún usando estos materiales, una buena parte del calor logra conducirse y subir, y es por eso que usamos disipadores/ventiladores para mantener a raya la temperatura arriba. La mayoría del calor producido por la resistencia se disipa en el aire, una parte en el disipador, otra directamente en el bloque y algo menos en el mismo filamento.
Volviendo al tema de la potencia de la resistencia: 20 watts es una potencia considerable para este uso. Pero dependiendo del diseño del hotend, es probable que sea lo justo o incluso insuficiente para alcanzar las temperaturas de extrusión de plástico, en especial con ABS.
En cualquier caso, la temperatura está controlada por la electrónica de la impresora, y si el cartucho tiene potencia de sobra, simplemente llegará mas rápido a la temperatura de trabajo, y comenzará a limitarse la corriente hasta estabilizarlo.
Si el cartucho fuera demasiado potente, hay unas configuraciones para limitar la corriente máxima a aplicarle:

#define BANG_MAX 255 // limits current to nozzle while in bang-bang mode; 255=full current
#define PID_MAX 255 // limits current to nozzle while PID is active (see PID_FUNCTIONAL_RANGE below); 255=full current

Esas configuraciones son particularmente útiles cuando hay que poner a raya un cartucho que calienta demasiado rápido y es difícil de mantener estable en la temperatura de trabajo. Creo que desde la implementación de PID se usa bastante menos.

Por último, con 20 watts y con un poco de tiempo se puede llegar igual a temperaturas en que se daña el Peek o el PTFE, en especial porque estos son buenos aislantes y no disipan bien el calor.
Creo que para protección se puede confiar en la electrónica y los termistores. En otros aparatos (ej. impresoras láser) se suelen usar termostatos bimetálicos como protección, que son muy confiables:

[wikis.educared.org]



Saludos,


Sebastián

La idea que planteaba era justamente la de calcular u obtener mediante experimentacion la potencia necesaria para que cierto hotend alcance 300 °C, valor por encima del cual se daña el termistor (el valor podria ser otro, si usamos un hotend todo metal y termocupla obviamente que a 300 °C no esta ni cerca de fallar). Claro que este valor de potencia va a ser distinto para cada hotend, seguro que un j-head necesita mucha menos potencia que un e3d que disipa tanto calor que tiene que usar ventilador.

Si queres hacer un analisis termodinamico seria el siguiente: considera el hotend un sistema aislado. Ahora si o si se tiene que cumplir que, por unidad de tiempo, el calor aportado por la resistencia debe ser igual al calor disipado por el hotend + calor entregado al filamento. Si no estamos extruyendo el calor aportado al filamento es cero y por lo tanto el calor aportado por la resistencia debe ser igual al calor disipado por el hotend. Obviamente hay que considerar todo: bloque, boquilla, disipador, placa de montaje y toda otra pieza que forme el hotend. El calor disipado es proporcional a la diferencia de temperatura entre el hotend y el ambiente y a otros valores que podemos considerar constantes para hacer este analisis. El calor aportado depende de la resistencia calentadora. Si conocemos la temperatura ambiente podemos obtener, para cada valor de potencia entregada, un valor de temperatura del hotend que logra el equilibrio.
Tambien se puede hacer al reves y, fijando la temperatura, obtener el valor de potencia y de ahi el valor de la resistencia.

Obviamente esto lo controla un pid, estamos de acuerdo. Pero si se pone en corto el mosfet tenes 12v derecho al hotend sin importar lo que diga el firmware. Si se sale el termistor el pid se va poner en 100% y tambien vas a tener 12v, o a lo sumo si tuviste la precaucion limitar la maxima vas a tener eso, que no todos lo hacen (y ademas si la resistencia hubiera estado bien calculada no hubiera hecho falta). Si suponemos que nunca va a pasar nada malo no hay problema, ponemos un cartucho de 100 W que no va a pasar nada. La idea es proteger usando un prinicipio fisico, para reducir las consecuencias de una posible falla. Esto es: no vamos a evitar que se ponga el corto el mosfet o se salga el termistor, pero no es lo mismo cambiar un mosfet o volver a pegar un termistor que tener que sumarle un hotend completo y un carro de eje x.

Saludos.

Es interesante ver como este tema trae al debate unos cuantos mas.

Por supuesto que con menos potencia se reduce el riesgo romper cosas en una situación catastrófica. Lo que no expresé con claridad es que con 20 watts, y un poco mas de tiempo, seguramente se llegaría al desastre en un poco mas de tiempo.
Hace un rato leí un post en el foro de Ultimaker, donde hacían unas simulaciones en SolidWorks para intentar determinar hacia donde fluye el calor. Hicieron cálculos al doble de una velocidad rápida de extrusión, y aún así daba entre 4 y 7 watts en el filamento.
En mi modesta opinión, cualquier resistencia que esté en condiciones proveer el calor necesario para un extrusor con algo de margen (unos 20watts o mas), también va a estar en condiciones de alcanzar temperaturas peligrosas para los materiales sensibles, aunque la probabilidad es mas baja.
Pero para saber con exactitud cual es la potencia máxima segura, no queda otra que analizar la disipación pasiva de calor del extrusor en cuestión.
Estoy de acuerdo en intentar lograr que el hotend se auto-estabilice en una temperatura máxima segura, pero me temo que no está fácil. Para tener una referencia, un soldador pequeño es de similar potencia.
Tal vez habría que considerar una protección del tipo de la que mencionaba en el post anterior (termostato bimetálico) ¿Qué te parece?.
Por último, los termistores de vidrio se dañan a bastante mas de 300 grados. Lo que no pueden hacer, es entregar una lectura a partir de esa temperatura, porque la resistencia baja cerca de cero.



Saludos,

Sebastián