Nuevo extrusor con sistema 'Double Drive Gear' para impresoras 3D de bq

Sección: Impresoras 3D

El fabricante de impresoras 3D español, bq, ha publicado las características de su nuevo extrusor para impresoras 3D, al que ha incorporado una interesante novedad, el sistema 'Double Drive Gear' (DDG) para mejorar la tracción del filamento al empujarlo hacia el hotend.

De entre los diversos tipos de hot-end existentes en el mercado para la extrusión de plástico en la impresión 3D: modulares multimaterial como el tradicional J-Head o los 'Budda'; los 'all metal', con todas las piezas en metal, como el conocido E3D; o los  realizados de una sola pieza, 'UniBody', en BQ han apostado por el multimaterial modular.

El extrusor está formado por varias piezas metálicas y un tubo de PTFE, también conocido como teflón (o material con propiedades similares) que se inserta en su interior.

Esta elección está basada en dos razones principales: la modularidad y el mejor control de temperatura.

  • Modularidad, las piezas se pueden cambiar en caso de rotura, o adaptar a las necesidades. El ejemplo más claro es tener distintas boquillas con distintos diámetros.
  • Utilizar distintas piezas permite emplear distintos materiales, consiguiendo un mejor control de la temperatura gracias a materiales que se calienten rápidamente y con alta inercia térmica en el bloque calefactor, así como materiales aislantes térmicos en la parte superior, evitando que el calor se transmita al tubo de PTFE.

La principal desventaja es que el material se puede filtrar entre las uniones de las distintas piezas, bloqueando el extrusor (sobre todo si trabajamos con PLA, que es más fluido que el ABS).

 

Hot-end DDG

Tubo de PTFE interno mecanizado

La mayor desventaja del PTFE es que a partir de 240ºC empieza a deformarse y desgastarse por lo que no se puede imprimir con materiales que necesiten temperaturas de extrusión superiores. Además, sufre más fatiga que el metal, por lo que con el uso prolongado a altas temperaturas se desgasta. Esto hace que el PTFE tenga que ser sustituido periódicamente. Esta sustitución era tediosa y complicada en el anterior hot-end. Por lo tanto, el objetivo relativo al tubo de PTFE para este extrusor ha sido el de mejorar la accesibilidad de éste.

Para mejorar la accesibilidad del tubo de PTFE se han realizado dos mejoras importantes:

PTFE accesible ‘sin tapa’ en el hot-end. Esto permite poder meter y sacar el tubo sin ningún problema, mientras que en el extrusor anterior existía una tapa que no lo permitía.


Colocación de un prisionero accesible a través de las aletas que permite extraer el hot-end del cuerpo entero del extrusor sin desmontar ninguna otra pieza, tal y como se muestra en la siguiente imagen.

Otra mejora introducida es que el PTFE de este extrusor es mecanizado.

El objetivo del PTFE es minimizar la fricción entre el filamento y la superficie interior del hot-end, facilitando de ese modo la extrusión.

 

Nozzle de latón

En el nozzle o boquilla, siutado en la punta del extrusor,  se usa latón por dos razones.

  1. Tiene menos irregularidades en las paredes internas, por lo que desliza mejor. Así, se optimiza el paso y se reduce la adhesión del filamento.
  2. La punta del extrusor es la parte que queremos que esté a mayor temperatura, pues es por donde desliza el material fundido antes de salir. El material se calienta en el casquillo metálico, que está conectado a las resistencias. Si el nozzle posee un coeficiente de temperatura que le permita absorber mucho calor, se logrará que el material se mantenga más caliente porque el calor se transmitirá mejor. Este es el caso del latón.

 

Casquillo de acero inoxidable AISI 303

Se ha diseñado un casquillo metálico situado en la punta inferior del tubo de PTFE. El objetivo de este casquillo es aumentar la disipación para proteger el tubo de PTFE. Además se consigue aislar esa zona del calor evitando que el plástico funda antes de lo esperado, ya que esto podría causar la formación de una bola de plástico a la entrada del nozzle atascando el sistema.

El casquillo se ha diseñado como un mismo cuerpo con el hot-end. De esta forma se elimina la resistencia que ofrece el aire (que se encontraría en la unión entre el casquillo y el cuerpo del hot-end) y se conduce mejor el calor hacia el exterior.

Esta mejora de disipación nos permite disminuir el tamaño de las aletas.

 

Sistema “Double Drive Gear” activo

Mayor fuerza de tracción del extrusor

El Double Drive Gear es un sistema que nos proporciona una mayor fuerza de tracción ejercida sobre el filamento. Tras realizar una serie de pruebas, que se explicarán en detalle en la siguiente entrada, se cuantifica la máxima fuerza de tracción sin llegar a romper el filamento.

La fuerza de tracción del sistema DDG, sin hot-end y con PLA es de 3,626 kg. Si se compara este valor con el extrusor HeatCore Unibody, se observa que, frente a los 2,400 Kg de media que soportaba éste, el nuevo extrusor consigue realizar una fuerza de tracción mayor. Esto es debido al conjunto de mejoras nombradas en esta entrada.

Muelle con ajuste de tracción de hilo

El sistema DDG incorpora un muelle que permite el ajuste de tracción del hilo, que dependerá del tipo de plástico que quiera utilizar. Cuanto más duro sea el plástico, mayor tracción necesitaremos (siempre que mantenga la temperatura).

 

Sistema de guía

Con este sistema se consigue que el plástico atraviese mejor el extrusor y que, por lo tanto, no se doble o se atasque en el camino. Las principales ventajas son:

  • Impresión con filamentos flexibles, como Filaflex, Ninjaflex o cualquier otro termoplástico elastómero (TPE)
  • Posibilidad de cambiar el filamento sin necesidad de sacar el anterior, permitiendo cambios de filamento durante una impresión sin necesidad de pausar.

En las siguientes imágenes se muestra este sistema por ambas caras:

 

Ruedas de acero inoxidable AISI 303

El plástico es traccionado por los dientes de las dos ruedas, aumentando así la fuerza de tracción. Se puede observar en la imagen que hay dos ruedas con dos diámetros diferentes. Las ruedas de mayor diámetro engranan entre sí y las de menor diámetro hacen la función de traccionar el filamento de plástico.

 

Otros aspectos

 

Además del conjunto hot-end y DDG, es importante destacar los siguientes componentes del extrusor.

Pegatina de disipación

Esta pegatina favorece la disipación de calor del bloque extrusor, garantizando máximo contacto y conductividad térmica con el disipador frontal del bloque. Una mejor dispación minimiza la formación de bolas de plástico a la entrada del extrusor y ayuda a que no se estropee el tubo de teflón.

Aletas disipadoras

Las aletas se han mantenido en este extrusor. Sin embargo, con la introducción del casquillo metálico que ayuda a una mayor disipación del calor, se ha podido reducir el tamaño de las aletas enormemente.

Sistema de enfriado

Se ha mantenido la boquilla que enfría el plástico según es depositado con el fin de conseguir la máxima calidad de impresión.

 

¿Qué es el sistema Double Drive Gear?

El Double Drive Gear es un sistema que ejerce una mayor fuerza de tracción sobre el filamento en comparación con otros sistemas de extrusores anteriores, como el HeatCore Unibody. Como se puede observar en la imagen, el sistema DDG está formado por dos pares de ruedas con dos diámetros diferentes.

 

Una de las ruedas de mayor diámetro está conectada al motor y, al engranar con la otra de su mismo diámetro, le transmite el par del motor. Las ruedas de menor diámetro son solidarias con las otras dos, de manera que reciben el movimiento y, al girar, hacen la función de traccionar el filamento que pasa entre ellas.

¿Por qué este sistema es mejor que el de HeatCore Unibody?

El HeatCore Unibody es la versión anterior de extrusor de diseño propio de BQ. Este extrusor, en lugar de llevar el sistema DDG, está formado por un solo drive gear y un rodamiento.

 

Como se puede observar, un muelle presiona el brazo largo de la palanca en el eje Y, de forma perpendicular al brazo. La palanca se mueve en su eje de giro, transmitiendo mediante su brazo corto la fuerza al rodamiento. Esta fuerza de salida de la palanca es perpendicular al brazo corto.

Así, el rodamiento es empujado contra el filamento por medio de la palanca, con el fin de mantener el filamento presionado contra la polea, y que ésta pueda moverlo, traccionándolo hacia abajo (sentido negativo del eje Y).

Los puntos que han sido definidos son:

  1. Punto de presión del muelle sobre la placa
  2. Brazo largo de la palanca
  3. Eje de giro de la palanca
  4. Brazo corto de la palanca
  5. Punto de presión del rodamiento sobre el filamento

Por lo tanto, el rodamiento mantiene el filamento presionado contra el drive gear y el drive gear tracciona el filamento hacia abajo.

 

El DDG es más eficiente que el HeatCore Unibody por varias razones.

En el HeatCore Unibody encontramos que:

  • Hay una componente de la fuerza del rodamiento que frena la tracción. Se trata de la fuerza tangencial que será explicada a continuación.
  • La tracción total depende de la componente normal de la fuerza del rodamiento.
  • Al tener un solo drive gear, la fuerza de tracción ejercida es menor.

Por ello, se piensa en eliminar el rodamiento más palanca del HeatCore Unibody y sustituirlo por otro drive gear, formando el Double Drive Gear, en el que las dos poleas traccionan el filamento. Así se consigue que el extrusor funcione mejor y ayuda a que se puedan utilizar filamentos más flexibles, como el FilaFlex.

Mira y compara

 

¿Cómo están distribuidas las fuerzas en los sistemas?

Observa primero los perfiles de ambos sistemas:

Sistema polea + rodamiento con palanca

Sistema Double Drive Gear – dos poleas

 

…y ahora vemos cómo afectan en ellos las fuerzas implicadas.

Distribución de fuerzas en el HeatCore Unibody

En función del diseño del sistema, se puede observar la distribución de fuerzas resultante. Sabiendo que el rodamiento y la polea han de ser tangentes al filamento, y que sus centros deben estar en la misma horizontal:

Fr2 = fuerza rodamiento

Fp1 = fuerza polea

Fn1,2 = fuerzas normales

Ft1,2 = fuerzas tangenciales

 

En el sistema de fuerzas del HeatCore Unibody ocurre:

  • La fuerza de tracción de la polea (Fp1) se descompone en una fuerza normal (Fn1) y otra tangencial (Ft1), en sentido de extrusión del filamento
  • La fuerza de entrada del rodamiento (Fr2) se descompone en una fuerza normal (Fn2) y otra tangencial (Ft2), en sentido contrario de extrusión del filamento
  • Cuanto mayor sea Fn2, mayor será la tracción. Esto se debe a que Fn2 empuja el filamento contra el drive gear
  • La fuerza tangencial del rodamiento (Ft2), al llevar sentido contrario al de extrusión, frena el filamento. Por ello esta componente debe ser lo más pequeña posible
  • La fuerza tangencial de la polea (Ft1) es la que tira del filamento hacia abajo. Debe ser lo mayor posible
  • La diferencia entre Ft1 y Ft2 me da la fuerza total con la que tiro del filamento:

FTOTAL = Ft1 – Ft2

Distribución de fuerzas en el Double Drive Gear

Nos fijamos en el DDG. Cada polea será tangente a su lado de filamento, y además sus centros han de estar sobre la misma horizontal, para que el filamento no se doble al aplicar las fuerzas. La distribución es la siguiente:

Fp1 = fuerza polea 1

Fp2 = fuerza polea 2

Fn1,2 = fuerzas normales

Ft1,2 = fuerzas tangenciales

En el sistema de fuerzas del DDG ocurre:

  • La fuerza de tracción de la polea 1 (Fp1) se descompone en una fuerza normal (Fn1) y otra tangencial (Ft1), en sentido de extrusión del filamento
  • La fuerza de tracción de la polea 2 (Fp2) se descompone en una fuerza normal (Fn2) y otra tangencial (Ft2), en sentido de extrusión del filamento
  • La fuerza Fn1, se anula con Fn2 porque tienen mismo módulo y dirección pero sentido contrario
  • Las fuerzas Ft1 y Ft1 tienen mismo módulo y sentido, tiran del filamento hacia abajo. Cuanto mayores sean estas fuerzas, mayor tracción conseguiré
  • La suma entre Ft1 y Ft2 me da la fuerza total con la que tiro del filamento:

FTOTAL = Ft1 + Ft2

Entonces…

Llegados a este punto, es importante recordar las características de ambos, pues influyen directamente en que, para la misma intensidad en el driver, el valor de la fuerza total del DDG sea mayor. Vamos a estudiar la repercusión de estas características en la fuerza de tracción total de cada extrusor.

Extrusor HeatCore Unibody:

La componente tangencial del rodamiento frena la tracción.
FTOTAL = Ft1 – Ft2 → la FTOTAL disminuye.
Además, va restando en la ecuación de la fuerza total, por lo que cuanto más grande sea esta componente, menor será la fuerza de tracción total.

La tracción total depende de la componente normal de la fuerza del rodamiento, ya que es la responsable de mantener el filamento presionado contra la polea. Si no hay suficiente presión del filamento contra la polea, polea no podrá traccionar bien el filamento y la fuerza tangencial de la polea se verá disminuida.
FTOTAL = Ft1 – Ft2 . Entonces si Ft1 disminuye → FTOTAL disminuye.

Extrusor DDG:

En este caso tengo dos poleas que me ejercen tracción. Como las poleas de diámetro grande engranan entre sí, y son solidarias a las que traccionan el filamento, se consigue un equilibrio en el que las dos poleas traccionan el cable con la misma fuerza.
Por acción-reacción el torque del motor es transmitido de una rueda a la otra: T1 = T2
Como las ruedas que traccionan el plástico tienen el mismo diámetro: r1 = r2
Sabiendo que el valor de la fuerza de tracción cumple que: Ft = Torque / r , entonces:
Ft1 = Torque / r1
Ft2 = Torque / r2
Como tienen el mismo torque y el mismo diámetro: Ft1 = Ft2. Por lo que: FTOTAL = Ft1 + Ft2 = 2Ft 

Cada rueda de diámetro grande va solidaria con una de diámetro pequeño. Con este sistema conseguimos aumentar la fuerza de tracción obtenida para el mismo torque del motor, puesto que:
Ft = Torque / r
Si me fijo en la fórmula, cuanto más pequeño sea el radio, más aumenta la fuerza. El diámetro de la rueda que tracciona el filamento es más pequeño que el que engrana → FTOTAL aumenta.

La tracción del filamento se realiza simultáneamente por los dos lados, lo que facilita enormemente el movimiento de éste, respecto del sistema HeatCore Unibody que tracciona solo por un lado. 

En resumen: Como hemos visto, las características del HeatCore Unibody hacen que se disminuya la fuerza total por pérdidas, mientras que las mejoras del DDG la hacen aumentar. Podemos decir que utilizando la misma corriente y el mismo motor en los dos extrusores, la fuerza resultante con la que traccionamos el filamento será mayor en el sistema Double Drive Gear, porque elimina las pérdidas que tiene el HeatCore Unibody.

 

 

Créditos:

Este artículo es una adaptación de Nuevo extrusor de BQ. Double Drive Gear activo y filamento guiado  y Sistema Double Drive Gear, ¡y tracciona todo lo que necesites! , ambos con autoría de Alba Sánchez. Está publicado bajo licencia CC BY-SA 2.0

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