El mecanismo de accionamiento de los filamentos de la extrusora termoplástica de su impresora 3D

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Por Richard Horne, Kalani Kirk Hausman

La extrusora es una de las piezas más importantes de una impresora 3D, por lo que la calidad y fiabilidad de las piezas son críticas. El mecanismo de accionamiento del filamento casi siempre toma la forma de un perno o varilla redonda con dientes cóncavos que se agarran alrededor del plástico.

Los mecanismos de accionamiento de los filamentos se pueden mecanizar de diversas maneras. Busque dientes de transmisión uniformes y bien cortados que se agarran pero que no se desgastan ni se desgastan a través de su filamento. Los dientes demasiado afilados pueden ser tan malos como los dientes demasiado rotos.

Los accionamientos de filamentos utilizados en las extrusoras termoplásticas realizan el mismo trabajo pero se fabrican de varias maneras. En la parte superior de la figura hay una unidad de filamento de perno tallado tradicional, que es el tipo más común de unidad de filamento; funciona adecuadamente. En el centro hay una rueda motriz maquinada profesionalmente, que por lo general proporciona el mayor agarre alrededor del filamento a medida que se empuja dentro de la extrusora. Esta rueda suele montarse directamente en el eje del motor de la extrusora o en una caja de engranajes acoplada al motor. En la parte inferior hay otra barra mecanizada con ranuras poco profundas y rotas; este diseño no se agarra tan firmemente como los accionamientos superiores o intermedios mostrados.

Puede montar una extrusora de varias maneras. En el montaje más sencillo, la rueda de accionamiento del filamento encaja directamente en el eje del motor paso a paso de la extrusora y acciona el filamento directamente a través de la rotación del eje del motor. Este método proporciona el par más bajo pero requiere el menor número de otros componentes.

La extrusora de filamentos más básica puede funcionar adecuadamente si se dispone de un potente motor de accionamiento y un extremo caliente bien mecanizado para reducir las fuerzas necesarias para empujar el filamento. En el lado izquierdo de la siguiente figura se muestra la misma rueda motriz mecanizada profesionalmente que se muestra anteriormente. En el lado derecho hay otro motor de transmisión directa, pero con sólo un piñón de transmisión básico con una ranura para el filamento; no tendrá tanto agarre como el que se muestra a la izquierda.

La fabricación de este piñón cuesta poco, pero también tiene el menor rendimiento de accionamiento. Un motor de transmisión directa no tiene engranajes para mejorar el par, por lo que debe evitar este tipo si es posible. Las extrusoras de accionamiento directo tienen una ventaja: Dos de ellas se pueden colocar juntas para proporcionar una doble extrusión.

Una caja de engranajes compacta se puede conectar a la salida de un motor paso a paso para mejorar enormemente el par y la resolución de rotación en comparación con las extrusoras de accionamiento directo (véase la figura siguiente). La caja de engranajes puede ser compacta para permitir una doble extrusión.

En los últimos años se han desarrollado muchas mejoras en los mecanismos de accionamiento de las extrusoras. Uno de los más exitosos es el sistema dual-grip, que se muestra en la siguiente figura. La ventaja de un sistema de doble agarre es que el filamento redondo es agarrado y empujado desde ambos lados en lugar de ser presionado de forma plana en el lado de la polea guía (que normalmente lo aplasta contra un cojinete giratorio de metal). Cada vez más fabricantes están cambiando a un sistema de engranajes de doble transmisión, que aumenta el agarre en filamentos más blandos como el caucho de Uretano Termoplástico (TPU) y ayuda a conducir materiales más duros o resbaladizos con mayor rapidez.

En las impresoras RepRap 3D, sigue siendo común que el motor se conecte a una serie de engranajes impresos en 3D (véase la figura siguiente). El engranaje permite que el motor gire rápidamente mientras que el mecanismo de accionamiento gira lentamente, aumentando así el par y permitiendo que el filamento sea conducido con mayor fuerza y precisión hacia el extremo caliente. Esta disposición proporciona una impresión y retracción rápidas con menos posibilidades de que el material se atasque debido a la falta de par.

Otro tipo común de extrusora es la Bowden, que funciona según el mismo principio que el cable de la palanca de freno de una bicicleta. Un tubo de teflón (PTFE) deslizante separa el motor de accionamiento de la extrusora del extremo caliente. Este tubo permite que el filamento conducido sea restringido y empujado dentro de la sección de extremo caliente.

La extrusora Bowden se utiliza a menudo en máquinas pequeñas o ligeras porque ofrece varias ventajas:

  • El diseño elimina el volumen, la masa y el peso del motor del carro en movimiento, dejando sólo el extremo caliente.
  • Se pueden montar más hot-ends en una impresora 3D.
  • El diseño puede ser ideal para máquinas con un cabezal ligero que se mueve rápidamente.

Una extrusora Bowden tiene algunas desventajas:

  • El diseño tiene más partes y complejidad en comparación con un diseño que no es de Bowden.
  • La impresora debe realizar una retracción más larga del filamento después de cada movimiento de impresión para minimizar el exudado debido a la presión y al resorte que se produce cuando el filamento es empujado hacia abajo por el tubo.
  • El diseño puede ser difícil de controlar y afinar.

La extrusora Bowden que se muestra aquí utiliza un tubo PFTE de 1 metro y se utilizaría en una gran impresora 3D que produce modelos de más de 500 mm de ancho.