Что получится, если качественно настроить Bowden экструдер, вместо столь популярного апгрейда на дорогой директ? Как оказалось, этого более чем достаточно, чтобы получить сравнимое качество печати. Можно даже и не заменять штатный пластиковый экструдер — у него есть свои преимущества, но нам хотелось приключений и мы их сполна нашли.
Попутно мы исправили еще несколько недостатков своего принтера Ender 3 v2, так что теперь можем печатать довольно сложные модели в свое удовольствие.
Выглядит цельнометаллический экструдер отлично, да и работает в целом тоже… "но есть нюанс".
Введение
В филаментном 3D принтере экструдер протягивает через себя пруток пластика и обеспечивает печатающую головку филаментом для работы. Штатный экструдер пластиковый и кажется довольно хлипким, так что мы заказали цельнометаллический экструдер с отличными отзывами и горячо рекомендуемый на форумах. Установить его дело пары минут, достаточно лишь следовать инструкции по сборке или роликам на ютубе, а вот дальше начинаются неожиданности. Как оказалось, пластиковый экструдер плохо проводит тепло и в нем филамент при нагреве двигателя меньше подвержен перегреву, но порой тоже плавится при долгой печати — что, конечно же, требует исправления.
В интернете про перетирание и расплавления филамента много всего можно найти, если кратко, то рекомендованный путь решения — уменьшить количество прокруток филамента и их скорость. Что ж, этот способ работает — указывая в слайсере количество ретракшенов (возвратных движений филамента, обычно предваряющих холостой ход сопла) 10 штук, шаговый мотор нагревается намного меньше, экструдер не перегревается и филамент не плавится и не рвется. Вот только качество печати от этого страдает и даже очень, так что вся печатаемая модель оказывается просто-таки опутана тонкими нитями пластика — поскольку мы запретили втягивать его обратно при перемещении сопла, то он продолжает вытягиваться при каждом движении. Очевидное решение подложить теплоизолирующую прокладку между корпусом шагового мотора и экструдером оказалось почти не выполнимым — длины болтов не хватает. Да, болты можно заменить, но для продолжительной печати в течении многих часов и даже дней никакие прокладки не помогут, поскольку зубчатое колесо для прокрутки филамента насажено непосредственно на вал шагового мотора. Штатный пластиковый экструдер сам работает как теплоизолирующая прокладка между мотором и филаментом, но зубчатое колесо на валу шагового мотора нагревается и стачивает филамент, а не прокручивает его. Разве что в случае с пластиковым экструдером (нагревается только зубчатое колесо) филамент можно вытянуть обратно, а с металлическим (нагревается и зубчатое колесо и металлическое колесико) — филамент рвется совсем и Bowden трубку приходится отвинчивать для его вытягивания. В итоге, владельцы пластикового экструдера обсуждают проблему стачивания филамента, а владельцы металлического — расплавления и обрыва. Нам не нравятся обе проблемы, так что мы будем искать полноценное решение.
Для пробы мы сделали шайбы из писчей бумаги толщиной 0.1 миллиметра и филамент стал плавиться не через 20 минут печати, а только через 40, так что мы смогли напечатать несколько тестовых моделей без ограничения количества втягиваний филамента (ректакшенов) и результат получился намного лучше. Для примера, вот такую модель можно успеть напечатать после проделанных манипуляций:
Поскольку нам из-а проблем с перегревом филамента в новом металлическом экструдере приходилось постоянно вытаскивать Bowden трубку, мы быстро доконали ее крепление в фитинге, так что она разболталась (обычно такая проблема возникает только через несколько месяцев использования). На изображении ниже зеленая стрелочка указывает на проблемное место:
Решилось это укорачиванием трубки на несколько миллиметров, чтобы она зажималась немного в другом месте. Поскольку длина устанавливаемой трубки на пару сантиметров превышает необходимую для свободного движения каретки, эту операцию можно повторить еще несколько раз. Теперь понятно, для чего Bowden трубка продается длиной в 1 или 2 метра, хотя ее нужно всего около 40 сантиметров — очевидно, трубку придется регулярно заменять (еще можно поставить с некоторым запасом и обрезать, но слишком длинная трубка потребует большего усилия для протягивания филамента и тем замедлит и ухудшит печать).
Если трубка в фитинге заметно двигается, нужно ее зафиксировать. Штатная синяя клипса, показанная на первой фотографии в разделе "Описание проблем(ы)", трубку немного закрепляет, но только немного. Для качественного крепления можно использовать или одноразовый пластиковый хомут или напечатать клипсу самостоятельно. Клипса Ender 3 Bowden Tube Clip, напечатанная с удвоенной толщиной, надежно фиксирует трубку, а расстояние ретракшена теперь может быть уменьшено на 1 — 2 мм. На фотографии кусочек белого скотча, приклеенный около фиттинга, позволяет точно убедиться в отсутствии продольных движений трубки:
Как выяснилось, не существует «серебряной пули» и для устранения всех найденных проблем потребовалось несколько решений. При желании, можно обойтись и первыми двумя пунктами из нижеизложенных, которые не требуют покупки запчастей, а только настройки принтера.
Настраиваем усилие экструдера
При сравнении металлического экструдера с пластиковым оказалось, что в последнем прижимная пружина для филамента намного слабее и с ней филамент так быстро не перетирается, так что мы переставили пружину старого экструдера на новый. Это помогло, но лишь частично. Тогда мы еще и втулку прижимную убрали, которая дополнительно сжимает пружину металлического экструдера, и теперь филамент стал протягиваться аккуратнее, а в процессе ретракшена с него перестали сыпаться пластиковые опилки. Нам показалось немного странно, что металлический экструдер настолько сильнее сдавливает филамент. Вероятно, так сделано для более жестких типов филамента (например, ABS), но с нашим мягким PLA это не работает.
На картинке зелеными стрелочками показаны пружина, которую необходимо взять от штатного пластикового экструдера, и втулка, которую лучше убрать совсем, чтобы избежать россыпи опилок от филамента и перетертой Bowden трубки:
Настраиваем рабочий ток шаговых двигателей
Когда шаговые двигатели перегреваются, то простейшим выходом будет снизить рабочий ток, используя регулятор референсного напряжения (VREF) драйверов шаговых моторов. На матплате нашего принтера установлены драйверы TMC 2208, для которых по спецификации максимальный ток на фазу рассчитывается как Vref * 0.71. Нам потребовалось несколько итераций, чтобы найти минимально необходимый ток, при котором двигатель экструдера не пропускает шаги из-за недостатка крутящего момента. Заодно мы несколько снизили ток всех остальных двигателей для устранения их излишнего нагрева. Ранее я публиковал статью об управлении шаговыми двигателями без драйвера и с драйвером Делаем Fischertechnik-совместимый модуль управления шаговым мотором на основе драйвера A4988 (DRV8825), так что мы хорошо помним, как звучит пропуск шагов мотора (подсказка — в некоторые моменты при работе раздаются явственные пощелкивания).
На снимке матплаты принтера подстроечные резисторы шаговых двигателей маркированы литерами X, Y, Z, E. Для подстройки VREF тонкой отверткой с приложенным к ней щупом мультиметра нужно их поворачивать по чуть-чуть очень аккуратно, поскольку их очень легко повредить, а еще следить за тем, чтобы ничего не закоротить отверткой на матплате:
Второй щуп мультиметра ("земля") удобно приложить к слоту для SD-карты, на фото ниже помеченному белой наклейкой с надписью "T8" (так закодирован тип драйверов шаговых двигателей, обозначения на которых под радиаторами не видны; в интернете можно найти эти коды для разных версий материнской платы):
Ниже показаны рекомендуемые референсные напряжения двигателей согласно Y-axis drive voltage Help, измеренный штатные значения на нашем принтере и настроенные нами значения для референсных напряжений и температуры:
| Мотор | Creality VREF, V | Измеренный VREF, V | Настроенный VREF, V | Исходная температура, °C | Итоговая температура, °C |
|---|---|---|---|---|---|
| X | 1.18 — 1.2 | 1.19 | 1.1 | 60+ | 45 |
| Y | 0.99 — 1.01 | 1.0 | 0.9 | 60+ | 50 |
| Z | 1.18 — 1.2 | 1.19 | 1.1 | 60+ | 45 |
| E | 1.38 — 1.4 | 1.39 | 1.2 | 50+ | 40 |
Мы ведем записи температур с шагом 5°C и округлением в большую сторону по результатам нескольких измерений, так как значения варьируются в зависимости от печатаемой модели и большую точность получить сложно без постоянного мониторинга, который практического интереса не представляет. Значения исходной температуры получены к моменту расплавления филамента и остановки печати.
Как результат, температура двигателей при длительной работе заметно снизилась. Согласно найденным даташитам на наши двигатели (они все разные установлены), X,Y,Z имеют максимальный ток 0.84A и E — 1A, то есть производителем настроены максимально допустимые токи для трех двигателей и с небольшим допуском задан ток экструдера (очевидно, для уменьшения его нагрева). Теперь понятно, почему двигатели сильно греются в исходной конфигурации. Двигатель Y перемещает тяжелый рабочий стол и нагрузка на него больше, потому он греется сильнее остальных, но для более мощного двигателя нет места (мешает дальнее левое колесико настройки уровня рабочего стола).
Для принтера заявлена максимальная скорость печати 180 мм/с, но на данный момент мы используем пластик PLA с допустимой скоростью печати до 60 мм/с, так что проверить работу на максимальной скорости пока не представляется возможным. Возможно, в будущем мы это проверим, используя фирменный филамент PLA с возможной скоростью печати до 250 — 300 мм/с.
Заменяем втулку держателя для филамента
Легко заметить, что штатная втулка без подшипников крутится с трудом даже при использовании катушки весом один килограмм (продаются и катушки весом 2.5 кг):
Очевидным улучшением является замена этой втулки на аналогичную с подшипниками. На алиэкспресс нужная втулка «3D printer Filament Holder 608ZZ Bearing» обошлась около 5$ с доставкой:
Кстати, держатель катушки можно и самостоятельно распечатать, потребуются только подшипники к нему, но стоимость подшипников с доставкой не очень отличалась от таковой для всей втулки, так что не было смысла этим заниматься.
После замены втулки весь принтер перестал трястись при поворотах катушки с филаментом. Температуру двигателя экструдера мы замерять не стали, поскольку ожидаемый эффект это стабильность его работы.
Добавляем направляющую для подачи филамента
Направляющая для плавной подачи филамента от держателя в экструдер обеспечивает полукруглую траекторию протягивания прутка без изломов около катушки и экструдера. Сначала, в качестве временного решения, мы попробовали сдвинуть держатель катушки влево на верхней перекладине рамы, разместив катушку над экструдером, что несколько помогло устранить заломы филамента, но ощутимо нарушало баланс всего принтера. В итоге, вот такую направляющую мы распечатали 2020 / Ender 3 Filament Guide, при этом для надежной установки на верхний профиль Ender 3 v2 пришлось увеличить размер крепления до 103% от оригинала:
Конечно, заметного снижения температуры экструдера таким путем не добиться, но визуально заметна более плавная подача филамента и более стабильная работа экструдера.
Устанавливаем радиаторы на двигатели
Пассивное охлаждение двигателей является полезным дополнением, когда ток и нагрузка двигателей уже отрегулированы. Тем более, поскольку мы в дальнейшем планируем эксплуатировать принтер в чехле, то дополнительный теплоотвод лишним не будет, так что мы заказали на алиэкспресс три радиатора «3D Printer Aluminum Motor Heatsink Nema17» общей стоимостью около 2$ с доставкой. На фото видны радиаторы на моторах экструдера и вертикальной оси:
Измерения показали снижение температуры Y двигателя на 5°C, хотя радиатор к нему приклеен сбоку (на торец мотора не поместится, поскольку так он помешает перемещению рабочего стола), для остальных двигателей разница мы не нашли.
Результаты
Теперь температура всех двигателей при длительной работе не превышает 45°C, а двигателя экструдера даже и 40°C. Этот результат нас более чем устраивает — примерно такая температура воздуха ожидается при эксплуатации принтера внутри чехла и пытаться еще снижать температуру двигателей не имеет смысла.
Наконец-то стало возможно печатать модели много часов подряд, не опасаясь перегрева и перетирания филамента. Для начала мы успешно напечатали уменьшенную модель подвижной змейки Articulated Snake v8, которая требует уймы ретракшенов подряд, но теперь это совсем не проблема:
Как оказалось, последствия уже решенных проблем все еще дают о себе знать, по крайней мере, два из них. Мы не сразу заметили, но ранее «нагрызенные» экструдером опилки филамента изрядно набились в гайку вертикальной оси, расположенную непосредственно рядом с экструдером. Это привело к появлению артефактов печати, которые не сразу удалось идентифицировать. Так что после устранения проблемы перетирания филамента необходимо снять и почистить вертикальную ось и ее крепежную гайку (и смазать их заново, конечно же). Также очень вероятно, что именно из-за тряски катушки с филаментом хорошо выровненная при сборке и отлично затянутая рама принтера слева перекосилась — именно там, где на раме сверху стояла катушка филамента, а вертикальная ось из-за перекоса стала местами застревать при вращении. Эти два последствия привели к появлению артефактов печати в виде отдельных горизонтальных линий. Механика их появления очень проста — когда ось немного застревает при вращении, то визуально это не заметно, но сопло при печати некоторых слоев поднимается несколько меньше необходимого относительно предыдущего слоя, так что печатаемый филамент не помещается в получившийся промежуток и выдавливается наружу. Что ж, не стоило ставить катушку так далеко от центра рамы, но без этого мягкий PLA порой просто переламывался по пути в экструдер, так что пришлось временно выкручиваться.
Заключение
Теперь принтер работает без ограничения по времени и выбор доступных для печати на нем моделей стал огромен. Притом, как мы выяснили, найденные проблемы существовали и до замены экструдера, так что решать их пришлось бы в любом случае.
Раз мы уже столкнулись с "саморазбалтыванием" принтера, что вполне ожидаемо для конструкции типа "открытый фрейм", то сразу заказали уголки для фиксации рамы. Поставить уголки дело минутное, но очень китайские "прямые" углы в системе крепления вертикальной оси и экструдера наводят на мысли, что нам придется еще повозиться. А что вы ждали от конструктора?
Также смотрите
- Мои статьи на Хабре
- Работа с ГИС и ГЕО данными на LinkedIn
- Геологические модели и код на GitHub
- YouTube канал с геологическими моделями
- Геологические модели в виртуальной/дополненной реальности (VR/AR)
- PyGMTSAR InSAR Docker образы на DockerHub
