.lasst Ideen Dinge werden. Das think&have multicolor blending hotend Martin Böttger

Transkript

1 .lasst Ideen Dinge werden. Das think&have multicolor blending hotend 2015 Martin Böttger

2 Inhalt 1 Einführung Eigenschaften und Konzepte Single nozzle Bowden Dualcolor versus Multicolor Aufbau des Hotend Düsenquerschnitt und Düsenwechsel Installation und Konfiguration Multimaterialdruck Farbwechsel Farbmischung Mischelektronik manuelle Farbwahl Farbwahl über G-code Hilfsprogramme stripes colup... 10

3 1 Einführung Diese Beschreibung richtet sich an Nutzer, welche bereits über erste Erfahrungen mit FDM 1 basierendem 3D Druck verfügen und die Hardware ihres 3D-Druckers, sowie die Software zur Erstellung und Druckaufbereitung bereits grundsätzlich kennen. Bei dem beschriebenen Hotend und den anzuwendenden Techniken handelt es sich um robuste und gut beherrschbare Technologie, die Ihre Gestaltungsmöglichkeiten im 3D-Druck verbessert. Die Vorwahl von Druckmaterialien und Farben, ohne vorherige Umrüstung des Filamentes erhöht den Bedienungskomfort. Die Verwendung verschiedener Farben und Materialien innerhalb eines Druckauftrages ermöglicht die Herstellung anspruchsvollerer Objekte (z.b. durch die Verwendung löslicher Füllmaterialien). 2 Eigenschaften und Konzepte In diesem Kapitel werden die grundlegenden Eigenschaften und Prinzipien des think&have multicolor blending hotends erklärt und ihre Nutzungsmöglichkeiten aufgezeigt. 2.1 Single nozzle Das think&have multicolor blending hotend zeichnet sich gegenüber den meisten anderen Multimaterialtechniken dadurch aus, dass der Austrieb der unterschiedlichen Druckmaterialien aus einer einzigen Düse erfolgt. Dadurch wird keine Kalibrierung von X- und Y-Offsets unterschiedlicher Düsen erforderlich und es kommt zu keiner Aufschleppung von Fremdmaterialresten auf die jeweils andersfarbigen Oberflächen. Außerdem ist durch die Verwendung nur einer Druckdüse die Wahrscheinlichkeit von Schrittverlusten durch Havarien zwischen Druckkopf und Werkstück minimiert. 1 Fused Deposition Modeling (FDM; deutsch: Schmelzschichtung), siehe

4 dual hotend single nozzle dual hotend Allerdings ist durch dieses 'single nozzle' Prinzip, bei Umsteuerung der Farbe/ des Materials, immer noch ein kleiner Rest des vorher angewählten Materials im Druckkopf vorhanden, der erst ausgetrieben werden muss, bis der Materialwechsel tatsächlich auf dem Werkstück erfolgt. Der Zeitpunkt der Ansteuerung des Materialwechsels und die Deposition des kurzzeitig austretenden Materialgemisches sind über die Druckaufbereitungssoftware (z.b. in Cura durch die Funktion 'wipe and prime tower') steuerbar. Durch schnellen Wechsel zwischen den Extrudern oder durch gleichzeitige Ansteuerung mehrerer Extruder können Mischfarben ausgegeben werden. Dieses ist bei Druckeinrichtungen mit mehreren Hotends nicht möglich. Zur Verbesserung der Kompatibilität mit normalen 'dual extruder setups' ist das think&have multicolor blending hotend mit zwei Thermistoren versehen. 2.2 Bowden Das think&have multicolor blending hotend arbeitet nach dem Prinzip eines Bowden Extruders. Der Extruder ist dabei nicht direkt über dem Hotend montiert, sondern führt das Filament durch einen Teflonschlauch in das Hotend. Dadurch muss die Masse des Extruders (insbesondere des Motors) nicht mit verfahren und beschleunigt werden. Bei Verwendung von drei oder mehr Extrudern können das Massen von mehr als einem Kilogramm sein. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Beschreibung können mit dem entsprechenden think&have multicolor blending hotend gleichzeitig bis zu vier Filamente verarbeitet werden. Wir produzieren das think&have multicolor blending hotend mit zwei, drei oder vier Bowdenanschlüssen. Die Hotends können auch im Einfarbbetrieb arbeiten. Nicht genutzte Anschlüsse sollten mit farblosem oder hellem Filament vorgeladen und ggf. (wenn kein Extruder angeschlossen ist) mit einem Stück Schlauch und einer Schraube verschlossen werden, damit in den inaktiven Filamentgängen kein flüssiges Filament aufsteigt und Blockaden verursacht.

5 Filamentkanal vorgelegt und verschlossen 2.3 Dualcolor versus Multicolor Die gängigen Kombinationen von Hardware, Software und Firmware (z.b. Ramps 1.4 2, Cura 3 und Marlin 4, aber auch andere Kombinationen) ermöglichen einen Druck mit bis zu zwei Farben. Cura kann bis zu vier Extruder verwalten, erzeugt aber dann keinen funktionierenden Abstreifbereich (wipe an prime tower) mehr. Das think&have multicolor blending hotend kann über cura als System mit einem oder zwei Extruder angesprochen werden. Wenn mehr als zwei Farben oder Schattierungen (Mischverhältnisse) ausgegeben werden sollen, kann dieses unter Verwendung einer Mischelektronik (think&have color mixing device, siehe Seite 8) erfolgen. Die Farbwahl kann dann als feinstufiges Mischverhältnis manuell erfolgen oder mittels spezieller Farbcodes im G-code übergeben werden. Hierzu stellen wir einige Hilfsprogramme (siehe Abschnitt 7, Seite 10) zur Nachbearbeitung von G- code zur Verfügung. 3 Aufbau des Hotend Das think&have multicolor blending hotend realisiert eine sehr kurze Transitionszone (Bereich, in dem das Material heiß und pastös ist), ist außerhalb des Schmelzbereiches mit Teflon ausgekleidet und kann mit wechselnden Düsen (Standard M6 Gewinde) betrieben werden. Dadurch ist es sehr unempfindlich gegen Filamentstau. Wir liefern das think&have multicolor blending hotend mit mehreren Düsen aus. 2 Ramps 1.4 Mainboard, siehe 3 Cura, verbreitete 3D-Druckaufbereitungssoftware des Herstellers Ultimaker 4 Marlin, verbreitete Firmware für3d-drucker, siehe

6 Das think&have multicolor blending hotend besteht aus folgenden Komponenten: eine Keramikheizpatrone (austauschbar, Standard 12 Volt, 40 Watt, 6mm), zwei Thermistoren (NTC, 100k), ein Heizblock aus Aluminium (spezifisch für think&have multicolor blending hotend), eine Wärmebarriere aus PEEK (polyetheretherketon), zwei bis vier Teflon Inlays, ein Kühlkörper aus Aluminium, eine Montageplatte (Standard, mit 50mm Lochabstand), eine Abdeckung aus ABS (3D-Druck, STL-Datei verfügbar), zwei bis vier Push to fit Adapter für den ANschluss der Bowdenschläuche, zwei Spannschrauben mit Muttern 3.1 Düsenquerschnitt und Düsenwechsel Das think&have multicolor blending hotend verfügt über keine mechanische Vorrichtung zur aktiven Durchmischung der Filamentfarben (kein 'Rührwerk'). Daher treten gemischte Filamente in einer gewissen 'Streifigkeit' aus der Düse. Dieses wird auch als 'color blending' bezeichnet. Bei Verwendung kleiner Düsendurchmesser (ca. 0.3 mm) Düsendurchmesser ist der Streifeneffekt stark reduziert, die Druckzeiten jedoch verlängert. Bei Verwendung großer Düsendurchmesser (z.b. 0.8 mm) Düsendurchmesser ist der Streifeneffekt ausgeprägter, die Druckzeiten jedoch stark verkürzt (auf ein Drittel verringert). 3.2 Pflege und Reinigung Das Hotend kann in heißem Zustand (ca. 200 Grad), durch Lösen der Spannschrauben komplett zerlegt werden. Nach erneuter Montage muss die Dichtigkeit zwischen Wärmebarriere und Heizblock möglicherweise durch mehrfaches Erhitzen und Nachspannen schrittweise hergestellt werden. Für die üblicherweise zu erwartenden Reinigungsarbeiten ist eine Zerlegung nicht erforderlich.

7 Durch das Wechseldüsenprinzip können Verstopfungen leicht durch Abmontieren der Düse beseitigt werden. Durchschieben von Filament, durch das 'düsenlose' Hotend beseitigt fast alle Blockaden. Die Düse kann in heißem Zustand mit einem passenden Federdraht (z.b. Gitarrensaite hohes E) freigestoßen werden. Hartmetallbohrer bieten sich wegen der Bruchgefahr weniger an. Es ist auch möglich, eine kalte Düse in Aceton liegen zu lassen und sie dann durchzustoßen (klappt bei ABS und HIPS, jedoch bei PLA oder Nylon nicht). 4 Installation und Konfiguration Das think&have multicolor blending hotend wird mit den Befestigungslöschern (Lochabstand 50mm) an die vorhandene Hotend Montagestelle des 3D-Druckers geschraubt. Die Löcher haben einen Durchmesser von 3mm, können aber auch für 4mm Befestigungen aufgebohrt werden. Wenn die Hotend Montagestelle an Ihrem 3D-Drucker ein 'Durchstecken' des Heizblockes (Durchmesser knapp 35mm) ermöglicht, kann das Hotend von oben aufgesetzt werden. Bei Montagedurchlässen ab 30 mm kann eine Verschraubung von unten vorgenommen werden. Sollten dabei die Push to fit Adapter im Weg sein, können diese abgeschraubt und nach der Montage wieder (nur leicht 'handfest') angezogen werden. Die STL-Datei für die Plastikabdeckung kann im Bedarfsfall bei uns abgefordert werden. Gerne unterstützen wir Sie auch bei besonderen Montageherausforderungen. Der Heizanschluss des Hotend wird mit dem des Mainboards verbunden (Polung egal). Ebenso die beiden (ggf. nur einer) Thermistoren. Der zweite Thermistor ist für den Betrieb nicht relevant und dient nur der Kompatibilität in Setups, die für Dual Print zwei Termistoren erfordern, um nicht in eine 'Notabschaltung' zu fallen. Das Hotend kann grundsätzlich auch ohne Lüfter betrieben werden, weist aber dann ein etwas höheres Risiko für Filamentblockaden auf. Der Lüfter kann mit 12 Volt Dauerspannung betrieben oder mit dem entsprechend geregelten Anschluss des Mainboards (Pin 9 bei Ramps 1.4 oder Pin 4, mit MOSFET-Stufe, bei belegtem Pin 9) verbunden werden. Die Polung des Lüfters muss korrekt sein (Rot/Plus). Die Extrudermotoren werden an die dafür vorgesehenen Ports des Mainboards (ausgenommen bei Verwendung des Farbmischers, (siehe Abschnitt 6, Seite 8) angeschlossen. Die Bowdenschläuche sind dann zu verbinden (Einstecken und etwas 'nachdrücken'). Hinweis: Zum Trennen der Bowdenverbindungen sind die Plastikringe an den Push to fit Adaptern leicht herunterzudrücken und so zu halten, bis der Schlauch herausgezogen/gedreht wurde. Beachten Sie bitte, dass ein Hotendaustausch die Druckbetteinstellung und die Arbeitsraumhöhe beeinflusst. Nach Nivellierung des Druckbettes ist das System dann druckbereit. In Firmware und Slicersoftware können X-,Y- und ggf. Z-Offsetwerte für mehrere Hotends/Extruder eingetragen werden. Da das think&have multicolor blending hotend alle Filamente durch dieselbe Düse austreibt, sind diese Werte auf null zu setzen.

8 5 Multimaterialdruck In diesem Abschnitt werden die Techniken für den manuellen und programmgesteuerten Materialund Extruderwechsel beschrieben. 5.1 Farbwechsel Die gängigen Setups ermöglichen die Verwendung von zwei Extrudern (ohne eine Materialmischung). Im Steuercode (G-code) ist der jeweilige Extruder mittels des Befehls 'Tn' auszuwählen. Dabei steht 'n' für die laufende Nummer des Extruders (beginnend mit 0), also T0 für den ersten und T1 für den zweiten Extruder. 5.2 Farbmischung Auch in einem solchen Standard Setup (ohne besondere Farbsteuerung) ist eine Mischung mit jeweils gleichen Farbanteilen möglich. Dazu werden die Extrudermotoren parallell geschaltet und der Einstellwert für Steps/mm des Extruders verringert (auf 50%, bei zwei Extrudern, auf 33% bei drei Extrudern). Für Ihre ersten Versuche mit 'color blending' kann das ausreichend sein. Für einen solchen Probelauf muss übrigens nicht die Firmware geändert werden, die steps/mm lassen sich mit dem G-code M92 temporär setzen. z.b. M92 E662.4 Setzt den Extruderantrieb auf Steps/mm. Alternativ kann auch der Wert flow (Materialfluss) im Slicer oder über ein evtl. 3D Drucker vorhandenes LCD-Modul auf 50% oder 33% gesetzt werden. 6 Mischelektronik Für die Verwendung von mehr als zwei Filamenten und die Misching (blending) von Materialien empfehlen wir den Einsatz einer speziellen Steuerung zur Farbmischung. Wir verwenden dazu eine Elektronik aus einem Arduino Mega 2560, einem Ramps 1.4 Board, einem SmartLCD und mehreren Steppertreibern (kompatibel zu Pololu A4988). Die Entwicklung dieser Mischelektronik ist in unserer Facebook Chronik (ab ) dokumentiert. Diese Mischeinrichtung erlaubt manuelle und programmgesteuerte Anwahl der Filamentsorten und Mischverhältnisse. Der Anschluss der Mischeinrichtung an den 3D-Drucker erfolgt anstelle des ersten Extrudertreibers (A4988) auf dem Mainboard.

9 Zusätzlich wird für die programmgesteuerte Anwahl eine Verbindung der I2C Busse des Druckers, und der Mischeinrichtung erforderlich. 6.1 manuelle Farbwahl Beispiel mit vier Filamenten: Das SmartLCD der Mischeinrichtung zeigt die gewählten Mischanteile der vier Extruder. Die ersten drei Werte sind für die Anteile von Rot, Gelb und Blau, der vierte für ein aufhellendes Filament vorgesehen. Das LCD zeigt dabei zwei Zustände: Pfeilanzeige am Rand unten->extruder anwählen, strichanzeige am Rand unten->extruder Anteil einstellen. Zwischen den Zuständen wird durch Drücken des Knopfes gewechselt. 6.2 Farbwahl über G-code Das Mischverhältnis von bis zu drei Materialien kann über das Kommando M150 (BlinkM) gewählt werden. Beispiel : M150 R0 U70 B30 Wir rüsten unsere Farben wie folgt: Extruder 0->Rot Extruder 1->Gelb Extruder 2->Blau optional 3->Weiss oder transparent Die Parameter R U und B stehen für die ersten drei Filamente, die Angaben erfolgen in Prozent (0-100).Das Beispiel erzeugt ein helles Grün. Bei Verwendung von mehr als drei Filamenten: Beispiel : M150 R255 U3 B50 R255 ist reserviert für diese Notationsweise. U wählt den Extruder (hier den vierten) und B stellt den Anteil für diesen Extruder ein. M150 R255 U0 B15 M150 R255 U1 B35 M150 R255 U2 B00 M150 R255 U3 B50 ergibt ein blasses Orange.

10 7 Hilfsprogramme Für die Nachbearbeitung von G-code stellen wir kleine Hilfsprogramme bereit: 7.1 Stripes Mit diesem Programm kann der G-Code eines einfarbigen Druckauftrages so umgestellt werden, dass jeweils nach einer einstellbaren Anzahl von Layern die Druckfarbe gewechselt wird. Dadurch entstehen zweifarbige Objekte mit waagerechten Streifen. 7.2 colup Das Programm colup bearbeitet ebenfalls den G-Code eines einfarbigen Druckauftrages und erzeugt Streifen. Dabei werden allerdings anstatt der Extruderwechsel (wie bei stripes) Farbmischcodes erzeugt. Die Farb-/ und Schattierungsfolge wird einer Textdatei entnommen. Mit dem Programm colup aufbereitete Drucke können beliebig viele verschiedene Farben und Schttierungen enthalten.