Moje řešení vodního chlazení E3D V6 hotendu, které je tak subtilní, aby se nechalo namontovat místo klasického chladiče bez nutnosti měnit cokoli dalšího na tiskové hlavě.
Proč se tím vůbec zabývat? Pokud chci tisknout filament při vysoké teplotě, velmi pomalu a se spoustou retrakcí/zatažení při přesunu tiskové hlavy; často se stane, že vlákno změkne již v dolní části chladiče, nedokáže přenást tlačnou sílu motoru extruderu, hotend se ucpe a tisk selže. A že se mně to stalo mockrát.
Zahřátý hotend tiskárny vypadá nějak takto. Problém je, že chladič musí být opravdu dobře ochlazený zvláště ve spodní části blízko horké kostky. Když bude mít podložka má 110°C, tisková teplota bude 290°C; tak uvnitř tiskového boxu je 60°C. Touhle teplotou má ventilátor dlouhodobě uchladit chladič?
Jednoduché řešení je například použití heatbreaku s kouskem teflonové trubičky, není to řešení dokonalé, ale přenos tepla na filament je omezen a funguje to.
Vodotěsný tisk, který projde i tlakovou zkouškou. Kompresorem natlakuju a pod vodou nesmí ucházet jediná bublinka. Tisku z CPE HT, tryskou 0.6mm se stopou 0.70mm, extruze 120%, na každém švu se tryska otře zpátky 5mm (wipe distance). Pak expoxid universal, natřu vnitřní i vnější stranu. Stejně tak byl expoxidem vlepen chladič dovnitř. Tlaková zkouška byla úspěšná, tak by to němělo protéct.
První test chlazení – pokus o nahřátí chladiče plamenem. Voda bezproblémů stíhá odvádět teplo tak, že část chladiče, která byla v kontaktu s plamenem zůstala na dotek pouze „teplá.“
Běžná teplota při které tisku PLA je 190°C. Zkušební osmihodinový tisk, materiál PLA, zatažení 1.75mm, minimální posun materiálu, pomalý tisk a teplota 290°C – tedy o sto víc, než je běžné. Tisknul jsem oblíbenou eiffelovku. V celém chladícím okruhu bylo maximálně čtyři deci vody a miniaturní akvarijní čerpadýlko tlačí pouze deset litrů za hodinu.
Předpoklad byl, že kdyby filament změknul již v chladiči, došlo by okamžitě k zaseknutí a ucpání.
Pokud celý tisk proběhne a chlazení opravdu funguje, tak výsledkem bude opravdu hnusně vytištěnávěžička, protože teplota tisku PLA byla záměrně zvolena o 50% vyšší než je běžné. Pokus byl úspěšný; tedy dáme malinko větší čerpadlo, víc vody do okruhu.
Aby bylo možné hotend rozebrat, je nutné chladičem otáčet a vyšroubovat heatbrake. Přibyly dvě spojky v horní části.
Finální řešení zavařovačky s vodou a průchodkami. Ta věc, co trčí dole je místo pro teploměr odchozí vody. Záměr je změřit teplotní rozdíl vstupu a výstupu.
Odroid N2 má ve specifikaci rozsah napájení 7,5V ~ 18V (25W) případně 7,5V ~ 16V od roku 2022 (LOT číslo začíná EL22) a výrobce doporučuje napájecí adaptér 12V/2A. [zdroj]
Reálně jsem byl zklamán. Už při bootování systému se ozve pískání a kvílení, jde to od místa připojení napájení a je to velmi nepříjemný zvuk; tak moc, že se u zapnutého Odroidu nedá sedět. Píská cívka napájecího zdroje a tomuto problému se říká coil whine.
Koupil jsem dvě desky Odroid N2+ na eshopu [rpishop.cz] a po zjištění problému jsem kontaktoval dodavatele s dotazem, zda je „pískání“ důvod k reklamaci. Bylo mi sděleno, že to není vada, ale rys.
Odroid N2+ schéma napájecí části [zde] na str. 14. Píská cívka L1 napájecí větve pro 3,3V.
První řešení, které mě napadlo bylo zcela eliminovat tuto část napájení a připojit svůj vlastní zdroj a nahradit ztřeba i všechny tři napájecí větve 5V (kondenzátor C159) , 3.3V (kondenzátor C141) a 1,2V (v místě C156 nebo C154). Jsou ze spodní strany desky a pájelo by se to docela pohodlně. Jenže bych tím přišel o záruku, že.
Proč to vlastně píská?
Věděl to strejda Anubis. V datasheetu [NB680GD] na str. 11 je odpověď. Obvod při větším napětí pracuje v discontinuous módu, tj. „zapne se občas“, protože mu stačí malá frekvence k dosažení požadovaného výkonu. Kdyby to byl lepší obvod, co umožňuje kompenzaci zpětné vazby, tak by to šlo vyladit tak, že by mohl prakticky pořád pracovat v CCM a nepískal by.
Co s tím?
Zkusím nějaký ten krok stranou (work around) – co když napájení udržím v rozsahu, aby obvod NB680GD neměl potřebu spínat?
Na videu je vidět, jak jsem krmil Odroid N2+ z relativně přesného laboratorního zdroje [DP832A] výrobcem doporučenými 12V a cívka píská na asi 5kHz, při napájení 7,1V se sníží frekvence nepříjemného zvuku na 4,4kHz. Zhruba v polovině videa se zase vracím k napájení 12V a pak snižuju na 6,76 voltů. A pak je vidět, že přesně při napájení 6,75V pískání zcela zmizí.
Jen napájecí napětí nesmí přesáhnout 6,75 voltů. S připojeným HDMI, myší, klávesnicí a WIFI modulem je vyžadován napájecí proud asi 300mA. Při opravdu velké zátěži, kdy je z portů USB3 odebírám maximální možný proud, tak si zdroj vezme cca 1700mA. Použil jsem [tento] napájecí adaptér 12V/2.5A a step down měnič [XL4015]. Pokud chcete mít přehled o napájecím napětí a aktuální spotřebě, případně experimentovat s vlastním nastavení napájecího napětí, existuje [jiný modul] obsahuje i voltmetr a ampérmetr. Je k dispozici i [krabička] s modelem k tisku.
Jak to správně nastavit?
Stačí je mobilní telefon s aplikací [Spectroid]. Mobil je mikrofonem těsně u cívek u souosého napájecího konektoru. Na grafu vidíme, kde nám to píská. Step-down měnič je nastavený tak, aby dával plné napětí zdroje (12V). Nabootujeme systém - tedy Odroid je zapnutý a periferie jako monitor, myš, klávesnice, wifi modul a vše potřebné je připojeno. Postupným snižováním přejdeme od 12kHz přes 7kHz až k 4,4kHz a pak pískání zmizí. A v tomto místě to necháme nastaveno. Nezáleží, jaké napětí bude nastaveno, ale aby zcela zmizel nepříjemný zvuk a zároveň zůstalo napájení dost vysoko, aby nám systém běžel.
Nastavit volmetrem na výstupu měniče 6,75V nemusí být správně, protože může dojít k poklesu napájení a třeba nám to znemožní reboot, když bude připojený externí disk etc.
Projeví se nějak na kvalitě zvuku, když „zvuk projde křemíkem“? Může to být slyšet?
Analogový multiplex – obvod 4066 jako čtyřnásobný analogový spínač nebo 4067 jako 16kanálový multiplex. Tyto obvody se běžně používají jako přepínače analogových vstupů u audio zesilovačů.
Otázka s tím spojená, která mě napadá. Řekněme, že chceme přepínat audio vstupy pro zesilovač. Projeví se nějak na kvalitě zvuku, když „projde křemíkem“? Bude to slyšet? Jedná o vstup, tedy signál z něj jde do předzesilovače a pak do zesilovače; pokud by přepínací obvod přidal jakýkoli šum, tak tento může být velmi zesílen a tak poškodit slyšitelně výsledek.
Porovnával jsem různé obvody, ale výstup je velmi podobný.
Krátce výsledek
Pokud bude vše správně zapojeno, tak analogový multiplex nepřidává do signálu v rozsahu do 100kHz žádnou další složku a tedy není problém přepínat audio vstupy tímto způsobem.
74HC4067 umí přepínat 16kanálů do jednoho výstupního, funguje obousměrně
– generátor signálu Siglent [SDG2042X] je přesnější než to, co nás u zvuku zajímá a proto je dostatečně dobrý jako zdroj signálu pro toto měření. Musí být, protože jiný generátor na stole nemám.
– pro harmonické zkreslení čistá sinusová vlna na 10kHz o amplitudě 1V
– pro intermodulační zkreslení sečte/směšuje dvě vlny 10kHz a 13kHz, obě o amplitudě 1V
– spektrální analyzátor [HP3585A], který má dostatečnou přesnost a je schopen opakovaných měření se stejnými výsledky
Na vstupu je sinusová vlna 10kHz/1Vpp; měření do 100kHz dává naprosto dokonalý výsledek. Do signálu nebylo nic přidáno. Šum, který je v grafu vidět je šumem samotného analyzátoru. Rozsah 100kHz je pro přenos audiosignálu opravdu dostatečná rezerva.
Pokud rozšíříme měření až po ½MHz, tak je vidět, kde se objeví první přidaná složka v signálu. Pro audio to není problém; je hodně utlumená, takže to asi problém nebude i pro vyšší frekvence. Neznám odpověď na to, zda tyto frekvence byly do signálu přidány měřeným obvodem nebo mým nekvalitním zapojením v nepájivém kontaktním poli nebo použitými BNC kabely s redukcí na měřící háčky. Nepovažuji to za důležité, protože v tomto měření hledám odpověď pro slyšitelné audio.
Na vstupu jsou dvě sečtené 1Vpp sinusové vlny 10kHz a 13kHz. Nic do signálu nebylo přidáno. Nedochází k intermodulačnímu zkreslení. Obvod 4066 šumí malinko méně než 4067, ale to bude souviset s různými výrobci. Obvody od jednoho výrobce v šuplíku nemám.
Měření rozšířeno až po ½MHz a první přidaná část signálu je vidět přesně na 123754Hz a mínus 53.7dBm. Stejně jako v případě měření samotné 10kHz vlny. Potvrzeno, že pro audio signál není analogový multiplex žádný problém a signál pod 100kHz nijak nepoškodí.
Měření harmonického a intermodulačního zkreslení bez speciálních přístrojů
Tohle může doma změřit opravdu každý. Jak to udělat, když nemám speciální generátor signálu ani přístroj na měření spektra? Pokud jde pouze o audio pásmo, tak si můžeme pro měření spektra použít zvukovou kartou a jako generátor signálu použít mobilní telefon – běží z baterie a umí generovat docela přesně.
Mobilní telefon jako generátor signálu
Mobilní aplikace [Function Generator] pro Android, generuje dva kanály audio rozsahu, umí rozmítání, šum, základní modulace...
Kvalita výstupu souvisí s přesností DA převodníku v mobilním telefonu. Mám Samsung S10e, tak měření provedu přímo na něm. K mobilu by se dala připojit USB zvuková karta (DAC).
Ověříme, jestli je pro nás aplikace dostatečně přesná – nastaveny dvě sinusové vlny 10kHz v jednom kanále a 13kHz ve druhém kanále. Pro měření je potřeba oba kanály sloučit do jednoho.
Ze stereo audio signálu uděláme mono snadno.
sečtení CH1+CH2
Výstup z mobilního telefonu je dostatečně kvalitní a v rozsahu do 100khz neobsahuje žádné další přidané složky v signálu. Pro měření v rozsahu audio je to naprosto dostatečný zdroj signálu.
Šumový graf pro sinusový signál 10kHz generovaný z Android aplikace Function Generator.
Zvuková karta jako osciloskop a FFT spektrální analyzátor
Dá se najít větší množství programů, které umožní použít mikrofonní vstup zvukové karty jako měřící vstup. Postupně jsem jich vyzkoušel několik, ale doporučím jen jeden. Je zdarma, je zvlášť určený pro zpracování audia a opravdu funguje.
Alfredo Accattatis ve volném čase tento software vyvíjí asi dvacet let. Za tu dobu projekt zcela jistě dozrál do použitelného stavu.
Visual Analyser [sillanumsoft.org]. Běží ve Windows a na jiných systémech pomocí WINE.
Obsahuje funkční generátor, osciloskop, FFT spektrální analyzátor, měření harmonického zkreslení, RLC meter viz podrobný [seznam]. Se slušnou zvukovou kartou funguje až do 96kHz.
Okno programu. Z mobilního telefonu vychází sečtené dva kanály se sinusovou vlnou 10kHz a 13kHz, prochází skrz analogový multiplex 74HC4067, oddělovacím bufferem a jsou měřeny programem Visual Analyser.
Jak ovlivní připojení ke zvukové kartě v počítači měření?
Neovlivní, pokud bude měřený systém a vstup zvukové karty oddělen napěťovým sledovačem (buffer).
Neinvertující buffer (NE5534 je pro audio použitelný operační zesilovač za 1€) [zdroj].
Pro přílišnou roztříštěnost informací, kterými jsem se prokousával na internetových diskusních fórech zkusím popsat svoji zkušenost. Koupil jsem si 3D tiskárnu, která má v popisu od výrobce uvedenu maximální rychlost tisku 180-200mm/s s poznámkou, že maximální rychlost posunu může být 300mm/s. Jenom zapomněli napsat, že uvedené rychlosti jsou reálně dosažitelné, pouze vyžadují pár drobných úprav a více než homeopatickou trošku studia.
Maximální rychlost tisku je určena pouze dvěmi parametry: ad 1) množstvím plastu, který dokážeme v reálném čase roztavit a přesně dávkovat k tisku ad 2) limitem maximální rychlosti, kterou jsme schopni ještě tiskárnu přesně řídit
Krátce Rychlejší 3D tisk. Také se ptáte, zda je možné tisknout rychleji? Ano je. – větší kostka a delší tryska taví plast rychleji – E3D V6 volcano je ideální volba – rychlejší tisk klade vyšší nároky na pevnost kostrukce tiskárny – na otázku Jak řídit rychle a přesně motory tiskrány? – odpoví firmware Klipper
– ano, dá se tisknout rychlostí 200mm/s
Dlouze
ad 1) množství roztaveného plastu, které je k dispozici pro tisk
Rychlejší tisk znamená vyšší průtok tištěného plastu, to znamená, že musíme vyřešit způsob jak tavit plast rychleji a v dostatečném množství.
Nejprve pár základních věcí, které jsou 3D tiskařům všeobecně známé. Tryska obsahuje roztavený plast. Její průměr určuje maximální výšku i šířku vrstvy, kterou lze tisknout. A množství plastu, který tavíme souvisí s rychlostí, přesněji s průtokovou rychlostí tryskou – některé slicery/programy připravující data pro tiskárnu definují rychlost tisku jako MVS maximální objemovou rychlostí, tedy součin výška vrstvy × šířka tištěné stopy × rychlost. Z výše uvedeného MVS je naprosto jasná vzájemná propojenost jednolivých parametrů.
Proto dokážeme horkou část tiskárny tvořenou vyhřívanou kostkou a tryskou popsat jediným číslem – maximální objemovou rychlostí, kterou dokáže protlačit.
Pozor! Je zde možnost, že nastavíme vyšší teplotu trysky a pak budeme tisknout rychleji a budeme počítat s tím, že při vyšší teplotě prostě taje plast rychleji. Tohle řešení použít lze, ale je potřeba brát ohledy na to, co se tiskne. Takž pokud běžně tisknu PETG při 240°C, tak zvednutí teploty třeba o čtyřicet stupňů by mělo umožnit výrazně navýšit průtok plastu tryskou. Tak snadné to ale není.
Rychlost tisku není všechno, zároveň potřebujeme, aby aktuálně tisknutá vrstva stihla vychladnout, než se na ni bude zase tisknout...
Testuji tisk při běžné teplotě doporučené pro tisk filamentu tak, aby bylo možné tisk dobře chladit a dalo se dobře a hezky vytisknout všechno, čeho je tiskárna schopná.
kostku supervolcano si můžu snadno vytořit sám, ze dvou volcano kostek a dvou vyhřívacích těles
Pozor! Pokud běžně používáme 40W vyhřívací těleso, tak navýšení na dvojnásobek může teoriticky způsobit problém, pokud přesně neznáme na jaký výkon je dimenzován náš zdroj; přesněji jaký je spínací mosfet pro vyhřívání hotendu, pokud je vůbec použit (u levných tiskáren bývá spínací mosfet pouze pro vyhřívání podložky, a vyhřívání hotendu spíná přímo deska). Obvykle výměna 40W tělesa za 50W problém není. U dvojnásobku vyřešme řízení vyhřívání raději jinak.
Se supervolcanem jsem neuspěl
S original volcano obří kostkou a tryskou supervolcano jsem hodně experimentoval a bohužel musím říci, že odpor, který klade dlouhá tryska roztavenému materiálu je tak obrovský, že se nedalo rychle tisknout větší vrstvou než 0.20mm. Zkusil jsem zpřevodovaný extruder 3:1 s plnou sílou motoru a nefungovalo mně to. V různých diskusích bylo zmiňováno, že větší tryska; 0.8mm klade menší odpor a půjde tisknout rychleji; asi mám smůlu, ale nefunguje mně to.
Podle rady zkušeného kolegy, by supervolcano mělo dobře tisknout s filamentem 3mm tlačeném dvoumotorým zpřevodovaným extruderem. Vlákno 1.75mm takovou sílu prostě přenést nedokáže. A i tak je problém s přesným dávkováním.
Do budoucna nechávám možnost, kdy dvě kostky volcano budou spojeny pomocí hotbreaku a každá kostky bude vyhřívána jinak. Něco jako předehřev a natavení a samotné travení plastu. Časem to řešení otestuju.
Jestli nějaké kostka funguje, je to zlatá střední cesta – volcano. Tryska není tak dlouhá, aby kladla nějaký extrémní odpor při tisku. Zde je jedno starší video, tiskárna Ender 5 Plus má ještě originální pojezdy s gumovými kolečky, i tak se dá řídit velmi rychle.
Tisk z materiálu ASA, volcano tryska 0.4mm, vrstva 0.20mm, rychlost 200mm/s
Nelze tisknou do vzduchu – proto pímesno T, vlevo, nelze tisknout. Y je typické pro převisy, kdy každá vrstva malinko přesahuje vrstvu přechozí. Tiskárna by měla být schopná tisknout převisy do úhlu 45°. Aby toho byla schopná, musí být předchozí tištěná vrstva dostatečně pevná, aby se dala tisknout další vrstva. Pokud je nedostatečné chlazení, bude se okraj tištěné vrstvy zvedat směrem nahoru. U tisku malých věcí jde požadavek dobrého chlazení a rychlého tisku proti sobě. Pokud se tiskne něco náročnějšího, tak zpomalit bude ta správná cesta.
Chlazení řeší ventilátory, které foukají pod trysku. Teplota vzduchu, který mají k dispozici je teplota vzduchu v tiskovém prostoru. Zajímavý pokus by bylo vzít kompresor a hnát studený vzduch přímo. Časem otestuju.
Tiskněme [lodičku] – 3DBenchy je testovací model, který ukáže, zda máme všechno nastavené správně.
Závěr tématu ad 1) množství roztaveného plastu, které je k dispozici pro tisk
E3D V6 volcano je ideální velikost kostky a trysky, která umožní rychlejší tisk. Zcela jistě umožní dvojnásobek rychlosti tisku téměř s jakýmkoli firmwarem.
ad 2) Přesné řízení 3D tiskárny vyšší rychlostí
Je potřeba vyřešit pár drobností, aby bylo možné tisknotu rychleji. Pokud nastavíme rychlejší běh krokových motorků, pokud nastavíme větší akceleraci, celá věc se začne hýbat rychleji. Limity se najdou snadno, nesmí přeskakovat ozubený řemen. Určitě pomůžou dobrá lineární vedení jednotlivých os.
V běžné levné 3D tiskárně je nějaký osmibitový procesor, který čte a dekóduje vygenerovaná data pro tisk z SD karty, uložená v textovém formátu (.gcode). Zároveň musí přesně regulovat teplotu hotendu a podložky a ještě k tomu řídí motory. To může být pro jeden osmibitový procesor slušná nálož. A nezapomeňme, že ještě na displeji zobrazuje nějaké infomace, které by uživatel chtěl ideálně barevné a plynule animované.
Možná zkusíme nahrát nějakou aktualizaci firmware a třeba to bude lepší, ale pořád jsme limitování procesorem na základní desce tiskárny. Nabízí se různé upgrade, investovat do lepší 32bitové desky s nějakým svižným armovým procesorem. Taková deska může stát klidně dalších patnáct stovek...
A co když by celou kinematiku tiskárny počítalo nějaké výkonnější zařízení a po slabém procesoru na základní desce tiskárny budeme chtít jen řízení motorů a uděláme z ní jen hloupého XYZ robota, kterému budeme posílat úsporné příkazy, které má udělat. Výkon nám dodá Rapsberry Pi Zero 2 W (nebo lepší). Pozor, musí to být nové Zero 2 W, které má asi pětkrát větší výkon než původní Zero. Nezaměnit, obě se prodávají kolem čtyř set korun, jen původní koncept Zero je z roku 2015/2017 a nová verze Zero 2 W vyšla na podzim 2021. Já měl navíc jeden kousek Raspberry Pi 4B.
Na [webu] je popsán podrobný postup instalace a opravdu to tak funguje. Instalace linuxu do Raspberry Pi, zprovoznění přístupu po síti, instalace systému Octoprint (nebo jiného), instalace systému Klipper do Raspberry Pi, kompilace firmware přímo pro procesor vaší tiskárny. Zapsání zkompilovaného firmware do procesoru. Tohle je pořád dobře zdokumentováno. Pokud vám nic neříká systém linux nebo příkazový řádek terminálu, naučíte se spoustu nových a zajímavých věcí.
Další krok je podobné studium konfiguračního souboru, kde je každá část tiskárny přesně definována a musí být bezchybnatě nastaveno, jaký pin procesoru v tiskárně se vzahuje k jaké části samotného hardware. Pokud máte tiskárnu v základním nastavení, najdete již hotový konfigurační soubor pro Klipper.
Velmi zajímavé mně přišlo, že nejsme omezování pouze jednou deskou tiskárny, ale sekcí [mcu] může být v konfiguračním souboru několik. Kdy se to hodí? Potřebuju řídit další tři extrudery třeba pro [barevný tisk] nebo chci zkusit tisk dvěmi hotendy, či jen chc řídit více vyhřívacích těles...
Když se to celé začne správně hýbat, zkusím tisknout, tak následuje zklamání, protože výtisk není hezký a jsou na něm podivné artefakty.
Celková kostrukce tiskárny není dost pevná na to, aby nedocházelo k rezonancím, které se přenáší do tisku. Doporučené řešení je zpomalit tisk. Ale co když se to dá vyřešit jinak.
Pokud mám na mostovém jeřábu zavěšené břemeno a potřebuju s tím někam najet, tak si dokážete představit, jak se to celé chová a jak se motor přetahuje s houpajícím se břemenem... nebo máme obrovský obráběcí stroj, velké hmoty se pohybují velkou rychlostí a přesně.
Tedy řešení v průmyslovém světě existuje a jmenuje řízení tvarováním signálu (input shaping) [2][3].
Při řízení 3D tiskárny poprvé použito někdy v čevnu 2020 a co se objevilo, tak jsem toto řešení implementoval a mohu jen doporučit.
Na hotend umístíme akcelerometr[4], změříme rezonanční frekvence. Při tisku pak řídíme tiskárnu tak, aby se rezonance odečetly. Po změření a nastavení můžeme akcelerometr sundat. Pokud výrazně změním váhu hotendu, má smysl měření opakovat.
Nastavit kompenazaci lze i bez akcelerometru, pouhým tiskem testovacího modelu a ručním měřením[5].
Měření s akcelerometrem
Srovnání Ender 5 plus, osa X (ta nejkřehčí, co nese hotend)
tovární nastavení s pojezdy řešenými gumovými kolečky
totéž měření, ale s lineární pojezdy
Pro mě je to zároveň odpověď na to, zda mají lineární vedení u tiskáren vůbec smysl a není to plýtvání prostředky. Pokud stačí tisk rychlostí 50mm/s není důvod cokoli měnit. Pokud chci přesně tisknout dvojnásobnou a vyšší rychlostí, lineární vedení pomohou.
Napájení teoreticky 3–32V, ale již při 22V poteče diodou indikující zapnutí 20mA. Pro vyšší napájení napětí je diodu buď potřeba odstranit nebo navýšit R10 třeba na 4k7.
Zesílení až 100×
Zajímalo mě, jak je zapojený modul XD-21 a jak funguje.
