Fail der Woche: Das Metal Hot End Upgrade

Mein Sohn Patrick hat mehr als einmal beobachtet, dass ich 3D-Druck nicht mag. Das mag seltsam klingen, denn ich habe bereits 2012 einen Drucker gebaut und seitdem habe ich viele Drucker gebaut und derzeit habe ich mindestens drei in meinem Labor. Aber Patrick hat richtig erkannt, dass es mir eigentlich keinen Spaß macht, Dinge zu drucken, die ich brauche. Was mir Spaß macht, ist das Bauen, Reparieren und, was noch wichtiger ist, das Verbessern der Drucker selbst. Wenn Sie Hackaday lesen, wissen Sie wahrscheinlich, wie das ist. Dies ist die Geschichte eines fehlgeschlagenen Upgrades, obwohl das Ende durchaus erfreulich ist. Wenn Sie jemals darüber nachgedacht haben, von einem herkömmlichen Hot-End auf ein Ganzmetall-Hot-End umzusteigen, möchten Sie mich vielleicht anhören und vielleicht kann ich Ihnen Ärger ersparen.

Vor ein paar Jahren habe ich mir einen Anet A8 zu einem wirklich günstigen Preis gekauft. Für Drucker ist es ausreichend. Nicht schlecht, aber nicht großartig. Aber es ist ein Drucker, der Spaß macht, weil man wirklich etwas daran arbeiten muss, um den Acrylrahmen zu stabilisieren und andere Mängel zu beheben. Ich habe den Drucker in relativ kurzer Zeit ein ganzes Stück verbessert und außerdem ein paar Aluminium-Strangpressteile gekauft, um den Rahmen nach den AM8-Plänen umzubauen, die Sie auf Thingiverse finden können.

Aber das Leben passiert, und diese Kiste mit Profilen stand ein paar Jahre lang im Regal. Auf der Suche nach einem Pandemieprojekt beschloss ich, dass es an der Zeit war, den Schritt zu wagen, und die Ergebnisse waren großartig. Der solide Metallrahmen des Druckers machte ihn wirklich zu einem Weltklasse-Drucker. Außer eine Sache.

Der Extruder des A8 – eigentlich die gesamte X-Baugruppe – ändert sich beim AM8-Build nicht wirklich. Ich hatte ein paar sehr einfache Änderungen am Extruder vorgenommen, aber es handelte sich größtenteils um Originalteile, und das war mühsam. Der Extruder ist ein NEMA17-Stepper in einem U-förmigen Metallrahmen, an dem ein herkömmlicher Extruder angeschraubt ist. Ein Ventilator deckt den Extruder vollständig ab und die Wärmebremse schraubt sich direkt in den Boden, gefolgt vom Wärmeblock und der Düse.

Ich hatte den Lüfter bereits verschoben, um Zugang zu erhalten, was die meisten Leute mit A8 tun. Allerdings war das Beladen des Geräts mühsam und da die Kühlung in der Hitzepause nicht so gut war, kam es recht häufig zu Staus, wenn auch nicht so häufig, wie man erwarten würde. Allerdings war das Beseitigen von Staus ziemlich mühsam.

Ich wusste schon lange, dass ich etwas Besseres schaffen wollte, und ich hatte ein paar gefälschte E3D-V6-Hot-Ends herumliegen. Sie lagen ebenso wie die Strangpressteile einige Jahre im Lager. Ich habe eine Halterung gedruckt und das funktionierte großartig. Sobald das funktionierte, habe ich die Halterung neu gestaltet, einen nachgebildeten Titan-Extruder angebracht und ihn mit einem Bowden-Schlauch versorgt.

Es war toll! Leicht zu laden, kaum Staus und etwaige Verstopfungen ließen sich leicht beheben. Zeit, Schluss zu machen, oder? Natürlich nicht. Ich musste nur noch eine Änderung vornehmen.

Wenn Sie noch nie ein Hot-End auseinandergenommen haben, besteht die allgemeine Tendenz darin, dass Kunststoff in einen Kühlkörper gelangt. Dann wandert es durch ein kleines Röhrchen, das als „Wärmepause“ oder „Hals“ bezeichnet wird. Dieses Rohr versucht, den heißen Teil des heißen Endes vom Filament zu isolieren, das zur Düse läuft. Das andere Ende der Wärmeunterbrechung stößt gegen die Düse im Wärmeblock, einem Metallblock, der das Heizelement und den Thermistor hält. Im Idealfall schmilzt das Filament kurz bevor es die Hitzepause verlässt und in die Düse gelangt.

Die normale Wärmebremse enthält PTFE, das das Filament in der Spur hält, auch wenn es etwas weich wird. Bei Temperaturen über 250 °C kann der PTFE-Schlauch jedoch zerfallen, so dass auch Hitzebrüche aus reinem Metall möglich sind. Ein normaler Hitzeschutz aus Metall besteht aus sehr dünnem Edelstahl, es gibt aber auch solche aus Titan oder sogar solche, die aus zwei verschiedenen Metallen bestehen. Das Video unten zeigt eine schöne Montageanleitung für zwei gängige Arten von Hotends.

Ein Ganzmetall-Hotend wäre also natürlich besser, oder? Vielleicht nicht. Es hängt davon ab, was Sie tun möchten. Während Sie mit einem Ganzmetall-Hotend die Temperatur erhöhen können, haben sie ihre eigenen Probleme. Erstens wollen manche Kunststoffe unbedingt am Metall haften. Dies ist insbesondere bei Rückzügen problematisch. Zweitens kann es, wenn die Wärme an der Wärmetrennung hochkriecht, zu einem vorzeitigen Schmelzen kommen, was ebenfalls zu Verklemmungen und Unterextrusion führen kann.

Wenn Sie keine Temperaturen über 250 °C benötigen, sollten Sie darüber nachdenken, nicht auf Ganzmetall umzusteigen. Aber natürlich wollte ich diesen Temperaturbereich und habe es geschafft. Das führte zu einem Mysterium, und wie bei vielen Mystery-Geschichten wird sich herausstellen, dass der Täter ein kleiner Spieler ist, den man kurz erblickt.

Zuerst habe ich mit der neuen Düse eine gewöhnliche Edelstahl-Wärmepause eingebaut. Dem lag ein kleiner Umschlag Wärmeleitpaste bei, den ich am kühlen Ende der Hitzepause verwendete. Der Drucker würde fast sofort stauen. Denken Sie daran, dass mit der alten Düse und der Hitzeunterbrechung alles in Ordnung war.

Ein Heat Break soll eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, damit das Filament erst schmilzt, wenn es in den Heat Block gelangt. Normalerweise ist das Rohr sehr dünn, da es weniger Wärme leitet. Aus irgendeinem Grund klemmte die neue Wärmebrücke ohne PTFE stark.

Die Staus schienen beim Einfahren aufzutreten. Das Ausschalten des Rückzugs funktionierte zwar, hinterließ aber bei mir sehr fadenziehende Drucke. Ich habe versucht, den Rückzug zu reduzieren, aber egal wie tief ich ging, das heiße Ende blockierte. Wenn ich das Filament wieder herauszog, hatte es einen pilzartigen Kopf, der es daran hinderte, wieder in die Hitzepause einzudringen.

Alles auf einem 3D-Drucker scheint miteinander verbunden zu sein. Also habe ich den 30-mm-Lüfter abgenommen – es war schließlich ein billiger Nachbau – und ihn durch einen 40-mm-Lüfter ersetzt, der mehr Durchfluss hätte haben sollen. Zum Zusammenbau habe ich einen bedruckten Adapter verwendet. Es schien nicht zu helfen.

Ich habe auch eine Titan-Wärmepause bestellt. Titan hat eine noch schlechtere Wärmeleitfähigkeit und sollte daher theoretisch den kalten Teil des heißen Endes noch kälter halten. Das schien auch nicht besonders gut zu funktionieren und mir ging die Wärmeleitpaste aus.

Da ich so wenig Wärmeleitpaste hatte, dachte ich darüber nach, etwas CPU-Compound zu verwenden. Als ich jedoch nachschaute, was ich hatte, war die Höchsttemperatur etwas niedrig. Beim Nachdenken wurde mir jedoch klar, dass die kalte Seite der Wärmeunterbrechung sowieso nicht so heiß sein sollte wie die Düse, also funktionsfähig sein sollte.

Der Grundgedanke, die Masse nur auf die oberen Gewindegänge aufzutragen, besteht darin, die Wärmeübertragung vom heißen Block auf die Wärmeunterbrechung bewusst zu unterbinden. Aber welche Wärme auch immer in die Pause gelangt, Sie möchten sie mit maximaler Geschwindigkeit an den Kühlkörper weiterleiten.

Die neue Wärmeleitpaste – etwas namens Ice Mountain #1 – hat es geschafft. Ich weiß nicht, ob die generische weiße Paste alt oder einfach nur von schlechter Qualität war. Der Ice Mountain besteht aus einer Kohlenstoff/Silikon-Verbindung und scheint großartig zu funktionieren. Keine Staus oder Hitzekriechen mehr.

Dies ist ein großartiges Beispiel dafür, wie fast alle Einstellungen und Komponenten im 3D-Druck miteinander verbunden sind. Das neue Hotend erforderte eine Anpassung der Betthöhe, der Vorlauftemperatur und der Rückzugseinstellungen. Außerdem war eine ausreichende Wärmeübertragung zwischen den Hot-End-Komponenten erforderlich.

Hat es sich am Ende gelohnt? Nur für PLA, wahrscheinlich nicht. Jetzt bin ich jedoch bereit, mit verschiedenen Filamenten zu experimentieren, und die PLA-Drucke scheinen gut zu funktionieren.

Was kommt als nächstes? Vielleicht Multiextrusion? Wenn Sie Ihr Hotend-Wissen wirklich testen möchten, versuchen Sie, eine schlecht behandelte Maschine wiederzubeleben.