Anycubic 4Max: DIY-Abdeckhaube hält die Wärme für den ABS-Druck

Seit einiger Zeit werkelt in meiner Bastelkammer der neue Anycubic 4Max, ein Ultimaker-Clone, der als Bausatz für knapp 300 Euro auf den deutschen Markt gekommen ist. Hier gibt es kurzes Video vom Hersteller zum Drucker.

PLA konnte ich mit dem Drucker bisher ohne Probleme und sehr zufriedenstellend drucken. Doch leider war der Druck von ABS-Teile nicht von Erfolg gekrönt. Die Teile verzogen sich stark (Warping). Hauptursache ist aus meiner Beobachtung heraus, die große Öffnung an der Oberseite des Drucker, die dazu führt, dass die im Druckraum durch Heizbett und Hotend entstehenden Wärme an die den Drucker umgebende Raumluft abgegeben wird.

Um die Wärme im Druckraum zu halten und so ein Warping zu vermeiden, müssen die Öffnungen am 4Max geschlossen werden.  Bei thingiverse bin ich glücklicherweise für das Verschließen der Grifföffnungen fündig geworden. Dort ist dieses Snap-In-Teil zu finden. Zwei aus PLA gedruckte Teile waren schnell angefertigt.

Die Griffabdeckungen gibt es bei thingiverse zum download. Ich habe diese Teile ebenfalls aus PLA gedruckt.

Etwas aufwändiger ist die Abdeckung auf der Oberseite, denn sie muss aus meiner Sicht vier Dinge erfüllen:

  1. Lichtdurchlässig sein, um genügend Licht im Inneren des Druckers zu haben.
  2. Von der Höhe so ausgelegt sein, dass große Druckteile in der vom Werk eingestellten Endposition des Druckbetts (oben) nicht mit der Abdeckung kollidieren.
  3. So ausgelegt sein, dass sich der Kabel- und Filament-Versorgungstrang hindernisfrei bewegen kann.
  4. Die Abdeckhaube muss leicht abnehmbar sein, um das Filament am Extruder wechseln zu können.

Mit diesem kleinen Pflichtenheft habe ich mich daran gemacht, ein entsprechende Abdeckhaube zu konstruieren und zu bauen.

CAD-Modell der Abdeckhaube für den Anycubic 4Max.

Meine Konstruktion besteht aus fünf Plexiglas-Platte mit einer Stärke von 5 Millimetern. Für den seitlichen Durchbruch in der Haube, durch die der Versorgungsstrang zum Druckkopf verläuft, habe ich einen passenden Kantenschutz entworfen. Der Kantenschutz ist an der Ober – und Unterseite so konstruiert, dass er 11 Millimeter hohe Steigner Bürstendichtungen aufnimmt, um den Durchbruch flexibel zu verschließen, damit so wenig Wärme wir möglich entweichen kann.

Beim ersten Druck, bei dem ein Bauteil mit knapp 5h Fertigungszeit entstand, habe ich die Temperatur im Inneren des Druckers auf Höhe des Durchbruchs in der Abdeckhaube gemessen. Dort liegt die Temperatur nach ca. 2,5h Druckzeit bei 38 ° Celsius (Druckeinstellung: Druckbett 80°C, Hotend 235°C; Raumtemperatur in dem der Drucker steht liegt bei 21°). Die Temperatur wird innerhalb des Druckers sicherlich in Richtung Druckbett höher liegen – insofern macht die Abdeckhaube das was sie soll: Sie hält die warme Umgebungstemperatur, die beim ABS-Druck nötig ist, im Inneren.

Um die Effizienz und damit die Haftungsfähigkeit von ABS-Druckteilen auf dem Druckbett zu erhöhen, habe ich das Heizelement unter dem Druckbett von der Unterseite mit einer Aluminium-kaschierten Keramikfaser-Matte (Abmessungen 218x218x10) isoliert. Dadurch wird die Wärme des Heizbetts nicht nach unten sondern nach oben zum Druckbett abgegeben. Ein 3,5 Stunden dauernder Testdruck (0,2mm Layerhöhe, 235 °C Hotend, 95° C Heatbed, 30 Prozent Infill) eines Motorblockmodells (auf 30% in der Größe verkleinert) mit Verbatim ABS verlief problemlos – es zeigte sich kein Warping oder eine Ablösung vom Heatbed.

Aus ABS gedrucktes „Testobjekt“ – 0,2mm Lagerhöhe, 30 % Infill.

Ein Drucktest eines weiteren „Testteils“ (Schrittmotor-Motorhalterung) aus ABS mit einem Infill von 75 Prozent klappte leider nicht. Denn das Druckteil löste sich bereits nach knapp einer Stunden vom Druckbett. Dieses Ergebnis legt den Schluss nahe, dass die inneren Spannungen im ABS-Bauteil während des Abkühlens erheblich größer sind, wenn der Infill hoch ist. Die Anycubic Ultrabase-Folie bringt trotz knapp 100 °C Heizbetttemperatur in solch einem Fall nicht ausreichend Haltekraft auf, um Warping und das anschließende Ablösen vom Druckbett zu verhindern.

Ein Vergleich mit meinem Prusa i3, bei dem ich auf einem beheizten Glasdruckbett mit ABS-Slurry als Haftvermittler ABS drucke, zeigt hingegen keine Haftungs- oder Warping-Probleme – selbst bei 100 Prozent Infill!

Mein Fazit dazu

ABS auf dem Anycubic 4 Max zu drucken ist möglich, aber mit der Anycubic Ultrabase-Beschichtung auf dem Druckbett ist das nur zuverlässig bis rund 30 Prozent Infill möglich. Eine Lösung kann sein, das Ultrabase zu entfernen und auf einer glatten Glasplatte mit ABS-Slurry zu drucken. Eine Andere ist, sich beim 4 Max auf ABS-Drucke mit maximal 30 Prozent Infill zu beschränken.

 

Folgend nun einige Bilder, die dieses Mod-Projekt zeigen:

Mit einer Laubsäge wird der Durchbruch in der Acrylglas-Platte angefertigt.

Die Öffnung für den Versorgungsrang ist fertig montiert. Gut zu erkennen sind die beiden Bürstendichtungen.

Die Acrylglac-Platten werden mit Plastikkleber von Uhu verklebt.

Die Öffnung an der rechten Seite der Abdeckhaube.

Fertig gebaute Abdeckhaube.

Die Eckhalter sind aus PLA gedruckt.

Mit Kleber sind die Eckhalter auf die obere Gehäuseplatte des 4Max geklebt.

Die Abdeckhaube ist auf dem 4Max aufgesetzt – es kann gedruckt werden.

Durch abkippen der Haube kommt man gut von oben an den Druckbereich und den Extruder heran.

Eine zugeschnittene Aluminium-kaschierte Keramikfließmatte isoliert das Heatbed nach unten.

Die unkaschierte Seite der Hitzeschutzmatte.

Die Matte passt ohne Probleme zwischen Heatbed und Z-Achsen-Trägerplatte – es muss noch nicht einmal Kleber verwendet werden.

 

Wer die Abdeckhaube nachbauen möchte, der findet bei thingiverse die entsprechenden Files.

 

Horrido und stay tuned.

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Modellrakete: Gedruckter Brennstoff für Micro Hybrid Raketenmotor

Es hat mich wieder gepackt – das Raketenfieber.

Vor Jahren kaufte ich mir eine Modellrakete – die Falcon von Estes, um diese zusammen mit meinen Kindern in den Himmel aufsteigen zu lassen. Je mehr ich mich seinerzeit mit dem Thema beschäftigte, desto stärker interessierte ich mich für Antriebe abseits der klassischen Modellrakten-Feststoffantriebe, die es im Fachhandel frei verkäuflich zu erwerben gab. Letztlich blieb ich bei Hybrid-Antrieben hängen. Diese an sich simpel aufgebauten Antriebe – im Raketensprech auch als Motor bezeichnet – bestehen aus einem gasförmigen Oxidator (meist N2O, auch als Lachgas bekannt) und einem festen Brennstoff aus unterschiedlichen Materialien. Beide Bestandteile sind getrennt voneinander unproblematisch in der Handhabung und unterliegen keiner rechtlichen Beschränkung.

Für größere Modellraketen gibt es solche Hybrid-Motorne von Rattworks, Contrail Rockets bzw. Hypertek in den USA, die jedoch im Handling, insb. was den gasförmigen Oxidator N2O angehen, recht aufwändig und damit kostspielig sind. Für die verbreiteten kleinen Modellraketen (Low to Mid power) gib es eigentlich nur den Micro Hybrid Motor, der von Rene Caldera entwickelt wurde. Diese Motor-Version verwendet 8 Gramm Sahnespender-N2O-Kapseln als Oxidator und Brennstoff (Grain) aus Papier oder Kunststoff. Seinerzeit kaufte ich eine überarbeitete Micro Hybrid-Motorversion von der Firma Cavemanrocketry aus den Niederlanden, diesen Anbieter gibt es aber nicht mehr. Aktuell wird ein Micro Hybrid von Eclipse Rocketry  aus England angeboten. Wer einen Micro Hybriden selbst bauen möchte, der kann mir gerne ein Kommentar hinterlassen – ich werde in Kürze Baupläne für einen Unkostenbetrag anbieten.

Über den Aufbau und die Funktion eines Micro Hybrid Motors und seine Funktionsweise kann man sich hier  gut informieren.

Der „klassische“ Micro Hybrid Motor für eine 8 Gramm N2O-Sahnespender-Kapsel: Kapselspanner, Motorrohr, Tüte mit Dichtungen und Sicherungsringen, Tüte mit Kapselaufnahme und Piercer, Tüte mit Graphit-Düse (v.o.l.n.u.r.)

 

Grains aus dem 3D-Drucker

Kürzlich stieß ich bei meinen erneuten Recherchen zum Thema Hybrid Raketen-Motor auf eine interessante Studie. Darin wurde dargestellt, wie unterschiedlich ausgeformte innere Strukturen des Grains (Brennstoffe) die Perfomance und das Abbrandverhalten eines Hybrid-Antriebs verändern. Die Grains sind sogenannte Innenbrenner. Bei dieser Art von geometrischer Ausgestaltung brennt das Grein von innen nach aussen. Besonders bemerkenswert war die Tatsache, dass die Studienautoren die Brennstoffe auf einem 3D-Drucker anfertigten. So waren Formen und Kombinationen möglich, die mit konventionellen Methoden kaum oder überhaupt nicht möglich sind. Üblicherweise sind die Grains von Innenbrennern in der Mitte kreisrund oder sternförmig ausgeformt, um so die zur Verfügung stehende Abbrand-Oberfläche (und damit über die Brenndauer einen mehr oder weniger gleichbleibenden Schub) zu gewährleisten. Auch im Grain des Micro Hybriden ist es als Innenbrenner mit einer Kernbohrung von 9,5 mm in den original Unterlagen von Caldera angegeben.

Nach Studium der Studienergebnisse habe ich nun vier unterschiedlich Grains aus ABS (Infill 80%) gedruckt, da auch ABS ein möglicher Brennstoff für Hybrid-Raketen-Motoren ist. Der Unterschied der gedruckten Grains ist in deren Ausgestaltung der Kernbereiche zu erkennen: Rund, sternförmig (Pseudo-finocyl), sprial-sternförmig (Swirl star) und mit drei spiralförmigen Schaufeln (turbulator vane). Das letzte Grain wird zusätzlich mit einer Mischung aus 80% Paraffin und 20% Pyro-Aluminiumpulver vergossen. Das turbulator vane grain zeigt laut Studie ein ganz besonders gutes und effizientes Abbrandverhalten, da das Aluminium die Brenntemperatur des Paraffins erhöht. Die Schaufeln im Kern des Grains geben dem Brennstrom durch sein anderes Abbrandverhalten zudem einen entsprechend förderlichen Strömungsdrall.

Druck des spiral-sternförmigen Grains aus ABS (80%-Infill).

Gedruckte Grains (v.l.n.r.): Runder Kern, sternförmiger Kern, spiral-sternförmiger Kern, schaufelförmiges Grain (Paraffin-Al-Gemisch ist noch nicht eingegossen).

Ob und wie sich diese gedruckten Grains im Micro Hybrid Motor verhalten, werde ich testen. Dazu konzipiere und baue ich zur Zeit einen einfachen Teststand, mit dem ich dann die Schubkraft messen kann. Ich werde dazu ein gesonderten Post erstellen.

Um die Brenndauer des Micro Hybrid-Motors zu verlängern habe ich zudem ein Motor für drei 8 Gramm N2O-Sahnespender-Kapseln konstruiert. Auch diesen 24 Gramm Motor werde ich alsbald testen.

Dreifache N2O-Menge. Diese Micro Hybrid-Version (CAD) verfügt über drei 8 Gramm N2O-Sahnspender-Kapseln.

Blick in das Innere der 24 Gramm Micro Hybrid-Version.

Schnittansicht der 24 Gramm Micro Hybrid Motor Konstruktion (Dichtungen und Piercer sind nicht im 3D-Modell platziert). Gut zu erkennen ist das spiral-sternförmige Grain.

Soweit aus der Bastelkammer.

Horrido und stay tuned.

Wanhao Duplicator 7: 3D-Druck mit Licht

In der Bastelkammer kommen in der Mehrheit die sehr verbreiteten FDM-Drucker zum Einsatz, bei denen ein Kunststofffilament aufgeschmolzen wird. Doch zuweilen reicht deren Detailierungsgrad von Teilen nicht aus. Entsprechende Druckverfahren, die eine höhere Detailierung und feinere Teile ermöglichen, waren bis vor einiger Zeit nur bei professionellen Druckservice-Anbietern im Einsatz. Doch mittlerweile gibt es für ambitionierte Privatanwender einen vielversprechenden 3D-Drucker mit einem guten Preis-Leistungsverhältnis. Mit dem Wanhao Duplicator 7-Drucker entstehen die Teile aus flüssigem Kunstharz.

 

Der Wanhao Duplicator 7 (D7) arbeitet nach dem Stereolithografie-3D-Druck-Verfahren. Es kann im Gegensatz zu FDM-Verfahren mit einer sehr feinen Auflösung und für das bloße Auge kaum sichtbaren Layer-Stufen die Limitierungen des FDM-Verfahrens umschiffen. Das Ergebnis sind dann Druckobjekte mit ebener Oberfläche, die zudem auch noch sehr klein bzw. filigran sein können. Ideal für die Erstellung von Urmodellen die abgegossen werden sollen oder sichtbaren Teilen, die direkt am Modell zum Einsatz kommen.

Blick auf den D7 mit der oben hängend montierten Druckplatte und der Warmwanne (unten) die auf dem LCD-Screen mit zwei Handmuttern befestigt wird.

Der Wanhao Duplicator 7 mit aufgesetztem Lichtschutz.

Das zentrales Element des Druckers ist sein 5,5 Zoll LCD-Display, welches im Stahlblechgehäuse zusammen mit dem Controllerboard, Schrittmotor für die Z-Achse und Netzteil verbaut ist. Auf das Display wird eine Harzwanne montiert, deren Unterseite mit einer teflonbeschichteten FEP-Klarsichtfolie abgeschlossen ist. Die Druckplatte hängt kopfüber an dem Befestigungsarm, welcher mittels Schrittmotor durch eine Gewindestange hoch- und runterbewegt wird. Damit wird schon klar, dass die Druckobjekte kopfüber entstehen, denn die Druckplatte taucht beim Druck in die mit UV-empfindlichen Harz gefüllte Harzwanne von oben kommend ein und wandert dann bei fortschreitendem Druck Schicht für Schicht wieder hoch. Der unter der Harzwanne befindliche LCD-Screen belichtet das Resin und es härtet an der entsprechenden Stelle den jeweiligen Layer aus.

Um das lichtempfindliche Harz während des Drucks vom Umgebungslicht abzuschirmen, wird ein großer schwarzer Stahlblech-Lichtschutzdeckel während des Drucks auf den Drucker aufgesetzt.

Die Druckdaten und Layer-Bildinformationen werden über einen notwendigen externen Rechner via USB- und HDMI-Port an den Drucker übermittelt. Dieses Setting macht deutlich, dass ein Computer jeweils einen USB- und HDMI-Ausgang benötigt und permanent an den Drucker angeschlossen sein muss, um drucken zu können.

Findigen Tüftlern war aber genau dieses Computer-Drucker-Setting des Wanhao D7, welches eben keinen Stand-alone-Betrieb ermöglicht, ein Dorn im Auge. Denn wer möchte schon seinen Computer über Stunden an den Drucker binden, solange dieser druckt. Und was machen Modellbauer wie ich, die zwar einen Rechner dafür entbehren könnten, aber der Laptop blöderweise nicht über einen HDMI-Port verfügt.

Glücklicherweise gib es eine sehr einfache und verhältnismäßig kostengünstige Lösung, um den Wanhao D7 Stand-alone-fähig zu machen, sie heißt NanoDLP. Dabei handelt es sich um eine kostenlose Host- und Controll-Software, die auf einen Raspberry PI mit WLAN installiert wird und sich über den Webbrowser von jedem Rechner mit WLAN-Anbindung im heimischen Netz nutzen lässt. NanoDLP ist für DLP-Drucker was Octoprint für FDM-Drucker ist. Aus den o.g. Gründen betreibe ich den D7 mit NanoDLP. Wie NanoDLP konfiguriert wird ist hier wirklich gut erläutert.

Der D7 wird über einen RPi 3 (rechts im Bild) mit NanoDLP im Stand-alone-Betrieb genutzt.

Vor und nach jedem Druck ist eine obligatorische Reinigung von Harzwanne und Druckplatte mit Spiritus oder Isopropanol notwendig, um Staub, Schmutz oder Harz-Rückstände zu entfernen.

Um mein Welrod MKII-Modellbauprojekt voranzutreiben, habe ich mir als Druckobjekt ein konstruiertes Welrod-Kleinteil (Fanghebel) ausgewählt, welches ich später evtl. als Zink-Gußteil herstellen möchte. Für diesen Herstellungsprozess wird zunächst ein genaues Ur-Modell gebraucht – genau dafür ist das Druckverfahren des D7 prädestiniert.

Da beim diesem Druckverfahren durch die Bewegungen der Druckplattform in dem zähflüssigen Resin enorme Kräfte am Bauteil entstehen, ist die richtige Bauteilausrichtung und das Anlegen einer zuverlässigen und richtig positionierten Support-Struktur für den Druckerfolg entscheidend. In diesem Artikel ist das sehr gut erläutert.

Ich nutze für das Ausrichten des Modells und das Anlegen des Supports die kostenlose Software B9C .

Die Bauteilausrichtung und der Support wird in der B9C-Software vorgenommen.

Nach den Vorbereiteten Arbeiten in B9C erstellte ich in NanoDLP eine Plate, füllte die Harzwanne des Druckers mit Wanhao Resin Orange und startet den Druck mit einer Layerhöhe von 35 Mü (35 Micron).

NanoDLP: Positionieren des STL-Files auf der Druckplatte.

Einfüllen des Resins in die Harzwanne.

Nach gut 2,5 Stunden war das kleine Teil fertig und sah im Verlgeich zu einem Teil, welches ich mit einem FDM-Drucker aus ABS hergestellt habe, wirklich erheblich sauberer und präziser aus.

Das gedruckte Bauteil sitzt sicher auf der Druckplatte. Nach dem Druck wird das Teil in Isopropanol gereinigt, bevor es unter UV-Licht ausgehärtet wird.

Frisch gedruckt. Das Bauteil nach der Reinigung. Nun wird die Supportstruktur entfernt und das Teil anschließend ausgehärtet. Zu beachten: Die glatte Bauteil-Oberfläche.

Ohne sichtbare Layerstruktur: 35 Mü sind mit dem Auge nicht zu erkennen…

 

Im Vergleich: FDM-Druck (oben)  und STL-Ausdruck mit dem Wanhao D7 unten. Die Druckqualität des D7 überzeugt wirklich.

Nun werde ich zum aushärten von Resin-Druckteilen eine einfache Härtekammer bauen, in der ich eine 25W UV-Lampe nutzen werde.

Soweit aus der Bastelkammer

Horrido und stay tuned.