Onderdelen van de J-Head: holle moer, teflonbuisje voor in de houder, NTC, hot end en houder, verwarmingselement

RepRapWorld is een Nederlandse webwinkel die op eBay actief is. De winkel verkoopt onderdelen, kits en filament bedoeld voor 3D printen. Afgezien van de naam heeft de RepRapWorld winkel op eBay geen zichtbare overeenkomsten met de webwinkel RepRapWorld.com, die overigens een vergelijkbaar assortiment heeft. RepRapWorld op eBay heeft vier verschillende J-Heads in de verkoop, bedoeld voor 1,75 mm en 3 mm filament en met 0,35 of 0,5 mm diameter spuitgietopening. De geteste J-Head heeft een "native" 1,75 mm hot end: de boring van het smeltblok is ongeveer 2 mm. Dit betekent dat er geen PTFE buisje in de hot end geplaatst hoeft te worden. De diameter van de spuitgietopening is 0,35 mm.

Messing J-Head hot end versie 4 met verwarmingselement en NTC, houder versie 5 (eBay RepRapWorld)

De geteste J-Head bestaat volgens opgave van RepRapWorld uit een hot end versie 4 en een houder versie 5. Er is hier expliciet bij aangegeven, dat er niet van het ontwerp is afgeweken. Het valt echter op dat de houder van RepRapWorld geen ventilatiegaten heeft: deze zitten wel in het ontwerp. De houder is voor een teflon rietje met een binnendiameter van 1,8 mm uitgeboord. De holle moer heeft niet de juiste binnendiameter en er moet nog een M3 sluitring gebruikt worden om de diameter te verkleinen. De messing hot end heeft niet de voorgeschreven 3,5 mm diameter voor de doorvoer van filament, maar 2 mm, geschikt voor 1,75 mm filament.

De J-Head wordt geleverd met een verwarmingselement. Deze laatste past niet direct, maar moet met een vijl passend worden gemaakt. Met wat siliconenpasta blijft het verwarmingselement op zijn plaats. De meegeleverde NTC is van het type B57560G104F.

De eerste test bestaat uit het handmatig doorvoeren van 1,75 mm ABS bij een temperatuur van 220 °C. Het filament gaat slechts moeizaam, ik meet een maximale handmatige doorvoer van 30 mm per minuut. Het verhogen van de temperatuur heeft hier geen merkbare invloed meer op.

Voor de volgende test heb ik de hot end van de J-Head ingepakt in isolatiemateriaal, vastgeplakt met kapton tape. Op deze manier heeft de hot end veel minder warmte-uitstraling op de al geëxtraheerde kunststof. Voor de aandrijving zorgt een NEMA-14 stappenmotor, gekoppeld aan een EZstruder. De softwareinstellingen zijn 225 °C met een maximale doorvoer van 60 mm per minuut. Het proefobject is een carabijnhaak van 19 laagjes. Het printen op de verwarmde plaat gaat uitstekend, hoewel het kunststof wat aandoet alsof de temperatuur nog wel iets hoger had gekund. Het valt op dat de stappenmotor erg heet wordt. Halverwege de test stopt de uitvoer, maar de EZstruder blijft wel invoeren. Er vormt zich een krul van filament tussen EZstruder en J-Head: door de warmte van de stappenmotor is het filament zo zacht geworden dat het boven de J-Head al is gaan vervormen.

Hadron met 1,75 mm ABS "Snow White"

Voor de derde test heb ik de stroom naar de stappenmotor proefondervindelijk verlaagd totdat de stappenmotor bij het doorvoeren van 30 mm/min en 225 °C nét niet meer 'bokt'. De softwareinstalleingen zijn nu 225 °C met een maximale doorvoer van 30 mm per minuut. Het proefobject is een deksel. Het printen gaat nu zonder problemen, maar het geprinte voorwerp maakt ook nu de indruk alsof de extrusietemperatuur iets hoger had gekund. Het printen van het deksel nam ongeveer 90 minuten in beslag. Tijdens het printen bleef de temperatuur van de stappenmotor steken op ongeveer 70 °C.

1,75 mm ABS filament, 225 graden C

Leerpunten

• De bovenkant van het smeltblok van de J-Head heeft een temperatuur die hoog genoeg is om het ABS te laten plakken of smelten. De doorvoer wordt hierdoor vermoeilijkt;
• Een te hoge stroom door de stappenmotoren maakt het ABS ter hoogte van de stappenmotor zacht. De hoge stroom is voor een deel te voorkomen door de stroombegrenzing van de besturing in te stellen, maar wordt vooral veroorzaakt door te hoge doorvoersnelheden;
• Een laagdikte van 0,25 mm levert prima resultaten op;
• De EZstruder is werkelijk ongelofelijk sterk: de stappenmotor zal het eerder opgeven dan de grip van de EZstruder op het ABS. Dit betekent dat de stappenmotor het zwaar zal hebben.

Ik schijn één van de weinigen in de wereld te zijn die veel problemen heeft met de extruder van zijn 3D-printer (not). Nou ben ik ook één van de weinigen die print met ABS en niet met PLA. Een extruder is het productiedeel van de 3D-printer dat zorg draagt voor de aanvoer en het smelten van de kunststof, bij voorkeur in de juiste hoeveelheden op het gevraagde moment. In de basis is een extruder niet ingewikkeld: een verwarmingsblok-met-spuitmondje en een motor-met-tandwiel, dat is het wel. In de details kan echter veel misgaan. En wat hierbij niet helpt, is dat de 3D-printwereld sterk leunt op "Open Source", alle ontwerpen zijn openbaar. Dat leidt ertoe dat er veel kleine toeleveranciers zich op de verkoop van onderdelen hebben gestort, kleine webwinkels die niet altijd het verschil weten tussen een J-Head voor 3 mm of een J-Head voor 1,75 mm filament. Of tussen ABS en PLA. Of tussen een NTC van type A of een NTC van type B.

Kortom, ik heb op dit moment een probleem om mijn J-Head betrouwbaar te laten werken met mijn Hadron.

De J-Head is een ontwerp van Brian Ryfsnyder, een Amerikaanse softwareontwikkelaar met een fijnmechanische thuiswerkplaats en -webwinkel. Op het ontwerp van Brian zijn door diverse mensen verbeteringen aangebracht en er bestaan tientallen subtiel verschillende versies. De J-Heads zijn met verschillende diameter spuitgietmondjes (0,5; 0,35 en 0,25 mm bijvoorbeeld) en voor twee diameters filament (3 en 1,75 mm) uit te rusten. Verder zijn er allerlei verschillende verwarmingselementen en temperatuursensoren te gebruiken en uiteraard zijn er verschillende manieren om het filament te transporteren.

Ik heb ondertussen twee verschillende J-Heads in mijn bezit, van GB_Reprap en RepRapWorld. Beide zouden zijn bedoeld voor 1,75 mm filament en beide hebben ze een 0,35 mm spuitmondje. Het probleem met de ene is, dat er een grote ruimte voor het spuitmondje zit, waar een klomp ABS gaat ophopen. Het probleem met de andere is, dat de verschillende onderdelen niet bij elkaar lijken te passen. Ik ben niet de enige die hier tegen aanloopt.

In de foto's hierboven heeft J-Head B (rechts) een veel te grote diameter in het smeltblok, waardoor het filament er na afkoeling niet meer uit kan en er hiernaast een vertraging optreedt tussen doorvoer van het filament en de uitvoer via het spuitmondje. J-Head B is dan ook voor 3 mm filament bedoeld en werd met een niet-passende conversiekit geleverd. J-Head A (links) heeft mogelijk een te krappe doorvoer: zelfs bij 250 graden C is het bijna niet mogelijk om het 1,75 mm filament met de hand door te voeren. Klapperende stappenmotoren en oververhitte stuurelektronica tot gevolg.

Overigens, het ABS dat ik gebruik wordt geproduceerd door een Chinees bedrijf, Chi Mei Corporation. Het ABS is van het type PA-757. Ik koop het normaal bij RepRapWorld. Volgens de specificaties wordt de vloeibaarheid uitgedrukt in g/10 min bij een bepaalde temperatuur en druk. PA-757 heeft een vloeibaarheid van 1,8 g/10 min bij 200 °C en 5 kg druk. Er zijn ABS varianten met een vloeibaarheid van tegen de 10 g/10 min bij dezelfde omstandigheden, iets om later eens in te duiken.

Ik lees de volgende quote, "While printing ABS, if the nozzle clogs due to crystalized filament the temperature is most likely too high.". Dat kan natuurlijk best in mijn geval zo zijn.

J-Head van RepRapWorld (hot end mark IV, houder mark V)

De J-Head van RepRapWorld (A) miste uiteindelijk alleen een M3 waaier om het PTFE buisje mee vast te zetten. De boring in het messing smeltblok lijkt wat krap voor 1,75 mm, maar het filament gaat er toch soepeltjes in, tot een fractie van een millimeter voor de 0,35 mm uitgang van het spuitmondje.

Ik heb een proefopstelling gemaakt met de J-Head van RepRapWorld, waarbij ik handmatig het filament door het smeltblok kan voeren. Bij een ingestelde temperatuur van 220 °C smelt de ABS al bij het invoeren. Bij gebrek aan een krachtmeter doe ik een inschatting: ik moet met ongeveer met 5 kilogram duwen om ongeveer een halve tot een hele millimeter filament per seconde in te voeren. Ik heb deze proef met vijf verschillende kleuren ABS herhaald en drie verschillende temperaturen. Een aantal keer met een kleine inbussleutel het smeltkanaal vrijgemaakt.

Ter vergelijking: de 0,35 mm extruder van QU-BD heeft aan een halve kilo genoeg om centimeters per seconde door te voeren (zo lang hij niet vastloopt).

Conclusie: het smeltblok-met-spuitmondje van de J-Head van RepRapWorld dat bedoeld is voor 1,75 mm filament en een uitvoer met een diameter van 0,35 mm heeft, heeft een grote kracht nodig om ABS door te voeren, veel groter dan de QU-BD set. Dit maakt dat er grote stromen naar de stappenmotor nodig zijn, met als gevolg lage doorvoersnelheden en/of een grote kans op falende (of tijdelijk uitschakelende) elektronica. Dit kan verschillende oorzaken hebben, waaronder een te kleine diameter spuitmond of een te ruw afgewerkt smeltkanaal aan de binnenkant van het smeltblok. Maar betrouwbaar werken gaat het met mijn Sanguinololu niet.

J-Head van GB_Reprap (hot end mark ??, houder mark ??)

De J-Head van GB_Reprap (B) is bedoeld voor het gebruik met 3 mm filament, in plaats van de door mij gebruikte 1,75 mm. Volgens GB_Reprap volstaat het, om een geschikt teflon buisje te gebruiken om de 1,75 mm filament door te voeren. De benodigde onderdelen werden echter niet meegeleverd en het gebruik voor 1,75 mm filament zonder een speciaal teflon buisje vanaf het spuitmondje tot bovenin de houder werkt niet goed en zorgt ervoor dat je het filament niet kunt verwisselen zonder de hele J-head te demonteren.

De J-Head smeltinrichting van mijn nieuwe extruder-combinatie deed het in eerste instantie niet zo heel goed: de eerste proefprint zag eruit alsof de temperatuur te laag was. De ingestelde temperatuur was 230° C, wat ruim voldoende moet zijn om het filament gemakkelijk te kunnen smelten. Ik twijfelde daarom aan de feitelijke temperatuur. En een testje bij een ingestelde 100° C, waarbij water hoort te koken en natte-vingers-op-hete-extruders horen te sissen bleek mijn vermoedens te bevestigen: de temperatuur was lager dan ingesteld, mijn natte vinger siste niet. Pas bij een ingestelde temperatuur van 110° C sisde de natte vinger. Tenminste 10 graden lager dan ingesteld. Dat betekende zoeken waar de fout zat: een andere temperatuurcurve van de NTC, temperatuurverlies of nog iets anders. De beide NTC's gaven bij kamertemperatuur wel ongeveer dezelfde temperatuur aan. Ik verdacht daarom de temperatuurcurve van de NTC.

De J-Head is gemaakt van een aluminium smeltblok, een PEEK isolator en (aan de binnenkant) een PTFE buisje. Het materiaal PEEK is goed bestand tegen thermische degradatie, heeft uitstekende mechanische eigenschappen en heeft een smelttemperatuur van 343° C. PTFE staat vooral bekend om zijn zelfsmerende eigenschappen (teflon) en heeft een smelttemperatuur van 327° C.

Het filament van ABS heeft geen smeltpunt maar begint vanaf 80° C zachter te worden. Afhankelijk van de samenstelling (waaronder de kleur) worden andere smeltpunten voor de 3D printer aangehouden die tussen de 220° C en 260° C liggen. Proefondervindelijk (langzaam) de temperatuur verhogen tot het ABS goed smelt is dus een optie, maar meten is weten.

Onderstaande tabel geeft bij verschillende voor de extruder ingestelde temperaturen aan, wat gemeten temperatuur aan de onderzijde van het smeltblok is:

Het zal op basis van de meetresultaten duidelijk zijn, waarom het filament bij een ingestelde temperatuur van 230° C de indruk geeft met een te lage temperatuur te zijn verwerkt: de werkelijke temperatuur ligt dan nog ruim beneden de 200° C! Het is positief opmerkelijk dat de EZStruder het filament nog heeft kunnen doorvoeren.

De gebruikte temperatuursensor is van het NTC type: een warmtegevoelige weerstand waarvan de weerstand minder wordt naarmate de temperatuur stijgt. De relatie tussen weerstand en temperatuur is echter niet lineair en de verschillende types NTC hebben allemaal eigen curves. De voor de hand liggende verklaring voor de afwijking tussen ingestelde en gemeten temperatuur is, dat er een ander type NTC wordt toegepast dan waar de software rekening mee houdt.

De Repetier firmware heeft voor verschillende types NTC een tabel en het is mogelijk zelf een extra tabel te definiëren. Omdat ik verschillende NTC's in de la had liggen, zijn dit de mogelijke NTC's in de J-Head:

• 100k EPCOS B57560G104F (meegeleverd met J-Head's van GB_Reprap en RepRapWorld)
• 100k QU-BD (meegeleverd met MBE Extruder van QU-BD)
• 100k EPCOS B57560G0107F000 (ingesteld in de Repetier firmware als type 1)

Mijn 3D printer heeft het goed gedaan op de Groningen Mini Maker Faire 2013, maar tijdens de expo liep de extruder wel vaak vast. Het gele ABS filament (Tweety Yellow) gaf geen problemen, maar het groene (Perry Green) en het blauwe (Bic Blue) waren een bron van ergernis.

De nieuwe extruder is een combinatie van een EZStruder en een J-Head mark IV kloon. Over beide hoor ik goede dingen en de problemen van vastlopend filament zouden hiermee uit de wereld moeten zijn. Maarja, dit is natuurlijk wel Makerland en er zal een reden voor zijn dat er wekelijks nieuwe, nu nog betere, versies van de extruders worden bedacht.

Voor de montage van de nieuwe extrudercombinatie is een beugel nodig die ik nog met de oude MBE extruder heb geprint. De nieuwe gemonteerd en de eerste vragen hebben zich al weer aangediend: welk type NTC zou er eigenlijk meegeleverd zijn? En is het PEEK materiaal eigenlijk wel bestand tegen hoge temperaturen?

De eerste carabiner proefprint was maar zo-zo: het filament was nauwelijks met de hand door te voeren en de print zelf was dan ook niet heel netjes. De EZStruder was echter indrukwekkend sterk. De matige kwaliteit van de proefprint is aardig consistent met een nét te lage temperatuur.

• EZStruder Cold End Kit van SeeMeCNC
• J-Head Hot End 0.35mm voor 1.75mm filament van RepRapWorld
• EZStruder/J-Head montagebeugel voor Ord Bot Hadron printer
• ABS filament in alle kleuren van de regenboog vanaf 17 euro per kg