Апгрейд 3D‑принтера: установка двойного Bowden‑экструдера

TL;DR

Двойной Bowden‑экструдер даёт возможность печатать двумя филаментами через один сопловой выход — например, две расцветки или сочетание пластика и растворимого материала. Апгрейд требует механической установки второй шпули и экструдера, дополнительного шага‑мотора и совместимого хотэнда смешанного типа, обновления платы управления, правок прошивки и настроек слайсера. В статье — пошаговое руководство, проверки, чек‑листы и советы по калибровке и отладке.

Экструдер — один из ключевых узлов 3D‑принтера. Он отвечает за подачу филамента в хотэнд и напрямую влияет на качество и сложность печати. Идея двойного экструдера — дать принтеру возможность работать с двумя филаментами и печатать объекты с двумя цветовыми схемами или с комбинированными материалами.

Как работают экструдера в 3D‑печати

Экструдер состоит из двух логических частей:

• Холодная часть (cold end): шаговый двигатель, шестерни, пружинный нажимной ролик, направляющая PTFE‑трубка, которая ведёт филамент к хотэнду.
• Горячая часть (hot end): область, где филамент плавится и выходит из сопла.

В системе Bowden филамент подаётся по трубке из холодной части к хотэнду. Это снижает массу на каретке, повышая скорость и динамику движения, но усложняет передачу гибких филаментов.

Короткое определение: Bowden — конфигурация, где привод экструдера статично закреплён, а филамент идёт к хотэнду по трубке.

Зачем нужен смешанный 2‑в‑1 хотэнд

Смешанный (mixing) 2‑в‑1 хотэнд принимает два филамента и подаёт их в одну печатающую головку. В зависимости от соотношения подачи получается переход цвета, смешивание или — при должной настройке — печать с поддержкой растворимого материала. Такой хотэнд упрощает печать сложных двуцветных деталей без установки двух сопел.

Image Credit: BIQU

Что потребуется для апгрейда

• Спойл‑холдер для второй катушки.
• Дополнительный шаговый мотор и драйвер шагового мотора (если на плате есть свободный слот для драйвера).
• Экструдер, аналогичный первичному, чтобы обеспечить одинаковые e‑steps в прошивке.
• Смешанный хотэнд 2‑в‑1 (например, BIGTREETECH Mixed Color 2 In 1 Out kit) с термистором, кулером и PTFE‑трубкой.
• Контроллер с поддержкой 5 шаговых драйверов (например, BIGTREETECH SKR Pro v1.2 или любая плата с необходимым числом слотов).

Общая последовательность работ

1. Подготовка механики: монтаж второй катушки и экструдера.
2. Электроника: установка драйвера/подключение дополнительного шагового мотора к плате.
3. Прошивка: включение режима смешивания и настройка параметров экструдера в Marlin.
4. Слайсер: добавление второго экструдера в настройках принтера и корректная конфигурация экструдеров.
5. Калибровка и тесты: e‑steps, PID, ретракты, тестовые модели.

Аппаратные модификации

Установка спул‑холдера

Варианты: напечатать держатель по размерам рамы принтера (Thingiverse и подобные каталоги) либо купить универсальный держатель. Зафиксируйте его так, чтобы катушки располагались стабильно и ролики/направляющие филамента имели минимальное сопротивление. Полезный приём — расположить катушки зеркально и параллельно, чтобы филаменты шли симметрично и не путались.

Экструдер и шаговый мотор

Экструдер соединяется с шаговым мотором и крепится на раму с помощью монтажного кронштейна. Желательно, чтобы сборка второго экструдера повторяла штатный по конструкции — это упрощает настройку e‑steps и уменьшает риск несовместимости подачи.

Image Credit: KerseyFabrications/Thingiverse.com

Установка хотэнда

Снимите штатный хотэнд и установите смешанный 2‑в‑1. Крепёжные детали обычно доступны в комплекте или в виде STL‑моделей для печати. Подключите кулер к разъёму вентилятора, термистор — к плате, а PTFE‑трубки — к экструдеру и хотэнду.

Важно: сохраняйте оригинальные пути и не натягивайте провода и трубки.

Электронные модификации

Если на вашей плате не хватает драйверов, замените контроллер на модель с подходящим количеством слотов. При установке BIGTREETECH SKR Pro v1.2 подключите шаговый мотор второго экструдера в свободный разъём для шагового мотора. Убедитесь в правильной ориентации разъёмов и заземлении перед подачей питания.

Image Credit: BIQU

Советы по проводке

• Маркируйте провода при отсоединении.
• Держите термисторный провод отдельно от высокочувствительных линий шагового мотора.
• Используйте термоусадку и стяжки, чтобы предотвратить перетирание.

Изменения в прошивке (Marlin)

Marlin — наиболее совместимая прошивка с широким набором плат. Внесите правки в configuration.h (откройте в Visual Studio Code или другом редакторе). Ниже приведены основные директивы, которые нужно проверить и изменить по ситуации:

#define MIXING_EXTRUDER  // Раскомментировать, чтобы включить режим смешивания
#define MIXING_STEPPERS 2 // Установить в 2, если два экструдера
#define GRADIENT_MIX     // Раскомментировать при необходимости градиентного смешивания
//#define E1_DRIVER_TYPE   // Раскомментировать и установить тип драйвера, если нужно

Проверьте направления моторов:

#define INVERT_E0_DIR true
#define INVERT_E1_DIR true

Проверьте токи и микрошаги драйверов:

#define E0_CURRENT
#define E0_MICROSTEPS
#define E1_CURRENT
#define E1_MICROSTEPS

После изменения прошивки выполните PID‑автотюнинг для нового хотэнда. В Marlin это можно сделать через консоль отправкой команды M303 (например, M303 E0 S200 C8), либо использовать меню LCD при наличии графического интерфейса. Команда и синтаксис могут отличаться — сверяйтесь с документацией вашей прошивки.

Важно: перед прошивкой сохраните резервную копию оригинальных файлов конфигурации.

Настройки слайсера (Cura)

Мы используем Cura как пример. Подход аналогичен в других слайсерах:

1. Settings → Printers → Add a printer.
2. В Machine settings укажите размеры стола и количество экструдеров = 2.
3. Настройте каждый экструдер: диаметр филамента, температурные профили, ретракты и смещение по оси (если применимо).
4. Импортируйте модель с двумя материалами или подготовьте модель с двумя материалами в редакторе.

Калибровка и проверка

1. Калибруйте e‑steps (шага мотора экструдера): отмерьте и пометьте филамент, подайте команду на экструзию (например, 100 мм), измерьте фактическую подачу и пересчитайте значение e‑steps по формуле: новыеsteps = текущие_steps × (заданноемм / фактическиэкструдированомм).
2. Проведите PID‑автотюн для хотэнда.
3. Отрегулируйте ретракты и скорость печати для новых условий подачи.
4. Распечатайте тестовую модель на двух цветах и проверьте отсутствие засоров, подтёков и следов смешивания там, где это нежелательно.

Типичные проблемы и как их решать

• Подтя́гивание и засоры при смене филамента: снизьте ретракт, увеличьте скорость подачи или используйте более короткие PTFE‑трубки.
• Неровная подача гибких филаментов: лучше использовать direct‑drive вместо Bowden или специальный механизм подавления проскальзывания.
• Перекосы в смешивании цвета: проверьте баланс подачи на шаговом моторе и калибруйте соотношение подачи материалов.

Когда апгрейд не оправдан

• Если вы печатаете только одним цветом и не нуждаетесь в растворимых опорах — сложность апгрейда может не стоить результата.
• При частом использовании гибких филаментов (TPU) Bowden‑схема может вызвать проблемы; в таких случаях предпочтительнее direct‑drive.

Альтернативные подходы

• Два сопла (dual‑nozzle): физически два независимых хотэнда. Плюс — лучшее разделение материалов. Минус — калибровка смещения сопел и риск ударов.
• Механизмы смены филамента (filament swap): пауза печати и ручная/автоматическая смена филамента. Простая опция для одноцветных принтеров.
• Палитра и сменщики филамента (Palette): аппаратно формируют нужную последовательность цветов в одном филаментном потоке.

Методика быстрого тестирования (mini‑methodology)

1. Соберите механически узел и подключите электронику.
2. Прошейте плату с базовыми изменениями.
3. Запустите тест e‑steps и PID.
4. Распечатайте 20‑минутный тест для проверки подачи и смешивания.

Чек‑лист перед первым запуском

• Надёжно закреплены катушки и PTFE‑трубки.
• Подключены и настроены все шаговые драйверы.
• Прошивка содержит MIXING_EXTRUDER и MIXING_STEPPERS=2.
• Выполнен PID‑автотюн для хотэнда.
• Проверены e‑steps для каждого экструдера.
• Слайсер настроен на 2 экструдера и экспорт корректного G‑кода.

Критерии приёмки

• Принтер успешно печатает тестовую двухцветную модель без механических конфликтов.
• Соотношение цветов соответствует ожидаемому на тесте (без резких артефактов смешивания).
• Нет перегрева драйверов и системных сбоев в течение тестовой печати 30–60 минут.

Тестовые сценарии

• Базовый: напечатать куб 20×20×20 мм сменой цвета на половине высоты.
• Смешивание: напечатать вертикальную колонну с градиентом, чтобы оценить способность хотэнда смешивать материалы.
• Нагрузка: печать детали средней площади в течение 1 часа для проверки стабильности температуры и подачи.

Риск‑матрица и смягчение рисков

• Электрические ошибки (неправильная полярность/распайка): всегда отключайте питание и проверяйте распиновку перед подключением.
• Перегрев драйверов: используйте кулеры и назначьте корректные токи драйверов.
• Механические заедания: проверьте выравнивание направляющих и длину PTFE‑трубок.

Советы по безопасности

• Работайте при обесточенном принтере.
• Не прикасайтесь к соплу во время нагрева.
• Убедитесь в надёжной изоляции проводки.

Совместимость и миграция

• Перед покупкой хотэнда и платы проверьте, поддерживает ли ваша прошивка MIXING_EXTRUDER.
• Некоторые старые платформа не поддерживают более 4 драйверов без аппаратных модификаций.
• Проверьте размеры креплений хотэнда под вашу каретку; возможно, придётся напечатать адаптеры.

Когда всё настроено: финальная проверка

1. Проверьте направление вращения обоих экструдентов и синхронизацию подачи.
2. Запустите PID‑автотюн для целевых температур каждого материала.
3. Распечатайте контрольную модель и проверьте поверхность, межслойное сцепление и деления цвета.

Короткие заметки по прошивке и G‑code

• M303 — команда PID‑автотюна в Marlin (синтаксис зависит от версии прошивки).
• При использовании смешанного хотэнда учитывайте, что соотношение подачи задаётся со стороны прошивки/слайсера и может потребовать калибровки.

Заключение

Апгрейд на двойной Bowden‑экструдер даёт гибкость в печати двух материалов через одно сопло и открывает новые возможности для комбинированных деталей и декоративных элементов. Работы требуют среднего уровня навыков в механике, электрике и прошивке, но этапность и методичность снижают риски и ускоряют достижение работоспособной конфигурации.

Важно: если основной поток ваших проектов — гибкие филаменты или вы хотите полностью независимое управление двух материалов, рассмотрите direct‑drive или независимые сопла.

Резюме

• Двойной Bowden‑экструдер позволяет печатать двумя филаментами через один хотэнд.
• Понадобятся: вторая катушка, шаговый мотор и экструдер, смешанный хотэнд, плата с дополнительным драйвером.
• Обязательные шаги: механическая установка, обновление электроники, правки прошивки, настройка слайсера и тщательная калибровка.

Важно: перед началом работ сохраните резервные копии конфигурации прошивки и заранее проверьте совместимость компонентов.