Апгрейд на двойной экструдер для 3D‑принтера

Введение

Экструдер — один из ключевых узлов 3D‑принтера, от него напрямую зависит качество, надёжность и сложность печати. Концепция двойного экструдера позволяет использовать два филамента одновременно: разные цвета, материалы или функциональные композитные сочетания. Перед тем как перейти к апгрейду, кратко разберём принципы работы экструдера.

Как работают экструдеры для 3D‑печати

Экструдер обычно делится на две части:

• Холодный конец: шаговый двигатель, редуктор (при есть), пружинный прижимной ролик (idler) для фиксации филамента и PTFE‑трубка для подачи филамента в хотенд.
• Горячий конец: узел, где материал расплавляется и выходит через сопло. В Bowden‑системе филамент подаётся по трубе прямо к трубке теплоразрыва (heat break) через радиатор.

Краткое определение: Bowden — геометрия, где двигатель экструдера закреплён отдельно от хотенда и подаёт филамент по трубке; Direct drive — двигатель установлен в непосредственной близости к хотенду.

Основная идея апгрейда в этой статье — добавить второй мотор и смешивающий 2‑in‑1‑out хотенд, что позволит комбинировать два филамента в одном сопле.

Что нужно для апгрейда

Необходимые компоненты:

• Spool holder: дополнительный держатель катушки для второго филамента. Можно напечатать под конкретную раму или купить универсальный.
• Stepper motor: второй шаговый мотор для подачи филамента. Нужен также драйвер шагового мотора на плате управления.
• Extruder: собираемый узел, аналогичный первичному (рекомендуется одинаковая механика и e‑steps в прошивке).
• Hot End: в примере используется BIGTREETECH Mixed Color 2 in 1 Out Hotend. В комплекте обычно термистор, вентилятор и PTFE‑трубка.

Image Credit:

BIQU

• Control Board: плата управления должна иметь пять слотов для драйверов шаговых двигателей или возможность добавить внешний драйвер. В статье используется BIGTREETECH SKR Pro v1.2, но подойдёт любая плата с нужным числом драйверов.

Общий план работ

Апгрейд охватывает четыре области: механика, электрика, прошивка и настройка слайсера. Ниже подробные шаги и советы.

Аппаратные модификации

Держатель катушки

Дополнительный держатель можно напечатать или купить. Монтируется на раму с помощью кронштейна или болтов. Рекомендация: расположите обе катушки параллельно и зеркально, чтобы снизить трение и переплетение филаментов.

Важно: убедитесь, что оси вращения катушек свободны и филамент легко идёт в PTFE‑трубку.

Экструдер и шаговый мотор

Экструдер монтируется на шаговый двигатель и крепится на раме с помощью монтажного кронштейна. На Thingiverse и в сообществах есть готовые макеты кронштейнов для популярных рам. Совет: используйте ту же передачу (gear ratio) и диаметр роликов, что и на штатном экструдере — это упростит калибровку e‑steps.

Image Credit: KerseyFabrications/Thingiverse.com

Хотенд

Стандартный хотенд заменяется на 2‑in‑1‑out. Монтаж включает:

• Установка кронштейна хотенда (скачать под свою раму).
• Крепление вентилятора охлаждения.
• Подключение термистора к плате.
• Подсоединение PTFE‑трубок от каждого экструдера к входам хотенда.

Совет: проверьте герметичность и плавность подачи внутри смешивающего канала, чтобы избежать блокировок.

Электрические модификации

Плата управления

Если у вашей платы 4 драйвера, замените её на плату с 5 драйверами, например SKR Pro v1.2, или добавьте внешний драйвер (внимательно проверьте совместимость логики). Подключите второй шаговый мотор к пятому слоту.

Важно: отключите питание при подключении/перепайке проводов, используйте маркировку проводов, соблюдайте полярность и рекомендованные сечения кабелей.

Image Credit:

BIQU

Модификация прошивки

Рекомендуемая прошивка — Marlin; она поддерживает Mixing Extruder. Откройте configuration.h и внесите изменения такими шагами:

• Включить смешивающий экструдер и указать число моторов.
• Включить градиентное смешивание, если требуется.
• Указать тип драйверов и направление моторов.
• Настроить токи и микрошаги для каждого экструдера.

Пример минимального набора изменений (уберите обратные кавычки, приведённые строки нужно раскомментировать и отредактировать под своё железо):

#define MIXING_EXTRUDER
#define MIXING_STEPPERS 2
#define GRADIENT_MIX
// Укажите тип каждого драйвера, например:
#define E1_DRIVER_TYPE TMC2209

// Проверка направлений (установите true/false в зависимости от фактического направления)
#define INVERT_E0_DIR false
#define INVERT_E1_DIR false

// Токи и микрошаги — задайте согласно спецификации драйверов и моторов
#define E0_CURRENT 800 // в мА, пример
#define E0_MICROSTEPS 16
#define E1_CURRENT 800
#define E1_MICROSTEPS 16

Важно: значения E0_CURRENT/E1_CURRENT и MICR OSTEPS — примеры. Используйте инструкции производителей двигателей и драйверов. Неправильно выставленный ток может привести к перегреву или пропускам шагов.

После загрузки прошивки выполните PID autotune для нового хотенда (при подключении и проверке термистора):

• Выполните команду PID autotune из консоли или через меню LCD.
• Установите целевую температуру и количество циклов (например, 200°C и 5–10 циклов для PLA/ABS в зависимости от материала).
• Сохраните параметры в EEPROM (M500) и проверьте стабильность температуры.

Настройка слайсера

В примере используется Cura, но подход приложим и к другим программам. Шаги в Cura:

1. Настройки → Принтер → Добавить принтер.
2. В Machine settings введите размеры рабочей области и количество экструдера — 2.
3. Настройте параметры каждого экструдера: диаметр нити, начальный оффсет сопла (если требуется), температура и retraction отдельно для каждого канала.
4. Для печати двухцветных моделей импортируйте STL с поддержкой двух материалов (многоматериальные модели) или используйте режимы сдвига/замены материалов.

Совет: протестируйте сначала простые модели (двухцветный куб 20×20×20) для проверки смещения и калибровки.

Критерии приёмки

• Оба экструдера подают филамент без пробуксовок при рабочей скорости.
• Температура хотенда удерживается в пределах ±2°C от заданной после PID‑настройки.
• Печать тестовой модели с двумя цветами не имеет видимых полос смешения там, где не требуется, и смещения слоёв ≤ 0.1 мм.
• Подключение электроники безопасно: отсутствуют перегревы драйверов, видимые искры или запах гари.

План проверки и тесткейсы

• Тест 1: Проверка подачи филамента вручную при выключенном нагреве. Убедиться, что ролики прижимают и филамент катится.
• Тест 2: PID autotune и удержание температуры на 200°C (PLA) в течение 10 минут.
• Тест 3: Печать двухцветного куба, проверка смещения и границ цвета.
• Тест 4: Печать сложной модели с переходом материалов, оценка наложения и артефактов.

Руководство по откату и аварийному восстановлению

Если после апгрейда принтер нестабилен, выполните последовательность:

1. Отключите питание и верните физические подключения к исходному состоянию (удалите второй мотор и хотенд).
2. Загрузите рабочую прошивку, сохранённую до модификации.
3. Проверьте базовую функциональность одиночного экструдера и движение осей.
4. Поэтапно повторяйте апгрейд: сначала механика, затем электроника, затем прошивка, проверяя каждый шаг.

Важно: всегда сохраняйте резервную копию рабочей конфигурации прошивки и конфигурации платы.

Типичные проблемы и способы устранения

• Проблема: второй экструдер не тянет филамент.
  • Проверить направление движения мотора, ток драйвера, прижим ролика.
• Проблема: засорение смешивающего канала.
  • Прогнать чистящую нить, снизить температуру и прочистить сопло вручную.
• Проблема: расхождение цветов/смещение слоёв.
  • Настроить сопловые оффсеты в слайсере, проверить механическую жёсткость кронштейна.
• Проблема: перегрев драйверов.
  • Увеличить обдув платы, снизить ток драйвера, убедиться в адекватном тепловом радиаторе.

Руководство действий роль‑задача (чек‑листы)

Роль: Механик

• Подготовка кронштейнов и держателей.
• Установка второго экструдера и хотенда.
• Проверка выравнивания и фиксации PTFE‑трубок.

Роль: Электрик

• Подключение второго мотора и привязка проводов.
• Проверка сопротивления обмоток, защита проводки, маркировка.

Роль: Инженер прошивки

• Модификация configuration.h и platformio.ini при необходимости.
• Выполнение PID autotune и установка токов мотору.

Роль: Оператор печати

• Обновление настроек в слайсере и тестовая печать.
• Оценка качества и ведение журнала изменений.

Мини‑методология апгрейда (пошаговый SOP)

1. Подготовка: запаситесь инструментами, скачайте схему платы, сделайте бэкап прошивки.
2. Механика: установите кронштейны, экструдер и хотенд, подключите PTFE‑трубки.
3. Электрика: установите плату/драйвер, подключите мотор, при необходимости прошейте конфигурацию CAN/Serial.
4. Прошивка: отредактируйте Marlin, включите MIXING_EXTRUDER и E1 драйвер.
5. Калибровка: PID autotune, настройка e‑steps для каждого экструдера.
6. Слайсер: добавьте принтер, настройте параметры экструдера.
7. Тестирование: печать тестов, корректировки.
8. Документация: зафиксируйте настройки, схемы и версию прошивки.

Модель принятия решений (Mermaid)

flowchart TD
  A[Начать апгрейд?] --> B{Плата поддерживает 5 драйверов?}
  B -- Да --> C[Купить 2‑in‑1 хотенд и мотор]
  B -- Нет --> D{Можно ли купить новую плату?}
  D -- Да --> C
  D -- Нет --> E[Добавить внешний драйвер или отказаться]
  C --> F[Установить механику]
  F --> G[Подключить электронику]
  G --> H[Изменить прошивку]
  H --> I[Калибровка и тест]
  I --> J{Проходят тесты?}
  J -- Да --> K[Эксплуатация]
  J -- Нет --> L[Откат и анализ]

Короткий глоссарий (1‑строчные определения)

• Bowden — схема подачи филамента по трубе от удалённого двигателя.
• Mixing Hotend — хотенд с двумя входами и одним выходом, смешивающий потоки.
• PID autotune — процедура автонастройки параметров ПИД‑регулятора температуры.
• e‑steps — число шагов мотора на мм подачи филамента.

Итог

Апгрейд до двойного экструдера с Bowden‑подачей и смешивающим хотендом — серьёзный, но реализуемый проект для пользователей со средним уровнем опыта. Он открывает дополнительные возможности печати: двухцветные детали, комбинирование материалов и функциональные вставки. Ключевые моменты — правильная механическая интеграция, корректная электроподключение, аккуратная настройка прошивки и последовательное тестирование.

Важно: действуйте по шагам, делайте резервные копии конфигураций и проверяйте каждое изменение отдельно.

Краткий чек‑лист перед запуском:

• Вся механика зафиксирована и выровнена.
• Электрожгуты подключены корректно, питание отключено при монтаже.
• Прошивка настроена и загружена.
• PID autotune пройден и сохранён.
• Тестовая печать прошла успешно.

Спасибо, что прошли руководством. Удачи с апгрейдом и качественной двухцветной печатью!