Test RepRapWorld J-Head voor 1,75 mm filament met 0,35 mm spuitgietopening

J-Head kit van RepRapWorld

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.

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

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"

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

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.

Misverstanden over 3D printen

3D printen is de laatste twee jaar helemaal in het nieuws en de innovaties lijken elkaar in een rap tempo op te volgen. De mogelijkheden van stereolithografische productieprocessen, zoals 3D printen, zijn slechts beperkt door ontwerpcreativiteit. Het enthousiasme rondom de berichtgeving is dan ook groot en het nieuws pikt elke vorm van speculatie over nieuwe toepassingen op. En omdat iedereen het nieuws herhaalt, ontstaan er ook misverstanden. Ik heb er een paar verzameld.

  1. 3D printen is iets van de laatste jaren
    Nee, dat is het niet. 3D printen werd al in 1984 door Charles Hull uitgevonden, die er het bedrijf 3D Systems voor oprichtte. 3D printen is de laatste tijd vooral in het nieuws omdat er in de hobbysfeer veel mogelijkheden ontstaan en 3D printen betaalbaar wordt. Professionals maken al veel langer gebruik van 3D printen.
  2. Je kunt met alles 3D printen!
    Nee, dat is niet zo. 3D printen gaat in dunne laagjes, waarbij het nieuwe laagje ondersteund moet worden door het voorgaande laagje. Het gebruikte materiaal moet daarom tijdig uitharden. Maar niet té snel, want anders verstopt de transportleiding van het materiaal. Vervormbaarheid en relatief gewicht zijn hierbij sleutelwoorden. Kunststof wordt veel gebruikt, maar snel stollende etenswaren kunnen ook. Chocola smelt mooi en stolt snel en is daarom uitstekend geschikt om mee te 3D printen. Beton is niet geschikt. Slagroom wel. Lichte klei wel.
  3. Met 3D printen kun je een pistool printen
    Je kunt zeker een pistool printen, of een mes, of een breekijzer. Deze voorwerpen zijn echter van plastic. Het afvuren van een plastic pistool levert een groter gevaar op voor de gebruiker dan voor het doelwit en een plastic mes is niet heel scherp. Het maakt wel mooie krantenkoppen.
  4. Je moet later nog alle onderdelen in elkaar zetten
    Nee, dat hoeft niet. Het is alleszins mogelijk om in elkaar passende onderdelen, zoals scharnieren of tandwielen, reeds geassembleerd te printen.
  5. 4D printen is iets nieuws
    Nee, dat is het niet. Er is, anders dan in de media, geen sprake van 4D printing: de beschrijving hiervan slaat op het printen van volledig geassembleerde voorwerpen en slimme ontwerpen. Dat kan al sinds 1984. Zie ook punt 3.
  6. 3D printen levert geen innovaties op
    Ik denk van wel: er worden honderden nieuwe 3D voorwerpen per dag bedacht en veel ervan heb ik nog nooit eerder gezien. Mensen worden creatief met 3D-ontwerptools omdat ze weten dat alles wat ze kunnen bedenken kunnen (laten) produceren.
  7. 3D printen voor thuisgebruik is de toekomst
    Waarschijnlijk niet op de manier zoals deze nu in het nieuws is, waarbij een rol plastic wordt omgesmolten tot voorwerpen. Die manier waarop plastic wordt gesmolten en in laagjes wordt opgebracht om zo te komen tot een 3D voorwerp is erg foutgevoelig, tijdrovend en technisch lastig om langdurig probleemloos te laten werken. Het smelt-en-print-in-laagjes-proces is echter bereikbaar voor hobbyisten en spreekt erg tot de verbeelding. Professionals, zoals Shapeways, gebruiken echter iets anders.
  8. Met 3D printen krijg je thuisfabriekjes die de grote fabrieken bedreigen
    Geen schijn van kans op: 3D printen is geschikt voor “one off” productie: voorwerpen waar je maar één of een klein aantal van nodig hebt. Het hele productieproces is vooral geschikt voor het maken van een prototype: het proces is te duur (energieverbruik) om te kunnen concurreren tegen bijvoorbeeld een spuitgietproces of het vacuumvorm proces. En vergeet niet dat het printen van 3D voorwerpen relatief veel tijd in beslag neemt: het printen van één enkel Lego blokje neemt al gauw tien minuten in beslag, terwijl in die tijd er duizenden blokjes via een spuitgietproces gemaakt worden.
  9. Met 3D printen kun je huizen printen!
    In theorie wel. Maar het maken van huizen is een eeuwenoud productieproces waar veel kosteneffectievere oplossingen voor zijn dan “printen”. In de kostenopbouw van een huis zijn de loonkosten slechts een deel van het eindbedrag: bouwmaterialen, inrichting, grondkosten en belastingen veranderen niet met 3D printen. Maar het maakt wel mooie krantenkoppen.
  10. 3D printen levert geen nieuwe mogelijkheden op
    Juist wel: het stimuleert innovatie enorm! Je kunt dingen maken die niet op een andere manier te produceren zijn. Bijvoorbeeld aluminium buizen met een honingraad profiel. En onderschat de motiverende waarde niet: ontwerpers kunnen nu op hun eigen bureau prototypes produceren. Dit stimuleert enorm de ontwerp innovatie.
  11. 3D printen is een uitkomst in de medische wereld
    Absoluut. Ondanks het feit dat de medische wereld meerdere methoden heeft voor het ontwikkelen van prostheses, is 3D printen een oplossing die goed aansluit op de toch al aanwezige 3D scanmethoden.
  12. Een 3D printer is onbetaalbaar
    Nee hoor, een 3D printer is er al voor een kleine 400 euro, zoals de Hadron die ik zelf heb gebouwd.

Aandrukconstructie voor het filament

J-Head variaties

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 doorsnede van RepRapWorld (A) en GB_Reprap (B)

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.

Bitmain Antminer

Bitmain is een Chinees IC-ontwerpbedrijf dat begin 2013 is opgericht en kantoren heeft in Beijing en Shenzhen. Eén van de producten van dit bedrijf is de BM1380 ASIC, die ondermeer wordt gebruikt in hun product Antminer. De introductie die het bedrijf op 11 november 2013 in het bitcointalk forum maakte wekte nogal wat ongeloof op vanwege de hoge specificaties van de producten. “If this is a scam, it is better than most“. De producten worden nu, twee maanden na de introductie, verkocht voor concurrerende prijzen. Niet dat het delven van bitcoins nu ineens uit kan, maar de winstperspectieven worden er positief mee beïnvloed.

De Antminer, een 1,6 GH/s ~ 2,5 GH/s bitcoin miner, is vanaf 50 euro verkrijgbaar, een prima prijs gezien het feit dat de Block Erupter, met een vijfde van de snelheid, nog voor datzelfde bedrag wordt aangeboden. De fysieke uitvoering van de Antminer lijkt sterk op de Block Eruptor, ongetwijfeld het betere kopieerwerk.