Der Prusa I3 MK3S und eine Geschichte von zwei Sensoren

Als der Prusa i3 MK3 im Jahr 2017 auf den Markt kam, wurde er aufgrund der beeindruckenden Anzahl an Sensoren, die in den Drucker integriert waren, als „verdammt intelligent“ vermarktet. Bei dem Update ging es nicht wirklich darum, die Druckqualität gegenüber dem MK2 zu verbessern, sondern vielmehr darum, das Gerät benutzerfreundlicher und zuverlässiger zu machen. Es gab ein System zum Wiederaufnehmen von Druckvorgängen, die während eines Stromausfalls angehalten wurden, ein Thermometer, damit die Firmware die thermische Abweichung im induktiven Bettsensor ausgleichen konnte, Drehzahlerkennung an allen Kühlventilatoren und fortschrittliche Trinamic-Schritttreiber, die erkennen konnten, wann die Der Drucker war verrutscht oder steckengeblieben.

Das aufregendste Upgrade von allen war jedoch der neue Filamentsensor. Mit einem optischen Encoder, der dem einer Maus ähnelt, konnte der Prusa i3 MK3 erkennen, wann Filament in den Extruder eingeführt wurde. Dadurch konnte die Firmware den Druck unterbrechen, wenn das Filament aufgebraucht war, eine Funktion, die bis zu diesem Zeitpunkt bei Desktop-3D-Druckern der Verbraucherklasse weitgehend unbekannt war. Darüber hinaus konnte der optische Encoder auch erkennen, ob sich das Filament tatsächlich durch den Extruder bewegte oder nicht.

Theoretisch bedeutete dies, dass der MK3 Probleme wie einen verklemmten Extruder oder eine Verwicklung im Filamentweg erkennen konnte, die das Abrollen der Spule verhinderte. Jeder andere 3D-Drucker für Endverbraucher auf dem Markt würde einfach fröhlich weitermachen, ohne zu bemerken, dass er tatsächlich keinen Kunststoff extrudiert. Der MK3 könnte jedoch erkennen, dass das Filament blockiert ist, und den Benutzer warnen. Die Fähigkeiten des optischen Filamentsensors stellten eine kleine Revolution im Desktop-3D-Druck dar und versprachen in Kombination mit der übrigen Instrumentierung des MK3, den Kummer fehlgeschlagener Drucke nahezu zu beseitigen.

Spulen wir vor bis Februar 2019 und der Ankündigung des Prusa i3 MK3S. Diese relativ kleine Aktualisierung des Druckers bündelte alle inkrementellen Optimierungen, die während der Produktion des MK3 vorgenommen wurden, und fügte keine wirklich neuen Funktionen hinzu. Allerdings wurde einer gelöscht: Der MK3S entfernte den im MK3 verwendeten optischen Encodersensor und damit die Fähigkeit, Filamentbewegungen zu erkennen. Benutzer müssten entscheiden, ob es sich lohnt, die Fähigkeit zur Erkennung von Verstopfungen und Verfilzungen beizubehalten und auf alle anderen Verbesserungen zu verzichten, die das Update bietet.

Aber warum? Was ist in diesen drei Jahren passiert, die Prusa Research dazu bewogen haben, die versprochene enorme Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit ihres Flaggschiffprodukts aufzugeben? Die Antwort ist ein interessanter Blick darauf, wie selbst die cleversten technischen Lösungen in der realen Welt nicht immer wie erwartet funktionieren.

Natürlich war Prusa Research nicht der Erste, der versuchte, das Problem der Erkennung verklemmter Filamente anzugehen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des MK3 hatten Hacker bereits jahrelang an eigenen Lösungen gebastelt, doch die meisten von ihnen verfolgten einen direkteren Ansatz. Die gebräuchlichste Methode bestand darin, einfach ein Rad gegen die Spule oder das Filament selbst zu drücken, dessen Drehung leicht durch einen Drehgeber oder Hall-Effekt-Sensor erfasst werden kann.

Das Problem bei dieser Idee besteht jedoch darin, dass sie dem Filament zusätzlichen Widerstand verleiht, was zu Schwankungen in der Extrusionsrate führen kann, die sich letztendlich auf die Druckqualität auswirken. Anwender auf der Suche nach perfekter Extrusion haben genau aus diesem Grund verschiedene widerstandsarme Spulenhalter entwickelt. Das Hinzufügen von Widerstand zum System wäre für viele Benutzer ein Fehlstart, selbst wenn es die Erkennung blockierter Filamente ermöglichen würde.

Das Schöne am optischen Sensor war, dass er „sehen“ konnte, wann sich das Filament bewegte, ohne es tatsächlich zu berühren. Auch hier kam Prusa Research nicht auf diese Idee. Es gab bereits Versuche, das Filament beim Eintritt in den Extruder visuell zu überprüfen, wobei das Ziel im Allgemeinen darin bestand, unterschiedliche Filamentdicken auszugleichen.

Was Prusa Research tat, war die Entwicklung eines kostengünstigen offenen Hardware-Sensors, der diese etablierten Ideen kombinierte, um einen präzisen berührungslosen Filament-Geschwindigkeitssensor zu schaffen. Eigentlich würde man erwarten, dass inzwischen jeder 3D-Druckerhersteller auf der Welt seine eigene Variante dieses kleinen Sensors entwickelt und an seine Einsteigergeräte geschraubt hat.

Was sie sicherlich irgendwann getan hätten, wenn der Sensor tatsächlich wie vorgesehen funktioniert hätte.

Um es klarzustellen: Der optische Filamentsensor im Prusa i3 MK3 hat funktioniert. Sonst hätten sie die Maschine nicht verschickt. Es hat sogar ziemlich gut funktioniert ... meistens. Es gab jedoch ein paar ziemlich schwerwiegende Probleme, die erst deutlich wurden, als die Benutzer einige Zeit mit der Maschine verbrachten. Schon vor der Veröffentlichung des MK3S und der physischen Entfernung des Sensors hatten sich viele Benutzer einfach dafür entschieden, den optischen Sensor in den Firmware-Einstellungen auszuschalten, da Probleme einfach zu häufig waren, um sie zu ignorieren.

Das erste und offensichtlichste Problem bestand darin, dass der Sensor gelegentlich Schwierigkeiten hatte, helle Filamente zu erkennen, bei durchscheinenden sogar noch schlimmer. Dies allein war für viele Benutzer kein großes Problem; Ein kurzer Spaziergang durch Thingiverse wird Ihnen zeigen, dass die meisten 3D-Drucker-Besitzer zunächst bei schwarzem, blauem oder rotem Filament bleiben. Doch als die Benutzer mehr Zeit in den MK3 investierten und anfingen, weniger gängige Farben zu verwenden, wurde klar, dass in den Augen des Druckers nicht alle Filamente gleich waren.

Leider hat das zweite Problem das Problem noch verschärft. Obwohl offensichtlich versucht wurde, den Sensor im Extrudergehäuse zu versenken, gelang es dennoch, Staub einzudringen. Dies war bis zu einem gewissen Grad unvermeidbar, da die Zahnräder des Extruders bei ihrer Arbeit unweigerlich Plastikstaubpartikel erzeugen. Das offizielle Wartungsverfahren empfiehlt Benutzern, auf Staub- und Partikelansammlungen rund um die Extruderzahnräder zu achten, erwähnt jedoch nicht die Überprüfung des Sensors. Obwohl es nicht besonders schwierig ist, den Sensor zu entfernen und zu reinigen, ohne den gesamten Extruder auseinander zu nehmen, ist es nicht das, was man als benutzerfreundlich bezeichnen würde. Es handelt sich sicherlich nicht um etwas, was man aus einer Laune heraus tun würde, insbesondere wenn es in den Wartungsrichtlinien nicht erwähnt wird.

Nach einer Weile würde diese Staubschicht die Fähigkeit des Sensors beeinträchtigen, das Filament zu erkennen. Probleme, denen Sie nur gelegentlich begegneten, wurden zu alltäglichen Ereignissen. Möglicherweise stellen Sie fest, dass das Einführen von Filament in den Extruder nicht immer die automatische Ladefunktion auslöst, sodass Sie sie manuell aktivieren müssen. Im schlimmsten Fall könnte der Drucker plötzlich feststellen, dass das Filament verschwunden sei, und den Druck stoppen. Das war schon ärgerlich genug, wenn man sich mit ihm im selben Raum befand, aber wenn man lange Ausdrucke über Nacht oder unterwegs machte, könnte es eine riesige Zeitverschwendung sein.

Eine Änderung des Wartungsverfahrens dahingehend, dass Benutzer alle paar Monate den optischen Sensor entfernen und reinigen müssen, hätte Abhilfe schaffen können, aber ehrlich gesagt wäre es bestenfalls eine Notlösung gewesen. Offensichtlich war der Sensor dieser Herausforderung nicht gewachsen. Die Genauigkeit war selbst unter idealen Bedingungen nicht hoch genug und führte zu einer Schwachstelle in dem ansonsten Arbeitstier. Es musste gehen. Aber was würde es ersetzen?

Am Ende ging Prusa Research einen Kompromiss ein. Der Sensor im MK3S ist immer noch optisch, blickt dieses Mal jedoch nicht auf das Filament. Wenn das Filament in den Extruder eingeführt wird, drückt es eine kleine Metallkugel zurück, die wiederum einen Hebel bewegt, der einen Lichtstrahl unterbricht. Wenn das Filament nicht mehr auf die Kugel drückt, bringt die Kraft zweier entgegengesetzter Magnete den Hebel in seine ursprüngliche Position zurück.

Da es keine Federn oder mechanischen Schalter gibt, die verkleben und sich abnutzen könnten, wird erwartet, dass der neue Sensor viel länger hält als die Originalversion. Gleichzeitig ist der Druck, der auf das Filament selbst ausgeübt wird, leicht und gleichmäßig genug, sodass er keinen Einfluss auf die Druckqualität haben sollte.

Der offensichtliche Nachteil besteht darin, dass der Sensor nicht mehr erkennen kann, ob sich das Filament bewegt, sondern nur noch, ob es physisch vorhanden ist. Sollte also das Hotend verstopft sein oder die Spule klemmen, zermahlt das Filament im Extruder und der Druck schlägt fehl. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Prusa die Lösung des Problems aufgegeben hat; Inzwischen ist das Unternehmen zu dem Schluss gekommen, dass der beste Weg zur Bekämpfung von Papierstaus und Verstopfungen die Herstellung eigener Filamente mit höheren physikalischen Toleranzen ist. Die Theorie besagt, dass es für den Drucker keinen Grund gibt, daran zu ersticken, wenn das Zufuhrmaterial die richtige Größe und Zusammensetzung hat.

Für die größere 3D-Druck-Community ist es bedauerlich, dass der fortschrittliche Filamentsensor von Prusa nicht funktioniert hat. Auch wenn es scheitert, ist es dennoch eine wichtige technische Lektion. Es ist eine Erinnerung daran, dass manchmal die einfachsten Ansätze wirklich die besten sind und dass die Tatsache, dass ein Stück Hardware auf Ihrem Prüfstand funktioniert, nicht bedeutet, dass es den alltäglichen Gebrauch überstehen wird.