Problemen met onderextrusie ...?

Wat is onderextrusie?

Onderextrusie is één van de meest frustrerende problemen bij 3D-printen met filament. Het komt er eenvoudig gezegd op neer dat de printer minder materiaal neerlegt dan verwacht. Hierdoor ontstaan gaten of slecht geprinte lagen wat de structuur van het object sterk kan verzwakken, of leidt tot onvolledige prints.

Volgende oorzaken kunnen de basis liggen van onderextrusie:

Kwaliteit van het filament

Een slechte kwaliteit van het gebruikte filament ligt vrij vaak aan de basis van extrusieproblemen. Daarbij moet je denken aan een diameter van de draad die sterke afwijkingen vertoont ten opzichte van de opgegeven dikte, of filament dat kleine onzuiverheden bevat (meer risico bij erg goedkoop filament). Maar het is ook mogelijk dat het filament te lang uit de originele verpakking is en teveel vocht heeft opgenomen, waardoor het o.a. gaat zwellen. Sommige materialen zijn daar gevoeliger aan dan andere (bijv. nylon, TPU). Het kan nodig zijn om het filament - zelfs voor een eerste gebruik -enkele uren te drogen en tijdens het printen ook een droogbox te gebruiken.

Weerstand in het filamentpad

Om een gelijkmatige extrusie te krijgen willen we liefst vermijden dat er teveel wrijving of spanning op het filament komt. Dit betekent in de eerste plaats dat de spoel netjes moet kunnen afrollen, zonder dat er te hard moet getrokken worden door de extruder motor. Slecht gewikkeld filament kan soms wat meer weerstand geven bij het printen maar wanneer er echt sprake is van knopen, gaat het doorgaans om een gebruikersfout (onbedoeld loslaten van uiteinde).

Scherpe hoeken in het pad van het filament kunnen ook zorgen voor extra wrijving en weerstand. Bij Creality-type toestellen worden soms hulpstukken (“guides”voorbeeld 1/voorbeeld 2) geprint om dit te voorkomen. Dit is in het bijzonder zinvol wanneer de spoel boven de printer wordt geplaatst, zoals standaard is voorzien bij heel wat toestellen. Een aangepaste spoelhouder, al dan niet voorzien van lagers, kan zeker helpen. Kartonnen spoelen kunnen dankzij het plaatsen van een geprinte flens (hier de flens voor Additive Heroes spoelen downloaden), iets vlotter afrollen op de standaard plastic spoelhouders.

Tenslotte kan ook in de geleidingsbuis naar de hotend (Bowden tube) teveel weerstand ontstaan. Gladdere teflon tubes zoals deze van Capricorn helpen met een vlotte doorvoer.

Oorzaken ter hoogte van de hotend

Bij een belangrijk deel van de problemen met onderextrusie, moeten we de oorzaak ter hoogte van de hotend situeren.

Verstopte nozzle: verstoppingen ter hoogte van de nozzle kunnen ontstaan door het ophopen van stof, afbraakproducten van het printmateriaal enz. Hierdoor wordt de nozzle opening - al dan niet gedeeltelijk - geblokkeerd. Bij handmatige doorvoer wordt snel duidelijk dat de extrusie opvallend dun en/of ongelijkmatig verloopt (krult wat op in plaats van mooi recht naar onder te stromen). Met het gebruik van tools voor de nozzle reiniging (nozzle naaldjes van 0.35-0.4 mm of een reinigingsdraad voor een 1.75 mm extruder) kunnen kleine verstoppingen soms verholpen worden. Bijzondere aandacht is nodig wanneer je wisselt tussen materialen met een uiteenlopende smelttemperatuur, omdat dit het risico op verstopping doet toenemen. Hetzelfde geldt voor materialen met een vulling (bijv. houtdeeltjes). Eventueel kan bij het wisselen gebruik gemaakt worden van een reinigingsfilament, wat bestaat uit een polymeer materiaal dat een ruim smeltbereik heeft.
Bij gevulde filamenten is het vaak aangewezen uit voorzorg voor een iets grotere nozzle te kiezen (0.5 of groter), om onderextrusie of blokkage te vermijden.

Een methode die kan gebruikt worden om ernstige verstoppingen op te lossen, heet “cold pull”. Hierbij wordt het materiaal samen met de verontreiniging, met kracht uit de nozzle getrokken. Deze procedure is echter niet altijd succesvol en werkt nog het best preventief.

Uitbranden van de nozzle of een oplosmiddel gebruiken (bijv. aceton bij ABS/ASA) wordt ook wel eens toegepast.
Maar vaak is de nozzle vervangen de enige oplossing! Kies dan ook voor kwaliteit, want zoals je maar goed kan tekenen met een scherp potlood, is een goed gemaakte nozzle noodzakelijk om betrouwbaar te kunnen 3D-printen.

Bowden tube: bij veel 3D-printers voor hobbyisten komt de Bowden tube tot in de hotend. Deze heeft daar een isolerende functie. Door het frequent opwarmen (zeker boven 245 °C) zal deze tube (die uit PTFE of teflon gemaakt is) geleidelijk aan vervormen. Hierdoor kan de doorgang van het filament belemmerd worden, met onderextrusie tot gevolg.

Een tweede probleem is wat men in de printer community “Bowden gap” noemt. Dit treedt op wanneer de tube niet perfect aansluit op de nozzle en er zich materiaal begint op te hopen. Daarom moet de tube netjes worden afgeknipt (hoek van 90°) met een Bowden cutter en op een correcte manier in de hotend geplaatst. Slechte pneufit koppelingen moeten vervangen worden omdat ze een Bowden gap in de hand kunnen werken. Bij het vervangen van de Bowden tube is het sowieso aangewezen ook een nieuwe koppeling te plaatsen.

Het vaak voorkomende probleem van de Bowden gap kan ook vermeden worden door de populaire "hotend fix" waarbij het laatste gedeelte van de tube ter hoogte van de hotend wordt afgeknipt en vastgezet door middel van een kleine spacer (zie ontwerp op Thingiverse).
Uiteraard kan het ook een afweging zijn om de Bowden configuratie te vervangen door een direct drive extruder, zoals bijv. van Micro Swiss.

Heat creep: hiermee verwijzen we naar het fenomeen waarbij een 3D-printer na enige tijd in het printproces, plots onderextrusie vertoont en finaal lucht print. Bij iedere print zien we dan hetzelfde fenomeen. Een nieuwe nozzle kan het probleem niet verhelpen. Dat zijn typische kenmerken van heat creep. Mogelijke oorzaken moeten we in dat geval zoeken bij een slechte koeling van het hotend gedeelte bijv. door een kapotte hotend ventilator, of slecht werkende heatbreak of koelvinnen. Het gevolg is dat de warmte zeer langzaam zal opklimmen tot in het koele gedeelte, zodat het filament daar al zacht wordt, wat uiteraard niet de bedoeling is.
Heat creep kan zich overigens ook voordoen wanneer de omgevingstemperatuur te hoog oploopt bij het printen van PLA (bijv. in afgesloten kast).

Opgelet! Goedkope Chinese hotends zijn soms gewoon slecht ontworpen waardoor de kans op heat creep toeneemt.

Extruder/feeder problemen

Vaak wordt onderextrusie snel in verband gebracht met het extruder of feeder mechanisme, omwille van het typische kloppende geluid dat uit de motor komt. In de meeste gevallen is dit vooral een gevolg van een blokkage in de hotend, waardoor de motor tijdens de extrusie een enorme weerstand zal ervaren.

Onderextrusie kan ook te maken hebben met het extruder/feeder mechanisme zelf:

Tandwiel: het tandwiel op de as van de extruder motor wordt heel dikwijls over het hoofd gezien als mogelijke bron van extrusieproblemen. Zo kunnen de schroefjes loskomen waardoor het tandwiel niet meer vast zit op de motorschacht. Een andere mogelijkheid is dat de tanden verstopt zitten met filament en het tandwiel zo grip verliest, of de tanden kunnen ook afgesleten zijn (bij messing extruder tandwielen komt dit na verloop van tijd voor). In uitzonderlijke gevallen kan de extruder motor en via die weg ook het tandwiel, te warm worden waardoor het filament gemakkelijk zal vervormen en niet meer kan doorgevoerd worden. Tot slot moeten tandwiel en geleiderwieltje van de feeder netjes uitgelijnd zijn en blijven, zodat het filament daar vlot blijft tussen lopen.

Spanning/weerstand: een goed werkende extruder/feeder vraagt om de juiste spanning (van de veer). Zit er te weinig spanning op, dat geeft dit een onbetrouwbare extrusie, bij teveel spanning kan het tandwiel helemaal door het filament heen “bijten”. Slechte veren kunnen een oorzaak zijn van problemen met de feeder. Maar ook goedkope plastic feeders, zoals standaard in een aantal hobbyprinters voorzien, kunnen snel voor problemen zorgen doordat ze barsten. Beter is deze preventief te vervangen door een eenvoudige metalen extruder/feeder, dual gear extruder ...
Verder moeten de feeder onderdelen ook zonder veel weerstand vrij kunnen bewegen tijdens extrusie en retractie. Zo nodig moeten deze wat gesmeerd worden, of de schroeven wat bijgeregeld.

Slechte koppeling: goedkope pneufit koppelingen (bij Bowden 3D-printers) hebben vaak een zeer beperkte levensduur. Er moet ook steeds voor gezorgd worden dat een clip wordt geplaatst op de koppeling zodat deze niet kan loskomen. Zo nodig zal de koppeling ter hoogte van de feeder moeten vervangen worden.

Printer instellingen

Naast de eerder technische oorzaken van onderextrusie ter hoogte van de printer zelf, mogen we ook niet vergeten dat een aantal instellingen van de printer onderextrusie kunnen verklaren, we sommen hier enkele op (volg zeker ook de eventuele aanwijzingen van de filamentproducent):

• Nozzle temperatuur: een te lage temperatuur kan extrusieproblemen geven (niet noodzakelijk vanaf de eerste laag!)
• Printsnelheid: een te hoge printsnelheid (in verhouding tot de nozzle temperatuur) kan onderextrusie verklaren.
• Retractie: foutieve retractie-instellingen (lengte & snelheid) kunnen bijdragen tot extrusieproblemen. Vaak gaat eerder het om esthetische printfoutjes, maar bijv. bij all metal hotends kan een te hoge retractie heel wat extrusieproblemen tot gevolg hebben. Zeer frequente korte retracties kunnen bovendien wel eens het filament wegslijten ter hoogte van de feeder, sommige materialen zijn daar iets gevoeliger aan dan andere.
• Filament diameter: een foutieve instelling van de diameter (2.85 in plaats van 1.75 in de slicer) geeft structurele onderextrusie vanaf de eerste laag.
• Extruder steps: dit is een specifieke waarde die eenvoudig gezegd het verband legt tussen het draaien van de motor en het voortbewegen van het filament. Deze waarde moet zo nodig opnieuw gecalibreerd worden, volgens de regel van 3. Verschillende types extruders hebben een andere waarde nodig, dus bij het veranderen van het extruder mechanisme moet dit zeker nagekeken en aangepast worden in de firmware (meestal mogelijk in het menu van de printer) of in de slicer. Voor alle informatie over een grondige calibratie van de 3D-printer, zie de site van Teaching Tech.
• Flow: dit is het debiet van het materiaal; bij bepaalde materialen moet deze waarde bijgesteld worden (bijv. flexibele materialen vragen typisch wat extra flow om goed te printen).
• …