Untersuchung der thermischen Ausdehnung

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Untersuchung der thermischen Ausdehnung

Beitrag #1 von Zaldo » Mo 21. Dez 2015, 00:00

Hallo RFler,

nach einem durchscannten Wochenende präsentiere ich euch nun meine "Doktorarbeit" zum Thema Thermische Ausdehnung. Eine Sache vorweg: Die Dauerdruckplatte mag das garnicht, meine hat jetzt ein hübsches Pünktchenmuster :sick:

Aber ich will nicht sagen, dass die Erfahrungen hieraus völlig unnütz waren. Ich habe die Scan-Ergebnisse vom Bett und vom Extruder jeweils bei 23° und bei 100°C (Bett) bzw. 260°C gegenübergestellt. Hierzu habe ich letztlich Heatbedscans in wesentlich geringerer Auflösung gemacht, nicht zuletzt aus reinen Zeitgründen (sonst würde ich nächste Woche noch scannen) aber insbesondere um wechselnde thermische Einflüsse während eines Scan Durchlaufs möglichst gering zu halten. Nach jedem Durchgang habe ich den Extruder auf eine Parkposition X0Y0Z50 verfahren, um Wechselwirkungen zwischen Bett und Extruder möglichst gering zu halten (Außnahme: Letzter Bed-Scan).

Ermittelt habe ich jeweils die Kaltwerte (23°), den Setpoint (Unmittelbar bei erreichen der Solltemperatur) sowie nach 15, 30, 45, 60, 70 (Extruder 120) Minuten.

Fangen wir mal mit dem Bett an, das war die Ausgangssituation:
Bett: 23°C, Extruder (Beginn): 23°C, Extruder (Ende): 23°C
Bed_Initial_23_23.jpg

Es zeichnet sich schon ab, das die Schwachstelle bei meinem Bett die Mitte ist. Jedoch auch, wenn die Farbunterschiede martialisch wirken, Es ist insgesamt nur eine Ebenentoleranz von 0,039mm. Die ist hier auch nur sekundär, denn viel spannender sind die Veränderungen bei verschiedenen Temperaturen. Wie man gleich sieht...:

Bett: Setpoint 100°C, Extruder (Beginn): 23°C, Extruder (Ende): 28°C
Bed_Setpoint_23_100_28_100.jpg

Unmittelbar mit erreichen der Solltemperatur von 100°C ist interessantes zu beobachten: Die Höhenverhältnisse scheinen komplett negiert. Vermutlich passiert dies aufgrund von Spannungen und Verwerfungen innerhalb der noch nicht annähernd homogen erwärmten Platte. Allerdings auch hier sehen die Farben bedrohlicher aus als sie sind, denn die Ebenentoleranz beträgt ebenfalls nur 0,036mm. Das wäre vernachlässigbar. Jedoch in der Bettmite, kalt noch der höchste Punkt, nun hast der tiefste, beträgt die Differenz schon 0,1mm. Das ist schon eher eine Hausnummer. Geht das so weiter?

Bett: 15 Minuten 100°C, Extruder (Beginn): 28°C, Extruder (Ende): 32°C
Bed_15Min_28_100_32_100.jpg

Nein. 15 Minuten nach dem Aufheizen ist die Situation beinahe wieder wie bei der kalten Platte. Maximale Höhendifferenz 0,022mm.

Bett: 30 Minuten 100°C, Extruder (Beginn): 30°C, Extruder (Ende): 34°C
Bed_30Min_30_100_34_100.jpg

Nach 30 Minuten scheinen sich die Verhältnisse weiter zu normalisieren. Nicht von den wechselnden Farben verunsichern lassen. Die Gesamthöhendifferenz beträgt weiterhin nur 0,027mm, im Vergleich zum kalten Bett gibt es einzelne Abweichungen von etwa 0,03mm

Bett: 45 Minuten 100°C, Extruder (Beginn): 33°C, Extruder (Ende): 36°C
Bed_45Min_33_100_36_100.jpg

Nach 45 Minuten keine großen Überaschungen, jedoch zeichnet sich ab, dass die Gesamtunebenheit größer wird. Nun stehen schon 0,038mm auf dem Zähler. Es scheint auch eine zunehmende Divergenz zwischen dem Start und dem Ende eines Scans zu geben. Ein Zusammenhang?

Bett: 60 Minuten 100°C, Extruder (Beginn): 34°C, Extruder (Ende): 38°C
Bed_60Min_34_100_38_100.jpg

Wer bis hier noch aufmerksam mitgelesen hat, der hat sicherlich bemerkt, dass der Extruder während dem Scan mehr und mehr Strahlungswärme vom Bett mit aufnimmt. Wir sind inzwischen bei einer Ebenentoleranz von 0,053mm angekommen. Ob der Extruder hier übel mitspielt soll ein Test nach weiteren 10 Minuten zeigen:

Bett: 70 Minuten 100°C, Extruder (Beginn): 53°C, Extruder (Ende): 53°C
Bed_70Min_53_100.jpg

Hierzu habe ich vor dem Scan den Extruder nicht abseits geparkt, sondern 10 Minuten mit 0,5mm Abstand in Bettmite warten lassen. Die Temperatur des Extruders blieb sodann auch konstant, allerdings änderte dies nichts. Die Gesamthöhendifferenz stieg auf 0,066mm. Der Grund ist mir nicht bekannt, und ich kaufe gerne Theorien. Von einer Verspannung, einer späten Verwölbung bis zu einem Messfehler ist alles drin.

Allerdings reden wir hier von einer Zunahme der Ebenentoleranz im vergleich zur kalten Platte von nur rund 0,03mm. Das ist zum einen vernachlässigbar, und zum anderen soll die Z-Kompensation ja auch was tun. Wie schaut es nun aber mit der Abweichung zwischen den Temperaturen aus? Hierzu habe ich die Durchschnittswerte der X und Y Ebenentoleranz gegenübergestellt, und dann sieht der thermische Verlauf des Betts so aus:

Diagramm Bett.jpg


Und da werden zwei Dinge deutlich: Erstens hat die Erwärmung des Extruders von rund 30° auf rund 50° in den letzten 10 Minuten einen deutlichen Einfluss aus das Ergebnis,

Und zweitens scheint es überhaupt keine gute Idee zu sein, unmittelbar mit erreichen der Betttemperatur loszudrucken. Würde man die Abweichungen der einzelnen Werte (anstatt des Durchschnitts) gegenüberstellen, sähe es noch etwas verherender aus. Hat man diesen Punkt jedoch überwunden, nähern sich die Abweichungen zusehends wieder der kalten Platte an. Ich habe jetzt keinen extra Test nach den (empfohlenen) 5 Minuten Wartezeit gemacht, aber hier erscheint es mir sinnvoller, vor einem HBS entweder deutlich länger als 5 Minuten zu warten, oder gleich die kalte Platte zu scannen (wohlgemerkt, das bezieht sich auf meine Keramik, bei anderen kann das Ergebnis anders ausfallen)

Wichtiger scheint indes zu sein, keinesfalls weniger als 15 Minuten nach dem anheizen loszudrucken. Denn diese Abweichung wird auch von der Z-Kompensation nicht kompensiert, es handelt sich um eine reine Temperaturdrift. Aber wie verhält diese sich nun beim (V2) Extruder, und krabbelt da wirklich die Hitze nach oben?

Das alles erfahren Sie nächste Woche wenn es wieder heißt... :zunge: :zunge: :zunge:

Spaß beiseite, das schreibe ich in einem zweiten Post (weil ich sonst mit den ganzen Attachments durcheinander komme)
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Untersuchung der thermischen Ausdehnung: Der Extruder

Beitrag #2 von Zaldo » Mo 21. Dez 2015, 00:41

Soderle, das Attachmentfenster ist wieder leer, es kann weitergehen. Nach ein paar Stunden Wartezeit ist alles wieder auf Zimmertemperatur abgekühlt, nun bleibt das Bett kalt, und nur der Extruder wird beheizt:

Extruder: 23°C, Bett: 23°C
Trude_Initial_23_23.jpg

Zuerstmal damit wir eine Ausgangssituation haben. Wir starten wieder mit 0,023mm Ebenentoleranz, aber mit einem größeren Gesamtabstand. Diese Abweichung verglichen mit der ersten Testreihe ergibt sich daraus, dass ich den Z-Schalter Abstand vergrößern musste. Dazu später mehr. Jetzt erstmal den Riemen auf die Orgel...

Extruder: Setpoint 260°C, Bett: 23°C
Bed_Setpoint_23_100_28_100.jpg

Woha, wo sind wir denn da hingerauscht? :woohoo: Auf einen Schlag war der Abstand weg und Trude hat sich am Bett die Birne angerannt. Das ist also der Grund, warum ich den Abstand vergrößert habe. Der erste Versuch ist fehlgeschlagen. Die Ebenentoleranz nun 0,063mm. Warum so viel? Das Bett ist kalt und bleibt kalt und dürfte sich eigentlich nicht ändern?

Extruder: 15 Minuten 260°C, Bett: 23°C
Trude_15Min_260_23.jpg

Nun, ganz offensichlich ist der Extruder während des laufenden Scans noch etwas gewachsen, war also beim letzten Punkt der Platte näher als beim ersten. 15 Minuten nach dem Anheizen ist die Ebenentoleranz wieder auf 0,036mm gesunken.

Extruder: 30 Minuten 260°C, Bett: 23°C
Trude_30Min_260_23.jpg

Nach 30 Minuten ist die Ebenentoleranz nahezu identisch wie nach 15 Minuten. Auch der Durchschnittsabstand hat sich kaum verändert. Trudy wächst scheinbar nicht weiter.

Extruder: 45 Minuten 260°C, Bett: 23°C
Trude_45Min_260_23.jpg

Sehr schön zu sehen ist, dass sich die Farben der Matrix kaum verändern. Es scheinen also relativ konstante Verhältnisse zu herrschen. Der Anstieg der Ebenentoleranz von 0,038 auf 0,042 ist so minimal, dass er durchaus auch in der Messgenauigkeit des DMS Systems zu finden sein kann.

Extruder: 60 Minuten 260°C, Bett: 23°C
Trude_60Min_260_23.jpg

Nach 60 Minuten wartezeit ist die Ebenentoleranz nahezu identisch, der Abstand bezogen auf den Durchschnittswert ist aber etwas geschrumpft. Krabbelt da also doch die Wärme im Extruder nach oben? Ein letzter Härtetest.

Extruder: 120 Minuten 260°C, Bett: 23°C
Trude_120Min_260_23.jpg

Nach zwei Stunden heizen die große Ernüchterug: Der Abstand ist wieder größer geworden. Hier hat vielleicht die Wiederholungsgenauigkeit des Z-Schalters mitgespielt, aber es hat keine sonst wie geartete, signifikante Änderung mehr gegeben.

Was sagt uns das jetzt alles? Ist doch alles Paletti, Bett ist schön eben, maximal 0,044mm Toleranz.... Haste gedacht. Und zwar darum:

Diagramm Trude.jpg

Mache ich meien HBS also 5 Minuten nach dem aufheizen des Betts (0,1mm Abweichung) mit kaltem Extruder (Temperaturdrift über den gesamten Scan da der kalte Extruder Strahlungswärme vom Bett aufnimmt, welche von der Z-Kompensation erlernt wird), und drucke dann ABS unmittelbar nachdem ich die Solltemperatur erreicht habe (weitere 0,3mm Abweichung) kann man mit fug und recht sagen: Dann stimmt garnix mehr! Der Drucker druckt 0,4mm daneben, und kompensiert unter anderem eine Temperaturdrift, die es garnicht mehr gibt, mit Daten von einem Bedscan, der zu dieser Zeit völlig verdreht war. Dabei ignoriert er völlig die thermische Ausdehnung des Extruders (die relativ einfach zu berechnen wäre). Von so Sachen wie dem Gesamteifluss einer Einhausung auf den Drucker der sich dann ja insgesamt erwärmt will ich garnicht anfangen.

Das ist nicht alles Conrads Schuld, die können nix für die Physik. Aber man sollte wirklich eine halbe Stunde warten bevor man einen HBS macht, und diesen auch nicht mit kaltem Extruder (vielleicht auch nicht unbedingt bei 260° um die DDP nicht noch mehr zu malträtieren) aber die 120° genügen sicherlich, um der Aufheizung und damit der Drift durch das Bett entgegenzuwirken. Und schließlich sollte man auch erst 30 Minuten nachdem alles aufgeheizt ist, den Druck starten. Vorher den Abstand nochmal nachmessen, oder die Temperaturdehnung des Extruders berechnen, und entsprechenden Offset eingeben (das könnte der Drucker auch alleine ausrechnen, das darf sich Conrad gerne in die Schuhe schreiben). Denn diese Längung des Extruders ist sicherlich der dickste Batzen an Ungenauigkeit in der ganzen Kette.

So, ich hoffe das war nützlich für den einen oder anderen. Mich hats nur ein Wochenende und eine DDP gekostet :diabolisch:

Gruß
Holger
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Re: Untersuchung der thermischen Ausdehnung

Beitrag #3 von rf1k_mjh11 » Mo 21. Dez 2015, 08:46

Dr. Zaldo,

Ich danke für die ausführliche Arbeit. Damit sind einige der Probleme meiner ersten Layer teilweise geklärt. Auch mein übliches Warten nach Erreichung der Temperatur (5-10min.) vor dem Drucken, wird sich ab jetzt verlängern.

Im Anschluss an diesen Post wird ein neuerlicher HBS durchgeführt, mit Extruder auf 180° und einer 15-minütigen Wartezeit.

Übrigens: die Parkposition von X0Y0Z50 war eine gute Sache. Ich vermute, langes stehen bei Z0 führt zu einer leichten, vorübergehenden bleibenden Verformung der Z-Schalterplatine (die von der Originalversion), der sich nur langsam wieder zurückbildet. Das könnte auch einen Einfluss auf die Z0-Höhe haben.

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Re: Untersuchung der thermischen Ausdehnung

Beitrag #4 von Zaldo » Mo 21. Dez 2015, 09:13

Gern geschehen :-)

Ich werde heute Abend auf Basis dieser Erkenntnisse auch noch mal neu kalibrieren, und werde dann mal ein zieeeeeeeemlich langes G4 in meinen Start G-Code setzen.

Habe ich gestern vergessen: Ich wollte noch die Rohdaten der Scans mit anhängen, falls jemand noch irgendwelche andere Korrelationen damit anstellen möchte.

Gruß
Holger
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Re: Untersuchung der thermischen Ausdehnung

Beitrag #5 von mhier » Mo 21. Dez 2015, 11:52

Super Sache :-) Vor allem bei ABS sollte man vermutlich eh lang genug Vorheizen, damit der Druckraum schön gleichmäßig warm ist. 15 Minuten scheinen mir da eher kurz unter dem Aspekt!

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Re: Untersuchung der thermischen Ausdehnung

Beitrag #6 von rf1k_mjh11 » Mo 21. Dez 2015, 13:33

Nur 'mal auf die Schnelle (muss raus, einkaufen :santa: ).

Ich machte einen HBS bei Zimmertemperatur. Danach eines wo nur der Extruder auf 220° erwärmt war (inkl. 40 Minuten Warten auf Temperaturausgleich).
Da sich am Bett nichts ändert (theor.), sollte der Unterschied der Längenausdehnung entsprechen.

Ergebnis: der durchschnittliche Unterschied betrug zwischen 369 und 483 Microschritte (=0.14-0.19mm). Ich muss aber die Daten besser aufarbeiten - da gab es ein paar Ungereimtheiten.

P.S. Bei solchen Versuchen sollte man nicht vergessen, einen allerletzten HBS unter Betriebsbedingungen zu machen!!

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Re: Untersuchung der thermischen Ausdehnung

Beitrag #7 von Zaldo » Mo 21. Dez 2015, 13:55

0,05mm Unterschied kann auch durch die Wiederholungsgenauigkeit des Z-Schalters -besonders des originalen- und die Genauigkeit des DMS Systems zustande kommen. Ansonsten sollte die Längendehnung des Extruders dieselbe sein (ich habe allerdings bei 260° gemessen). Und hast Du den V1 oder V2 Extruder? Da könnte es natürlich auch Unterschiede geben.

Und vorsicht falls Du eine Dauerdruckplatte hast. Die mag insbesondere den Judaskuss des heißen Extruders nicht so oft.
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Re: Untersuchung der thermischen Ausdehnung

Beitrag #8 von rf1k_mjh11 » Mo 21. Dez 2015, 17:33

Thermische Ausdehnung:

Ich habe heute 3 Mal einen HBS durchgeführt.
  1. Extruder und Bett bei Zimmertemperatur
  2. Extruder bei 200°, Bett bei Zimmertemperatur
  3. Extruder bei 220° und Bett bei 70°

Ich habe einfach die Werte von jedem Messpunkt der zweiten und dritten Messung mit jene der ersten verglichen und die Differenz ausrechnen lassen.
Von der jeweils erhaltenen Wertemenge den Durchschnitt ausrechnen lassen und in Millimeter umgerechnet.

Der Unterschied, rein durch die Extruderlängung war 0.144mm (aus Messung 1. und 2., Temperaturdifferenz ca. 175° für Extruder, 0° für das Bett). Der Unterschied zwischen 1. und 3. Messung war 0.189mm, wobei hier der Extruder um 20 weitere Grade erwärmt wurde und das Bett auf 70° auch erwärmt wurde (und damit auch einen kleinen Einfluss gehabt haben wird).

Anhand des Farbenmusters sieht man das dass generelle Aussehen (=Unebenheit) des Betts ziemlich gleich bleibt.
Bett & Extruder bei Raumtemperatur:
HBS_Matrix_20151221_E_kalt_B_kalt.jpg

Bett kalt, Extruder auf 200 Grad:
HBS_Matrix_20151221_E_200_B_kalt.jpg

Bett 70 und Extruder 220 Grad:
HBS_Matrix_20151221_E_220_B_70.jpg


Zum Schluss noch die Längenänderung.
Als erstes die reine Längenänderung (Temp.diff. 175°):
Extruderlaengung_200Grad(175GradDiff).jpg

Hier die Längung bei einer Temp.diff von 195° des Extruders, und Bett 45° über Raumtemp.:
Extruderlaengung_220Grad_Bett_70Grad.jpg


Bei der Längung sieht man am Farbenmuster, dass sich über 90% der Messpunkte innerhalb von plus/minus 5% des Durchschnittswerts liegen - also statistisch recht genau. Aus irgendeinem Grund weicht die linke vordere Ecke stark ab. Keine Ahnung wieso.

Im Anhang finden sich auch die nackten Werte, direkt aus dem Repetier-Host Log kopiert.

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Re: Untersuchung der thermischen Ausdehnung

Beitrag #9 von Zaldo » Di 22. Dez 2015, 23:57

Merkst Du was? Wir machen gerade eine Wissenschaft draus.

Ich bin, was die Extruderlängung angeht jetzt nochmal anders vorgegangen (um die Messfehler zu minimieren und die Dauerdruckplatte zu schonen):

Ich habe nach dem XYZ Home Z auf einen Abstand etwas größer als 1mm gefahren, dann eine 1mm Fühlerlehre unter dem Extruder (kalt) plaziert (Bett ist und bleibt auch kalt)

Nun habe ich per Fahrtasten das Bett hochgefahren (in 0,01mm Schritten) bis der F-Wert reagiert hat (= beginnender Kontakt mit der Fühlerlehre).

Dann habe ich den Extruder auf 120°, 200°, und 270° aufgeheizt, jeweils mit einer halben Stunde Wartezeit, und dann jeweils die nächste passende Fühlerlehre unter dem Extruder plaziert, und wiederum das Bett angehoben, bis der F-Wert gerade reagiert.

Von 1mm Grundabstand bei kaltem Extruder ergaben sich bei 120° 0,87mm, bei 200° 0,75mm und bei 270° 0,63mm. Diese Messungen sollten nun ziemlich genau sein (bis auf den DMS Messfehler) da es ansonsten keine Wiederholungsungenauigkeiten mehr gibt.

Daraus ergibt sich wie erwartet ein beinahe linearer Verlauf (die leichte Abweichung dürfte darin begründet sein, dass der Extruder ja aus verschiedenen Materialien besteht, die unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben), den ich mir als Berechnungsgrundlage für verschiedene Temperaturen in folgendem Graphen dargestellt habe:
Abstand-Temperatur.jpg


Es sollte nun möglich sein, basierend auf einer Grundeinstellung (HBS mit kaltem Extruder) den korrekten Offset für jede Temperatur mitzugeben. Bei Kisslicer geht das ja sehr schön über den Reiter "Materialspzifischer G-Code" da unterschiedlichen Materialien ja i.d.R. auch die entsprechenden Temperaturen zugeordnet sind. Man könnte nun per M3006 den zu dieser Temperatur passenden Offset quasi beim Material hinterlegen.

Theoretisch sollten bei Dir eigentlich dieselben Werte rauskommen, aber ich weiß noch immer nicht, ob Du den V1 oder V2 hast.

Gruß
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Re: Untersuchung der thermischen Ausdehnung

Beitrag #10 von Digibike » Mi 23. Dez 2015, 00:34

Super! :good: Aber mal eine Frage am Rande: Der Extruder hat doch deutlich weniger Masse, brauchts da wirklich 30 min. bis zur max.
Längung? Ich bin bisher immer von max. 10 min. ausgegangen...
Aber ist sehr informativ. Muß ich bei meinen DGlass-Extrudern auch mal testen, wenn ich dazu komme. Sowas in der Art mache
ich in Simplify ja auch. Ich lege da halt Profile an. Aber da kann ich ja auch beliebiges einstellen. Von daher wäre das ein leichtes,
die Korrektur da gleich mit einfließen zu lassen.

Gruß, Christian
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